PWM算法

    PWM用于直流斩波,可以用于直流电升压或降压,常见的PWM用于降压。PWM利用占空比来调节单位时间内能量输出的密度,在宏观上体现为输出电压与输入电压不同。

    狭义上的PWM只有一种算法,通过线性函数与常量的比较来判定这个位是输出高电平还是低电平。输出的比特流类似于“1110000000”这是一个占空比为3/10的PWM比特流,它以10个位为一个PWM周期,其中高电平占3个位,所以占空比为 3/10。这种算法的特点是简单直观,所有的1都集中在一起,所有的0也集中在一起,不仅可以使用单片机实现,还可以使用数字电路和模拟电路实现。它的缺点是具有固定的基波频率,有时会引起共振。

    广义上的PWM可以将一个PWM周期的1和0打乱。只要一个PWM周期内的1和0数量正确,输出电压和狭义的算法是一样的。

    广义PWM算法有周期算法和非周期算法。

    非周期算法较为简单,使用随机数发生器和比较器生成无序但同样具有占空比的脉冲。它的特点是没有基波频率,不会引起系统共振,但是需要随机数发生器,在单片机上不容易实现。可以使用硬件随机数发生器,或者使用高性能CPU来编制PWM比特流。在单片机上建议使用伪随机数表。

    周期算法我推荐使用龟兔赛跑算法,本文重点介绍此算法。比如需要输出3/7的占空比,那么乌龟的速度为3,兔子的速度为7。开始比赛,第一回合乌龟跑到3,兔子休息,此回合的比特为0;第二回合乌龟跑到6,兔子还是休息,此回合比特为0;第三回合,乌龟跑到9,兔子感到压力,跑到7,此回合的比特为1,重新以兔子为起点,兔子的位置变成0,乌龟的位置变成2;……。 用程序来表达,就变成:一个计数器每次循环加上乌龟的速度,若乌龟的位置大于兔子的速度,则乌龟位置减兔子的速度作为新 位置,返回1,如果乌龟的位置没有大于兔子的速度,则返回0。按照这样的方法,将得到这个比特流:“0010101”。如果是7/16的占空比,将得到:“0010101001010101”。它的好处是基波频率比扫描频率更高,更高的基波频率将带来更稳定的电压;对于互质的占空比系数,每个扫描周期都会发生若干次移相,不断地移相能够有效抑制共振。这个算法可以很容易由单片机和数字电路实现。

PWM(脉宽调制,Pulse Width Modulation)是一种通过调节脉冲宽度来控制输出功率的技术,广泛应用于电机控制、LED调光、电源管理等领域。其核心原理是通过改变一个周期内高电平的时间比例(即占空比),从而控制平均输出电压或功率。 ### PWM的基本原理 PWM信号是一个周期性的方波信号,其周期(Period)是固定的,而占空比(Duty Cycle)是可变的。占空比定义为高电平时间与整个周期的比值,通常以百分比表示。例如,50%的占空比表示在一个周期内高低电平各占一半时间。 通过调整占空比,可以控制输出的平均电压或功率: - 占空比越高,输出的平均电压越高。 - 占空比越低,输出的平均电压越低。 这种控制方式的优势在于效率高,因为开关元件(如MOSFET)要么完全导通,要么完全关闭,功耗较低。 ### PWM的实现方式 在嵌入式系统中,如STM32微控制器,PWM通常由定时器模块实现。其基本实现步骤如下: 1. **配置定时器**:选择一个定时器,并设置其时钟源和计数模式。定时器的计数器会在一个周期内从0递增到自动重载值(ARR),然后重新开始计数。 2. **设置比较寄存器**:比较寄存器(CCR)用于决定高电平的持续时间。当计数器的值小于CCR时,输出为高电平;当计数器的值大于或等于CCR时,输出为低电平。 3. **启动PWM输出**:配置完成后,启动定时器和PWM通道,输出相应的PWM信号。 以下是一个基于STM32的PWM输出配置示例(使用HAL库): ```c // 初始化定时器 TIM_HandleTypeDef htim3; void MX_TIM3_Init(void) { __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 83; // 预分频值 htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // 自动重载值,决定周期 htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); } // 设置占空比 void set_pwm_duty(uint32_t duty) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty); } ``` 在该示例中,`Prescaler`用于降低定时器的时钟频率,`Period`决定了PWM信号的周期,而`set_pwm_duty`函数通过设置比较寄存器的值来改变占空比。 ### 应用场景 - **直流电机控制**:通过调节PWM的占空比可以控制电机的转速。 - **LED调光**:通过调节占空比可以实现LED的亮度控制。 - **开关电源**:在DC-DC转换器中,PWM用于控制输出电压的稳定[^1]。 ### 相关问题 1. 如何在不同微控制器上配置PWM输出? 2. PWM信号的频率对电机控制有何影响? 3. 如何通过软件实现一个简单的PWM算法? 4. 占空比与平均功率之间的数学关系是什么? 5. 在实际应用中,如何选择PWM的频率和占空比?
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