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什么是PWM?

PWM（脉宽调制）的详细解释与系统设计应用

1. 基本概念与信号形式

PWM（Pulse Width Modulation） 是一种通过数字信号控制模拟量输出的技术，其核心是周期性开关信号。通过调整信号的脉冲宽度（占空比）和频率，可以模拟出不同幅度的模拟电压或电流。

  • 信号形式：PWM信号是方波，包含高电平（On-Time）和低电平（Off-Time）交替的周期性脉冲。
  • 关键参数：
    • 周期（Period）：单个脉冲完整循环的时间（T = 1/frequency）。
    • 频率（Frequency）：单位时间内脉冲的重复次数（Hz）。
    • 占空比（Duty Cycle）：高电平持续时间占总周期的比例（例如50%占空比表示高电平和低电平各占周期的一半）。
    • 脉冲宽度（Pulse Width）：高电平持续时间（=占空比 × 周期）。

动态特性：

  • 占空比决定平均电压值。例如，5V电源下，PWM信号的平均电压 = 占空比 × 5V。
  • 波形描述：
    • 占空比0%：信号始终为低电平，平均电压为0V。
    • 占空比50%：高、低电平各占周期的一半，平均电压为2.5V。
    • 占空比100%：信号始终为高电平，平均电压等于电源电压。
    • 不同频率下表现：高频PWM（如20kHz）更适合模拟平滑信号（如LED调光），低频PWM（如1kHz）在电机控制中更易观察到脉冲变化。

2. PWM 如何控制模拟量输出？

PWM 通过数字开关（0或1）生成离散脉冲，配合低通滤波器（如RC电路）将脉冲转换为模拟电压。例如：

  • LED调光：占空比50%时，LED亮度约为最大值的一半。
  • 电机速度控制：占空比越低，电机的平均驱动电压越小，转速越慢。

数学表达：

\[平均电压 \ V_{avg} = V_{CC} \times \frac{Duty}{100\%} ，其中 \ V_{CC} \ 是电源电压。 \]

3. 典型应用场景与硬件平台配置

场景1：电机速度控制（如直流电机、舵机）
  • 原理：通过PWM信号的占空比调节电机的平均驱动电压，控制转速或角度。
  • 硬件平台示例：
    • STM32：使用定时器（如TIM1、TIM2）配置PWM模式，通过改变CCR（捕获/比较寄存器）值调整占空比。
      // STM32代码示例（基于HAL库）
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;
htim.Init.Prescaler = 83;      // 预分频器（假设时钟源为72MHz）
htim.Init.Period = 999;        // 自动重载值（周期为 (Prescaler+1)*(Period+1)/时钟源 = 1ms，频率1kHz）
HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);
__HAL_TIM_SetCompare(&htim, TIM_CHANNEL_1, 500);  // 50%占空比
    • Arduino：使用analogWrite()函数，直接指定占空比（0-255）。例如：
      analogWrite(3, 128);  // 在引脚3输出50%占空比的PWM信号（频率默认为490Hz）
场景2：LED调光
  • 原理：占空比控制亮度，需搭配滤波电容或电阻消除闪烁。
  • 硬件平台示例：
    • ESP32：通过ledcSetup()和ledcAttachPin()配置PWM通道，支持高分辨率（如8-16位）和多通道同步。
      // ESP32代码示例（使用LED Control库）
ledcSetup(0, 5000, 8);         // 通道0，5kHz频率，8位分辨率（0-255）
ledcAttachPin(2, 0);           // 将GPIO2连接到通道0
ledcWrite(0, 128);              // 50%占空比
场景3：音频信号输出
  • 原理：高频PWM（如50kHz以上）经低通滤波后可生成模拟音频信号。
  • 硬件平台示例：
    • STM32：利用DAC外设结合PWM实现音频输出，或使用定时器的高速PWM通道（如TIM8）。
      // 高频PWM配置示例（假设时钟源为24MHz）
htim.Init.Prescaler = 0;        // 无预分频
htim.Init.Period = 239;         // 周期240个时钟周期 → 1MHz频率

4. PWM 的核心配置步骤（以 STM32 为例）

  1. 选择定时器：根据引脚映射和功能需求选择（如通用定时器TIM2或高级定时器TIM1）。
  2. 设置时钟源与预分频器：
    • 时钟源（如APB1或APB2）决定定时器的最大频率。
    • 预分频器（Prescaler）将时钟源分频至合理范围。
  3. 配置自动重载寄存器（ARR）：
    • 决定周期值：Period = ARR + 1。
    • 频率计算：

\[ \ f = \frac{f_{\text{时钟源}}}{(Prescaler+1) \times (ARR+1)} \ \]

  1. 设置比较寄存器（CCR）：
    • 占空比 = $\ \frac{CCR}{ARR+1} \times 100% \ $。
  2. 启用PWM输出模式：
    • 配置PWM模式（如PWM模式1或PWM模式2），并启动定时器。

5. 不同硬件平台的 PWM 能力对比

平台 最大频率 分辨率（位） 通道数 典型应用
STM32F4系列 1MHz+ 16位 每定时器3-4通道 高精度电机控制、伺服驱动
Arduino Uno 490Hz-~10kHz 8位（0-255） 6个PWM引脚 基础LED调光、小电机控制
ESP32 1MHz+ 8-16位可配置 16个PWM通道 精密控制（如无人机舵机）

6. PWM 的局限性与设计注意事项

  • 局限性：

    • 滤波需求：模拟输出需外接低通滤波器，否则高频开关可能引入噪声。
    • 频率选择：
      • 高频（如20kHz）适合LED调光（人眼无法感知闪烁），但会增加电磁干扰（EMI）；
      • 低频（如1kHz）适合电机控制，但可能产生可听噪音或机械振动。
    • 驱动能力：直接PWM输出通常需外接晶体管或MOSFET（如电机驱动），以放大电流和电压。

  • 设计技巧：

    • 死区时间（Dead Time）：在电机控制中，为避免上下桥臂直通，需在PWM信号中插入死区时间（例如STM32的互补输出PWM模式）。
    • 占空比与负载匹配：高占空比可能导致驱动电路过热，需结合散热设计。

7. 波形描述与动态特性

波形示例：
  • 占空比 50%：
    High: ----    ----    ----  
Low:    ----    ----    ----
  • 占空比 25%：
    High: --        --        --  
Low:    ------    ------    ------
动态特性：
  • 低占空比（如20%）：设备（如电机）平均功率低，转速慢或亮度暗。
  • 高占空比（如80%）：设备平均功率高，转速快或亮度亮。
  • 高频PWM（如20kHz）：减少可见闪烁或音频噪声，提升控制精度。

8. 实际应用案例

  • 案例1：Arduino控制LED亮度：

    • 硬件：Arduino Uno + 220Ω电阻 + LED。
    • 代码：analogWrite(9, 128) → 50%亮度。
    • 观察：占空比从0%到100%时，LED亮度线性变化。

  • 案例2：STM32控制直流电机：

    • 硬件：STM32F4 + L298N电机驱动模块。
    • 配置：定时器TIM3输出PWM信号至L298N的IN1/IN2引脚，通过调整CCR实现速度调节。
    • 优势：支持可变频率（如1-20kHz），避免电机共振。

  • 案例3：ESP32生成音频信号：

    • 硬件：ESP32 + 低通滤波器（如RC电路）+ 扬声器。
    • 配置：使用RMT模块生成高频PWM（如50kHz），经滤波后输出音频。
    • 注意：需确保PWM频率高于音频最高频率的两倍（奈奎斯特采样定理）。

9. 总结

PWM 是嵌入式系统中数字控制模拟设备的核心技术，其优势包括：

  • 高效节能：通过开关信号直接驱动负载，减少线性放大器的功率损耗。
  • 灵活性：占空比可编程调整，适用于多种控制场景（如速度、亮度、音频）。
  • 低成本：无需复杂模拟电路，仅需数字定时器和简单滤波。

局限性：

  • 需外接滤波或驱动电路以适配负载；
  • 高频可能增加EMI，影响系统稳定性。

通过合理选择硬件平台（如STM32的高精度定时器、ESP32的多通道PWM），并优化频率和占空比参数，PWM 可在嵌入式控制系统中实现高效的模拟量输出控制。

posted @ 2025-04-15 17:33  Christopher_James  阅读(777)  评论(0)    收藏  举报