PWM 技术综述【文献综述】

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电子信息工程

PWM 技术综述

摘要：本课题主要介绍了基于FPGA的 PWM对于LED灯的设计方法和流程。脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信领域[1]。对模拟信号电平进行数字编码的时候只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码，且实践表明本课题所提出的用PWM控制LED灯的方案是合理、有效的。

关键字：PWM；FPGA；脉宽调制；数字编码

1、PWM的概述

PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，PWM具体的波形图如图1所示。

图1 PWM波形图

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论

思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。对于控制LED灯，PWM可以更加的精确，对于调节灯的明暗灰度，可以更加的容易控制。

2、PWM的原理

随着电子技术的发展，出现了多种PWM的调制方法：其中最具代表性的就是数字脉冲调制和模拟脉冲调制。其中数字脉冲调制主要是依靠时钟信号的输入同时用计数器的计数。然后把信号传

给储存器，在通过比较器比较，最后输出脉冲宽度调制波[2]；而模拟脉冲调制主要是脉宽调制器是一个比较器，它是将控制信号Uc 与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列。

2.1 数字脉冲调制

数字调制主要是依靠时钟信号的输入同时用计数器的计数。然后把信号传给储存器，在通过比较器比较，最后输出脉冲宽度调制波。用数字序列调制脉冲载波的幅度。可得到脉冲幅度调制信号PAM （Pulse Amplitude Modulation ）。是属于数字脉冲调制的一种，其他两种是：PPM （Pulse Position Modulation ），调制脉冲载波的位置；PWM （Pulse Width Modulation ），调制脉冲载波的宽度。其中PWM 数字脉冲调制原理图如图2数字脉冲调制器所示[3]。

图2 数字脉冲调制器 2.2模拟脉冲调制

脉宽调制器是一个比较器，它是将控制信号Uc 与频率一定的锯齿波电压进行比较，产生出脉冲序列如图1所示。因此在集成控制电路中还包括一个频率固定的时钟信号和锯齿波发生器。时钟脉冲频率决定了PWM 转换器的开关频率。假设锯齿波电压幅值为Um ，锯齿波宽为Ts （决定了开关周期）。在一个开关周期Ts ，内，控制信号Ts 与锯齿波有一次相交，决定了这时的PWM 输出脉冲的宽度DuTs [4-5]。如下图 3模拟脉宽调制器。

图3模拟脉宽调制器

3、PWM 技术实现

PWM 方式即脉冲宽度调制方式，如图4。主要有分辨率、周期两个参数，分辨率是指在一个周期内可控的最小时间，分辨率越高，控制精度也越高，一般用n 位二进制数表示，如8 位、10位、12 位、16 位等分辨率， 可控的最小工作时间：N T T 2

min 1 ，T T 1也称作占空比。单片机应用于工业

控制等方面时，一般采用PWM 方式对模拟量进行控制，在周期T 一定的情况下，通过调整工作时间T1 来达到对模拟量控制的目的[10]。

图4 PWM 方式

3.1 用单片机实现的PWM模块

随着大规模集成电路的不断发展，寻找带有内置PWM 模块的单片机已经不是困难的事情，内置PWM 模块的单片机，其PWM 最大分辨率一般是10位，只要设置好PWM 工作的频率、分辨率等参数并启动，将占空比数据写入指定寄存器即可，程序流程如图5。单片机初始化时设置好PWM 模块参数并启动PWM 功能，根据需要采集模拟量数据，经运算分析调整占空比，再将占空比数据写到PWM 指定的寄存器中，周而复始，达到调整PWM 的目的。这种实现PWM功能方法的优点是控制简单、控制程序短、程序用于处理PWM 功能所需占用的时间短，不足之处是输出的I/O 口必须是单片机内PWM 模块指定的I/O 口，不能任意改变，要同时实现多路PWM 功能时受到单片机内PWM 硬件资源的限制[11-12]。

图5 用单片机实现PWM功能流程图

3.2 用FPGA模拟PWM功能

用FPGA编写一个计数器产生公共的 PWM 时基，将该时基实时与一路PWM所要求的占空比数据比较，时基<=占空比数据时，对应输出口输出 1，否则输出 0 。以模拟1路 8 位PWM 功能为例，设PWM公共时基存于 TIMER（00H～FFH）中，占空比数据存于 P1 00H～FFH PWM出分别为OUT1，根据需要采集模拟量数据，经运算析调整占空比，FPGA编写一个计数器产生 PWM 时基，每入一个脉冲就

加一，当到达P2后又从 00H 开始计数，再将计数器的数值分别与占空比P1比较，时基大于占比则对应输出“1”，否则对应输出“0”[13]。如图6

图6. 用FPGA模拟实现PWM 功能原理图

4、PWM的应用

PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业,具体讲,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

4.1 PWM在调速系统中的应用

在数控机床的直流电机伺服系统中，速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现。它采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。常见的PWM 驱动系统的主电路（功率放大器）结构有：H 型和T 型。下面以H 型结构为例说明PWM 双极式驱动的电路工作原理，如图7PWM 驱动系统调速所示[6-7]。

图7 PWM 驱动系统调速