【车载开发系列】PWM与占空比

【车载开发系列】PWM与占空比

一. 基本概念

1）PWM

PWM全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制（简称脉宽调制，通俗的讲就是调节脉冲的宽度），是电子电力应用中非常重要的一种控制技术。
脉冲宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM的优点：
从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
对噪声抵抗能力的增强.
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

2）脉冲

脉冲通常是指电子技术中经常运用的一种像脉搏似的短暂起伏的电冲击 (电压或电流)。
脉冲宽度（W），简称“脉宽”，是脉冲高电平持续的时间。单位是时间，比如纳秒（ns）、微妙（μs）、毫秒（ms）等。

3）PWM的频率

是指在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。

4）PWM的周期

T=1/f，T是周期，f是频率。如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有 50次PWM周期。

5）占空比

脉宽除以脉冲周期的值，百分数表示，比如50%。也常有小数或分数表示的，比如0.5或1/2。

二. PWM原理

假设高电平为5V、低电平则为0V，那么要输出不同的模拟电压就要用到PWM。通过改变IO口输出的方波的占空比，从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。
频率与占空比关系
频率越高，占空比越小，PWM信号的平均电压也就越小；
频率越低，占空比越大，PWM信号的平均电压也就越大。

三. 计算公式

设PWM信号的周期为T，高电平时间为TH，低电平时间为TL，则占空比D的计算公式为：
D = TH / T * 100%
如果PWM信号的频率为f，则周期T = 1/f。如果要控制PWM信号的平均电压，可以通过调整频率和占空比来实现。
比方说，周期的时间是10ms，脉宽时间是7ms，那么占空比是7/10= 70%，这就是占空比为70%的脉冲信号。

例子1：
（接通时间/脉冲时间） = 3/4
输出电压 = （接通时间/脉冲时间）*最大电压值 = 3/4 * 5 V = 3.75V
例子2：
（接通时间/脉冲时间） = 1/2
输出电压 = （接通时间/脉冲时间）*最大电压值 = 1/2 * 5 V = 2.5V
例子3：
（接通时间/脉冲时间） = 1/5
输出电压 = （接通时间/脉冲时间）*最大电压值 = 1/5 * 5 V = 1V

四. PWM的应用（例程）

1）呼吸灯

一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全没有闪烁感，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是误以为是一个常亮的LED灯。
由于频率很高时看不到闪烁，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗。所以，在频率一定时，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一个呼吸灯的效果。

2）舵机

舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比来控制舵机不同的转角。
舵机的频率一般为频率为50HZ，也就是一个20ms左右的时间脉冲，而脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围，来控制舵机不同的转角。
0.5ms-------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度

3）直流电机

调节占空比可以实现不同电压的输出，实现对电机转速的调节。
对于直流电机来讲，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了。
在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。