PWM控制技术

封面图 • 2025-12-03 • 嵌入式

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种广泛应用于电力电子、电机控制、电源管理、音频处理等领域的控制技术。它通过调节脉冲信号的**宽度**（即导通时间）来控制输出功率或电压的平均值，从而实现对系统能量的精确控制。

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## 一、PWM的基本原理

PWM的核心思想是：  
> **通过改变脉冲信号的占空比（Duty Cycle）来控制输出的平均功率。**

### 1. 占空比（Duty Cycle）
占空比是脉冲信号中**导通时间**与**周期**的比值，通常用百分比表示：

$$
\text{Duty Cycle} = \frac{T_{on}}{T} \times 100\%
$$

- $ T_{on} $：脉冲高电平持续时间  
- $ T $：整个周期时间

### 2. 输出平均电压
对于一个固定频率的PWM信号，其输出的平均电压为：

$$
V_{avg} = V_{supply} \times \text{Duty Cycle}
$$

例如：
- 若供电电压为12V，占空比为50%，则平均电压为6V；
- 占空比为25%，则平均电压为3V。

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## 二、PWM的应用领域

### 1. **电机控制**
- 控制直流电机的速度和转矩；
- 在无刷直流电机（BLDC）中用于驱动三相逆变器。

### 2. **开关电源（SMPS）**
- 用于DC-DC转换器、AC-DC电源等；
- 通过调节PWM的占空比来稳定输出电压。

### 3. **LED调光**
- 通过调节PWM信号的占空比来控制LED的亮度；
- 不需要改变电流，避免发热问题。

### 4. **音频信号生成**
- 在数字音频系统中，PWM可用于生成模拟音频信号。

### 5. **逆变器控制**
- 在太阳能逆变器、UPS等设备中用于控制输出波形。

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## 三、PWM的实现方式

### 1. **硬件实现**
- 使用专用的PWM控制器芯片（如TI的TPS5430、Microchip的PIC系列）；
- 利用微控制器（如STM32、Arduino、ESP32）内置的PWM模块。

### 2. **软件实现**
- 通过编程控制GPIO引脚的高低电平切换，模拟PWM信号；
- 常用于嵌入式系统中，如使用定时器中断生成PWM波形。

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## 四、PWM的优点

- **高效性**：PWM工作在开关状态，损耗小，效率高；
- **精度高**：可以通过调节占空比实现精细的功率控制；
- **灵活性强**：可适应多种控制需求，如调速、调光、调压等；
- **成本低**：无需复杂模拟电路，易于实现。

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## 五、PWM的缺点

- **电磁干扰（EMI）**：高频PWM会产生电磁噪声；
- **需要滤波**：若用于模拟信号生成，需加滤波器去除高频成分；
- **控制复杂度**：在多通道、高精度应用中，需要更复杂的控制算法。

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## 六、PWM的常见参数

| 参数 | 含义 |
|------|------|
| 频率（Frequency） | PWM信号的周期频率（Hz） |
| 占空比（Duty Cycle） | 脉冲宽度与周期的比值 |
| 峰值电压（Peak Voltage） | PWM信号的最高电压 |
| 平均电压（Average Voltage） | 占空比 × 峰值电压 |

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## 七、示例：PWM控制直流电机

```c
// Arduino 示例代码：通过PWM控制直流电机速度
int motorPin = 9; // 连接电机的PWM引脚
int speed = 128;  // 0~255，占空比约50%

void setup() {
  pinMode(motorPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  analogWrite(motorPin, speed); // 设置PWM占空比
}
```

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## 八、扩展知识：SPWM 和 PWM 的区别

- **PWM**：脉宽调制，控制的是脉冲的宽度；
- **SPWM**（Sinusoidal PWM）：正弦波脉宽调制，常用于逆变器中生成近似正弦波输出，以减少谐波失真。

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如果你有具体的项目或应用场景（比如电机控制、电源设计、LED调光等），我可以提供更详细的PWM控制方案或代码示例。欢迎继续提问！