PWM、電感、紋波相關(guān)知識(shí)科普

PWM有著非常廣泛的應(yīng)用，如直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、開(kāi)關(guān)電源、逆變器等。我個(gè)人認(rèn)為，要完全理解或掌握模擬電路并有所突破，就要徹底理解這三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

1、PWM

2、電感

3、紋波

PWM是一種技術(shù)手段，PWM波就是在這種技術(shù)手段控制下的脈沖波。如果你不了解它，你就無(wú)法掌握PWM波。

如下圖所示，這個(gè)比喻非常形象、恰當(dāng)。希望能對(duì)正在學(xué)習(xí)的朋友有所幫助，有所啟發(fā)。

PWM的全稱Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制(通俗地說(shuō)就是調(diào)節(jié)脈沖的寬度)，是電子電力應(yīng)用中非常重要的一種控制技術(shù)。在了解TA之前，我們先了解幾個(gè)概念。

脈沖波的基本信息如下圖所示：

1、脈沖周期T：單位為時(shí)間，如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等。

2、脈沖頻率f：單位為赫茲、千赫kHz等，與脈沖周期成反比關(guān)系，即f=1/T。

3、脈沖寬度W：簡(jiǎn)稱脈沖寬度，是脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間，而單位是時(shí)間，如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等。

4、占空比D：脈沖寬度除以脈沖周期得到的值，用百分比表示，如50%，也常用小數(shù)或分?jǐn)?shù)表示，如0.5或1/2。

上面的關(guān)系是下圖中所列的公式：

工程應(yīng)用中的PWM波是一種幅值和周期(或頻率)恒定、脈寬(或占空比)可調(diào)的脈沖波。接下來(lái)，讓我們來(lái)了解一下什么是PWM波？當(dāng)我們要控制一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以改變它兩端的電壓，但這種方法有很大的局限性?？烧{(diào)直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，應(yīng)用非常不現(xiàn)實(shí)。所以我們使用另一種控制方法：電壓源→驅(qū)動(dòng)器→直流電機(jī)，電壓源提供直流電壓，不同的驅(qū)動(dòng)器控制不同的直流電機(jī)，應(yīng)用非常靈活，而驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的速度控制是采用PWM。

可調(diào)直流電源控制和PWM控制都可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，那么它們有什么共同點(diǎn)呢?

如下圖所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，紅色代表驅(qū)動(dòng)器輸出的幅值恒定的PWM波，藍(lán)色代表可調(diào)直流電源的輸出電壓，兩者都是直接加到負(fù)載上的。

由上可知：

當(dāng)PWM波的占空比較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的直流電壓更接近PWM波的幅值。相反，它越接近0V。周期性紅色PWM波脈寬下的矩形面積之和等于藍(lán)色直流電壓的面積，也就是說(shuō)，伏秒積相等：

U紅(幅值) × ton = U藍(lán) × T

兩端同時(shí)除以T，得到如下關(guān)系式：

U紅(振幅)×占空比=U藍(lán)

例如，當(dāng)PWM波的幅度為24V，占空比為50%時(shí)，將12V的直流電壓加到電動(dòng)機(jī)上所產(chǎn)生的效果是完全相同的，即轉(zhuǎn)速相同，即24V×50%=12V。

此外，由于滿足這種關(guān)系，PWM波的頻率可以是任意的。答案當(dāng)然不是，如果頻率太低，電動(dòng)機(jī)將不能平穩(wěn)運(yùn)行，具有較大的振動(dòng)和噪音。如果頻率太高，驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)損耗就會(huì)大，甚至電機(jī)會(huì)發(fā)出噪音但是機(jī)子不轉(zhuǎn)。

一般以1k~30k的PWM頻率較為常見(jiàn)，也有數(shù)百Hz的。實(shí)際上，在測(cè)試過(guò)程中最好根據(jù)電機(jī)功率來(lái)確定合適的PWM頻率范圍。

下圖是實(shí)物測(cè)試，脈沖寬度是變化的，PWM波周期不變。

加的負(fù)載如下圖所示，這是對(duì)PWM控制電機(jī)調(diào)速的一次物理測(cè)試。有刷直流電機(jī)的PWM無(wú)級(jí)調(diào)速，其中LED并聯(lián)在電機(jī)的輸入端，其亮度反映電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

要點(diǎn)：

PWM波實(shí)際上是一種脈沖寬度可連續(xù)調(diào)節(jié)的矩形脈沖波。

占空比實(shí)際上是脈沖寬度與脈沖周期的比值，是一個(gè)定量的數(shù)值，便于分析研究。當(dāng)我們用占空比來(lái)表示的時(shí)候，就不會(huì)那么在意脈沖寬度了。

占空比調(diào)整就是脈寬調(diào)整，表現(xiàn)形式不同，但本質(zhì)是一樣的。

PWM波滿足伏秒積計(jì)算：U紅(幅值)×占空比=U藍(lán)，其效果與直流電壓相同。

編輯：黃飛