PWM在控制中使用非常廣泛，可以以數(shù)字量對(duì)模擬電路進(jìn)行控制。這里對(duì)PWM的原理進(jìn)行講述，并舉例說(shuō)明PWM的重要應(yīng)用。

1、PWM簡(jiǎn)介

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。通俗的說(shuō)PWM是采用數(shù)字量對(duì)模擬量進(jìn)行合成的方法。

數(shù)字量是怎么樣對(duì)模擬量進(jìn)行合成的呢？請(qǐng)看下例：

用PWM波代替正弦沖半波：

上圖中用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。這兩種波作用于電路時(shí)，所產(chǎn)生的效果基本相同。

2、PWM的應(yīng)用

基于面積相等的原理實(shí)際上可以對(duì)任意波形進(jìn)行合成，再如下圖：

圖中a波形作用于LED上，表現(xiàn)為光強(qiáng)的遞增變化，b波形采用PWM對(duì)a進(jìn)行合成。在某一段時(shí)間內(nèi)兩種波形的面積是相同的，因此b作用于LED上時(shí)，效果與a是相同的。b波以一定頻率的等幅不等寬的脈沖序列出現(xiàn)，脈沖寬度遞增。

PWM的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)如下：

#include

 #define uchar unsigned char

/*—————————————————————————————-

以程序用于說(shuō)明PWM的實(shí)現(xiàn)

——————————————————————————————-*/

/**

程序思路說(shuō)明：

關(guān)于頻率和占空比的確定，對(duì)于12M晶振，

假定PWM輸出頻率為1KHZ,這樣定時(shí)中斷次數(shù) *

設(shè)定為C=10，即0.01MS中斷一次，則TH0=FF,TL0=F6;

由于設(shè)定中斷時(shí)間為0.01ms，這樣*

可以設(shè)定占空比可從1-100變化。即0.01ms*100=1ms

*/

/**

TH0和TL0是計(jì)數(shù)器0的高8位和低8位計(jì)數(shù)器，

計(jì)算辦法:TL0=(65536-C)%256;

TH0=(65536-C)/256,其中C為所要計(jì)數(shù)的次數(shù)即多長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生一次中斷；

TMOD是計(jì)數(shù)器*

工作模式選擇，0X01表示選用模式1,它有16位計(jì)數(shù)器，

最大計(jì)數(shù)脈沖為65536,最長(zhǎng)時(shí) 間

為1ms*65536=65.536ms

**/

#define V_TH0  0XFF                  

#define V_TL0  0XF6                  

#define V_TMOD 0X01                  

void init_sys(void); /系統(tǒng)初始化函數(shù)/

void Delay5Ms(void);

unsigned char ZKB1,ZKB2;

void delay(unsigned int time)

{

while(time—);

}

void main (void)

{

init_sys();

ZKB1=40; /占空比初始值設(shè)定/

ZKB2=60; /占空比初始值設(shè)定/

while(1)

{

if (!P1_1) //如果P1.1為低電平，增加占空比

{

delay(50000);

if(!P1_1)

 {

  ZKB1++;

  ZKB2=100-ZKB1;

 }

}

if(!P1_2) //如果P1.2為低電平，減少占空比

{

delay(50000);

if (!P1_2)

{

 ZKB1--;

 ZKB2=100-ZKB1;

}

}

/對(duì)占空比值限定范圍/

if (ZKB1>99) ZKB1=1;

if (ZKB1<1) ZKB1=99;

}

}

/系統(tǒng)初始化函數(shù)/

void init_sys(void)

{

/定時(shí)器初始化/

TMOD=V_TMOD;

TH0=V_TH0;

TL0=V_TL0;

TR0=1;

ET0=1;

EA=1;

}

/中斷函數(shù)/

void timer0(void) interrupt 1 using 2

{

static uchar click=0; /中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器變量/

TH0=V_TH0; /恢復(fù)定時(shí)器初始值/

TL0=V_TL0;

++click;

if (click>=100) click=0;

if (click<=ZKB1)

/當(dāng)小于占空比值時(shí)輸出低電平，高于時(shí)是高電平，從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)整/

P1_3=0;

else

P1_3=1;

if (click<=ZKB2)

P1_4=0;

else

P1_4=1;

}

以上是PWM的簡(jiǎn)單應(yīng)用，用得更多的是采用它進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，其實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用端，有必要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行介紹。

1）H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：

  上圖所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（上圖及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái)）。電路中，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如上圖所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍?/p>

上圖所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。 當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较颍?/p>

2）使能控制與方向邏輯

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)關(guān)。上圖所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。而2個(gè)非門通過(guò)提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只

有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。（與前面的示意圖一樣，上圖所示也不是一個(gè)完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。）

具有使能控制和方向邏輯的H橋電路采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR-L信號(hào)為0，DIR-R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如上圖所示）；如果DIR-L信號(hào)變?yōu)?，而DIR-R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。

實(shí)際使用的時(shí)候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

3）L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹
L298是一種高電壓，高電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動(dòng)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，通過(guò)外部控制信號(hào)與PWM，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)向與調(diào)速，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

1. 芯片封裝

2. 引腳定義

編號(hào)

名稱

功能描述

1,15

Sense A Sense B

在此引腳與地之間接采樣電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流

2,3

Out1 Out2

橋式電路A的的輸出端，接電機(jī)

4

Vs

輸出端電源供給

5,7

Input 1 Input2

橋式電路A的控制端

6,11

Enable A Enable B

橋式電路A與B的使能端

8

GND

地

9

VSS

邏輯控制地

10,12

Input 3 Input4

橋式電路B的控制端

13,14

Out3 Out4

橋式電路B的的輸出端，接電機(jī)

－

NC

不接

將上面的PWM例程產(chǎn)生的波形作用于電機(jī)的使能端上，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。至于方向的控制，只需兩個(gè)IO接于控制端即可。