基本介紹
- 中文名：脈衝寬度調製，脈寬調製，脈寬調製技術
- 外文名：Pulse Width Modulation
- 含義：來等效的獲得所需要的波
- 特點：含形狀和幅值
- 簡稱：PWM
- 分類：信息、通信
背景,原理,分類,諧波頻譜,過程,套用,優點,領域,
背景
隨著電子技術的發展，出現了多種PWM技術，其中包括：
1）相電壓控制PWM
2）脈寬PWM
3）隨機PWM
4）SPWM（Sinusoidal PWM，正弦曲線PWM）
5）線電壓控制PWM
在鎳氫電池智慧型充電器中採用的脈寬PWM法，它是把每一脈衝寬度均相等的脈衝列作為PWM波形，通過改變脈衝列的周期可以調頻，改變脈衝的寬度或占空比可以調壓，採用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。
模擬信號的值可以連續變化，其時間和幅度的解析度都沒有限制。模擬信號與數位訊號的區別在於後者的取值通常只能屬於預先確定的可能取值集合之內，例如在{0V,5V}這一集合中取值。
儘管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它並不總是非常經濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發熱，其功耗相對於工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。
通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在晶片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易。
原理
對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈衝，用這些脈衝來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈衝，使各脈衝的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。
例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈衝所組成的波形。這些脈衝寬度相等，都等於 ∏/n ，但幅值不等，且脈衝頂部不是水平直線，而是曲線，各脈衝的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈衝序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈衝序列代替，使矩形脈衝的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈衝和相應正弦部分面積（即衝量）相等，就得到一組脈衝序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈衝寬度是按正弦規律變化的。根據衝量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對於正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脈衝的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例係數改變各脈衝的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈衝電壓就是直流側電壓的幅值。
根據上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈衝數後，PWM波形各脈衝的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。
分類
從調製脈衝的極性看，PWM又可分為單極性與雙極性控制模式兩種。
諧波頻譜
假設SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱為載波比N，對於三相變頻器，當N為3的整數倍時，輸出不含3次諧波及3的整數倍諧波。且諧波集中載波頻率整數倍附近，即諧波次數為：kfc±mfs，k和m為整數。
隨著諧波頻率的升高，諧波幅值整體呈現下降趨勢，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法的規定，變頻電量變送器的頻寬應該在載波頻率的6倍以上，當載波頻率為3kHz時，頻寬至少為18kHz，實際使用建議採用30kHz以上頻寬的變頻功率感測器及變頻功率分析儀。
過程
脈衝寬度調製（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高解析度計數器的使用，方波的占空比被調製用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重複脈衝序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要頻寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。
多數負載（無論是電感性負載還是電容性負載）需要的調製頻率高於10Hz，通常調製頻率為1kHz到200kHz之間。
許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調製頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟體中完成以下工作：
1、設定提供調製方波的片上定時器/計數器的周期
2、 在PWM控制暫存器中設定接通時間
3、設定PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳
4、啟動定時器
5、使能PWM控制器
如今幾乎所有市售的單片機都有PWM模組功能，若沒有（如早期的8051），也可以利用定時器及GPIO口來實現。更為一般的PWM模組（如：TI的2000系列、AVR的Mega系列、TI的LM系列）控制流程為：
1、使能相關的模組（PWM模組以及對應管腳的GPIO模組）。
2、配置PWM模組的功能，具體有：
①：設定PWM定時器周期，該參數決定PWM波形的頻率。
②：設定PWM定時器比較值，該參數決定PWM波形的占空比。
③：設定死區（deadband），為避免橋臂的直通，需要設定死區，一般單片機都有該功能。
④：設定故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測。
⑤：設定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM模組協調工作時尤為重要。
3、設定相應的中斷，編寫ISR，一般用於電壓電流採樣，計算下一個周期的占空比，更改占空比，這部分也會有PI控制的功能。
4、使PWM波形發生。
套用
1、簡介
脈寬調製（PWM）是開關型穩壓電源中的術語。按穩壓的控制方式，開關型穩壓電源分為：
- PWM型
- PFM型
- PWM、PFM混合型
PWM式開關型穩壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。
2、PWM在推力調製中的套用
1962年，Nicklas等提出了脈衝調製理論，指出利用噴氣脈衝對太空飛行器控制是簡單有效的控制方案，同時能使時間或能量達到最優控制。
脈寬調製發動機控制方式是在每一個脈動周期內，通過改變閥門在開或關位置上停留的時間來改變流經閥門的氣體流量，從而改變總的推力效果，對於質量流率不變的系統，可以通過脈寬調製技術來獲得變推力的效果。
脈寬調製通常有兩種方法：
- 第一種為整體脈寬調製，對控制對象進行控制器設計，並根據控制要求的作用力大小，對整個系統模型進行動態的數學解算變換，得出固定力輸出應該持續作用的時間和開始作用時間。
- 第二種為脈寬調製器，不考慮控制對象模型，而是根據輸入進行“動態衰減”性的累加，然後經過某種算法變換後，決定輸出所持續的時間。這種方式非常簡單，也能達到輸出作用近似相同。
脈寬調製控制技術結構簡單、易於實現、技術比較成熟，俄羅斯已經將其成功地套用於遠程火箭的角度穩定系統控制中。但是當調製量為零時，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明顯比變流率系統低。而且系統回響有一定的滯後，其開關的頻率必須遠大於KKV本身的固有頻率，否則不但起不到調製效果，甚至會發生災難性後果。
3、在LED中的套用
在LED控制中PWM作用於電源部分，脈寬調製的脈衝頻率通常大於100Hz，人眼就不會感到閃爍。
優點
PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數位訊號產生影響。
對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對於模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用於通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網路可以濾除調製高頻方波並將信號還原為模擬形式。
總之，PWM既經濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計套用中使用的有效技術。
領域
PWM控制技術主要套用在電力電子技術行業，具體講，包括風力發電、電機調速、直流供電等領域，由於其四象限變流的特點，可以反饋再生制動的能量，對於如今國家提出的節能減排具有積極意義。
