脈寬調(diào)制PWM控制理論

1、電源技術(shù)網(wǎng) 電源技術(shù)綜合區(qū) 脈寬調(diào)制PWM控制理論 姜然發(fā)表于 2007-6-26 23:21脈寬調(diào)制PWM控制理論 姜然脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語(yǔ)。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式(PWM)開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。一、控制方式的探討1.模擬電路模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就

2、是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V， 5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可

3、行的。其中一點(diǎn)就是模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。2.數(shù)字控制通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是

4、數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。大多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對(duì)開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈(但

5、保持點(diǎn)亮)的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場(chǎng)合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。3.非線性控制PWM單周控制法又稱積分復(fù)位控制(Integration Reset Control，簡(jiǎn)稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS觸發(fā)器，此中K可以是任何物理開關(guān)，也可是其他可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。單周控制在控制電路中

6、不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。4.硬件控制器許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比，調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。雖然具體的PWM控制器在編程細(xì)節(jié)上會(huì)有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。5.通信與控制PW

7、M的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。PWM廣泛應(yīng)用在多種系統(tǒng)中。作為一個(gè)具體的例子，我們來(lái)考察一種用PWM控制的制動(dòng)器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，制動(dòng)器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動(dòng)器使用模擬輸入信號(hào)來(lái)控制夾緊壓力(

8、或制動(dòng)功率)的大小。加在制動(dòng)器上的電壓或電流越大，制動(dòng)器產(chǎn)生的壓力就越大?？梢詫WM控制器的輸出連接到電源與制動(dòng)器之間的一個(gè)開關(guān)。要產(chǎn)生更大的制動(dòng)功率，只需通過(guò)軟件加大PWM輸出的占空比就可以了。如果要產(chǎn)生一個(gè)特定大小的制動(dòng)壓力，需要通過(guò)測(cè)量來(lái)確定占空比和壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(所得的公式或查找表經(jīng)過(guò)變換可用于控制溫度、表面磨損等等)。例如，假設(shè)要將制動(dòng)器上的壓力設(shè)定為100psi，軟件將作一次反向查找，以確定產(chǎn)生這個(gè)大小的壓力的占空比應(yīng)該是多少。然后再將PWM占空比設(shè)置為這個(gè)新值，制動(dòng)器就可以相應(yīng)地進(jìn)行響應(yīng)了。如果系統(tǒng)中有一個(gè)傳感器，則可以通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)調(diào)節(jié)占空比，直到精確產(chǎn)生所需的壓力。位器

9、來(lái)替代機(jī)械式電位器，但這樣做會(huì)加大成本。產(chǎn)生PWM波形的第二種辦法是采用ADC824 MicroConverter(微轉(zhuǎn)換器)。它除了提供兩個(gè)PWM信號(hào)輸出以外，還集成了幾個(gè)ADC、幾個(gè)DAC、一個(gè)與8052兼容的微控制器以及閃存。你可以配置出分辨率高達(dá)16位的PWM。不過(guò)，已編程的頻率會(huì)影響PWM的分辨率。PWM的頻率和分辨率如下：FPWM=16.777 MHz/N，式中N是以位表示的分辨率。一個(gè)內(nèi)部PLL可根據(jù)32千赫晶振推導(dǎo)出16.77MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘。該基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)PWM的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。如前所述，N是PWM的分辨率，即位的多少。要達(dá)到16位的分辨率，PWM的最大頻率是266Hz。頻率為

10、200kHz時(shí)，分辨率會(huì)降到大約6位。因此，ADC832對(duì)于低頻高分辨率系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種理想的低成本方法，但對(duì)于高頻高分辨率系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并非如此。二、定時(shí)/計(jì)數(shù)器PWM設(shè)計(jì)要點(diǎn)根據(jù)PWM的特點(diǎn)，在使用ATmega128的定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)輸出PWM時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.首先應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況，確定需要輸出的PWM頻率范圍，這個(gè)頻率與控制的對(duì)象有關(guān)。如輸出PWM波用于控制燈的亮度，由于人眼不能分辨42Hz以上的頻率，所以PWM的頻率應(yīng)高于42Hz，否則人眼會(huì)察覺到燈的閃爍。2.然后根據(jù)需要PWM的頻率范圍確定ATmega128定時(shí)/計(jì)數(shù)器的PWM工作方式。AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的PWM模式可以分成快速PWM和

11、頻率(相位)調(diào)整PWM兩大類。3.快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，但占空比的調(diào)節(jié)精度稍微差一些。此時(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在單程正向計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：PWM頻率 = 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/(分頻系數(shù)*(1+計(jì)數(shù)器上限值)4.快速PWM模式適合要求輸出PWM頻率較高，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求不高的應(yīng)用。5.頻率(相位)調(diào)整PWM模式的占空比調(diào)節(jié)精度高，但輸出頻率比較低，因?yàn)榇藭r(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在雙向計(jì)數(shù)方式。同樣計(jì)數(shù)器的上限值決定了PWM的頻率，比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小。PWM頻率的計(jì)算公式為：PWM頻

12、率 = 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/(分頻系數(shù)*2*計(jì)數(shù)器上限值)6.相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，但頻率固定，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。當(dāng)調(diào)整占空比時(shí)，PWM的相位也相應(yīng)的跟著變化(Phase Correct)。7.頻率和相位調(diào)整PWM模式適合要求輸出PWM頻率較低，輸出頻率需要變化，占空比調(diào)節(jié)精度要求高的應(yīng)用。此時(shí)應(yīng)注意：不僅調(diào)整占空比時(shí)，PWM的相位會(huì)相應(yīng)的跟著變化；而一旦改變計(jì)數(shù)器上限值，即改變PWM的輸出頻率時(shí)，會(huì)使PWM的占空比和相位都相應(yīng)的跟著變化(Phase and Frequency Correct)。8.在PWM方式中，計(jì)數(shù)器的上限值有固定的0xFF(8位T/C)；0x

13、FF、0x1FF、0x3FF(16位T/C)?；蛴捎脩粼O(shè)定的0x0000-0xFFFF，設(shè)定值在16位T/C的ICP或OCRA寄存器中。而比較匹配寄存器的值與計(jì)數(shù)器上限值之比即為占空比。三、PWM應(yīng)用設(shè)計(jì)參考下面給出一個(gè)設(shè)計(jì)示例，在示例中使用PWM方式來(lái)產(chǎn)生一個(gè)1KHz左右的正弦波，幅度為0-Vcc/2。首先按照下面的公式建立一個(gè)正弦波樣本表，樣本表將一個(gè)正弦波周期分為128個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)按7位量化(127對(duì)應(yīng)最高幅值Vcc/2)：f(x) = 64 + 63 * sin(2x/180) x0127 如果在一個(gè)正弦波周期中采用128個(gè)樣點(diǎn)，那么對(duì)應(yīng)1KHz的正弦波PWM的頻率為128KHz。實(shí)際上

14、，按照采樣頻率至少為信號(hào)頻率的2倍的取樣定理來(lái)計(jì)算，PWM的頻率的理論值為2KHz即可。考慮盡量提高PWM的輸出精度，實(shí)際設(shè)計(jì)使用PWM的頻率為16KHz，即一個(gè)正弦波周期(1KHz)中輸出16個(gè)正弦波樣本值。這意味著在128點(diǎn)的正弦波樣本表中，每隔8點(diǎn)取出一點(diǎn)作為PWM的輸出。程序中使用ATmega128的8位T/C0，工作模式為相位調(diào)整PWM模式輸出，系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz，分頻系數(shù)為1，其可以產(chǎn)生最高PWM頻率為： 8000000Hz / 510 = 15686Hz。每16次輸出構(gòu)成一個(gè)周期正弦波，正弦波的頻率為980.4Hz。PWM由OC0(PB4)引腳輸出。參考程序如下(ICCAVR)。

15、/ICC-AVR application builder : 2004-08/ Target : M128/ Crystal: 8.0000Mhzi ncludei nclude#pragma data:code/ 128點(diǎn)正弦波樣本表const unsigned char auc_SinParam128 = 64，67，70，73，76，79，82，85，88，91，94，96，99，102，104，106，109，111，113，115，117，118，120，121，123，124，125，126，126，127，127，127，127，127，127，127，126，126，125，1

16、24，123，121，120，118，117，115，113，111，109，106，104，102，99，96，94，91，88，85，82，79，76，73，70，67，64，60，57，54，51，48，45，42，39，36，33，31，28，25，23，21，18，16，14，12，10，9，7，6，4，3，2，1，1，0，0，0，0，0，0，0，1，1，2，3，4，6，7，9，10，12，14，16，18，21，23，25，28，31，33，36，39，42，45，48，51，54，57，60;#pragma data:dataunsigned char x_SW = 8，X_LUT = 0;#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17void timer0_ovf_isr(void)X_LUT += x_SW; / 新樣點(diǎn)指針if (X_LUT 127) X_LUT -= 128; / 樣點(diǎn)指針調(diào)整OCR0 = auc_SinParamX_LUT; / 取樣點(diǎn)指針到比較匹配寄存器void main(void)DDRB |= 0x10; / PB4(OC0