PWM基础与信号控制

1. 什么是PWM？

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过改变信号的占空比来控制电压输出的技术。简单来说，PWM信号由一系列高低电平组成，通过调节高电平持续的时间比例，可以控制信号的平均电压。

在许多电子控制系统中，PWM被广泛应用于调节功率输出，如调节LED亮度、电机转速等。

2. PWM的信号结构

PWM信号本质上是一种周期性的方波信号，每个周期由高电平和低电平构成。信号的关键参数包括：

• 占空比（Duty Cycle）：高电平持续时间相对于整个周期时间的比例。占空比越大，信号的平均电压越高；占空比越小，平均电压越低。
  • 100%占空比：信号全程为高电平，输出最大电压。
  • 50%占空比：高电平持续一半时间，平均电压为最大电压的一半。
  • 0%占空比：信号全程为低电平，无输出电压。
• 频率（Frequency）：信号周期的重复速度，通常以Hz（赫兹）为单位表示。频率越高，PWM信号切换高低电平的速度越快。

3. PWM的应用场景

PWM信号非常灵活，在电子系统中广泛应用于不同的控制场景。以下是常见的几种应用：

1) 控制LED亮度

LED的亮度与其接收到的电压成正比，而PWM可以通过调节占空比，改变LED接收到的平均电压，从而调节亮度。

• 高占空比 → LED亮度增加；
• 低占空比 → LED亮度减小。

由于人眼的响应速度较慢，频率较高的PWM信号可以让人感觉到LED亮度是平滑变化的，而不是闪烁的。

2) 控制电机转速

直流电机的转速与它接收到的平均电压成正比。通过PWM控制电机驱动信号的占空比，可以调节电机的转速。

• 高占空比 → 电机转速快；
• 低占空比 → 电机转速慢。

在某些复杂的电机控制系统中，还会通过反馈调节PWM信号，使电机转速保持稳定。

3) 控制舵机位置

舵机的转动角度由输入信号的脉宽决定，PWM信号的高电平持续时间会直接影响舵机的转角。一般来说，控制舵机时，频率保持恒定，而通过调节脉冲的高电平持续时间来改变舵机的角度。

• 较长的脉宽 → 舵机转动角度大；
• 较短的脉宽 → 舵机转动角度小。

4. PWM的优势

PWM技术相比于其他控制方式有以下几大优势：

• 效率高：PWM通过开关电平的方式控制电压，避免了线性调节带来的能量损耗，非常适合在低功耗场景下使用。
• 灵活性高：通过调节占空比，可以实现对设备的精确控制，如精确调节电机转速、灯光亮度等。
• 简易性：PWM电路相对简单，不需要复杂的模拟控制电路，通过数字信号即可实现控制。

5. PWM频率与信号控制

在实际使用PWM控制系统时，频率是一个至关重要的参数。频率过低时，信号的高低电平切换速度慢，会导致控制设备（如电机或LED）表现出闪烁或震动效应。频率过高则会增加系统的开关损耗，可能导致电路发热或效率降低。

1) 选择合适的频率

• LED控制：通常PWM频率需要保持在1kHz以上，避免人眼察觉到闪烁。
• 电机控制：为了确保电机平稳运行，PWM频率一般设置在几百Hz到几十kHz之间，具体频率依据电机的特性和负载情况而定。
• 舵机控制：通常使用50Hz的低频PWM信号，脉宽调节范围在1ms到2ms之间，来实现不同角度的控制。

2) 频率过低的副作用

当PWM频率过低时，设备可能会表现出不平稳的状态：

• LED可能会出现肉眼可见的闪烁；
• 电机可能会产生明显的抖动，甚至发出类似蜂鸣器的噪音；
• 舵机的动作可能不够流畅，出现卡顿现象。

解决方法是适当提高PWM频率，以确保信号切换足够快，使设备的工作状态更加平稳。

6. 总结

PWM是一种通过调节信号占空比来控制功率输出的有效手段。它的主要优势在于高效率、易控制以及适应多种应用场景。在实际应用中，频率的选择也至关重要，适当的PWM频率能够确保设备工作状态平稳，避免不必要的噪音或抖动。