原標(biāo)題：單相異步電動機原理

1. PWM的基本概念

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，是一種通過調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比（Duty Cycle）來控制平均輸出功率的技術(shù)。PWM信號由一系列固定頻率的脈沖組成，每個脈沖的寬度（即高電平持續(xù)時間）可變，從而實現(xiàn)對輸出能量的精確控制。

• 關(guān)鍵參數(shù)：

• 占空比（Duty Cycle）：脈沖高電平時間占整個周期的比例，定義為 D=TTon，其中 Ton 為高電平時間，T 為周期。

• 頻率（Frequency）：脈沖信號的重復(fù)頻率，定義為 f=T1。

• 周期（Period）：脈沖信號的一個完整循環(huán)時間，T=f1。

2. PWM的工作原理

PWM的核心是通過快速開關(guān)（如晶體管、MOSFET）來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的平均值，而無需改變實際供電電壓。其工作原理可分為以下步驟：

1. 信號生成：

• 使用定時器、比較器或?qū)Ｓ肞WM控制器生成固定頻率的脈沖信號。

• 通過調(diào)節(jié)比較器的閾值或定時器的占空比，控制脈沖的高電平時間。

2. 占空比調(diào)節(jié)：

• 增大占空比（D 增加）：輸出平均電壓或電流增大，接近供電電壓。

• 減小占空比（D 減小）：輸出平均電壓或電流減小，接近0。

3. 低通濾波：

• 在PWM輸出端連接低通濾波器（如RC電路），將高頻脈沖信號轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號。

• 濾波后的輸出電壓 Vout 與占空比成正比：Vout=D×Vsupply。

3. PWM的核心優(yōu)勢

• 高效性：

• 開關(guān)器件（如MOSFET）在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)間切換，功耗極低（理想情況下僅在開關(guān)瞬間有損耗）。

• 相比線性調(diào)節(jié)（如LDO），PWM的效率更高，尤其適用于大功率應(yīng)用。

• 精確控制：

• 通過調(diào)節(jié)占空比，可實現(xiàn)對輸出電壓、電流、功率的精確控制。

• 適用于需要動態(tài)調(diào)節(jié)的場景（如電機調(diào)速、LED調(diào)光）。

• 靈活性：

• 頻率和占空比可獨立調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

• 可通過軟件（如微控制器）或硬件（如專用PWM芯片）實現(xiàn)。

4. PWM的應(yīng)用場景

1. 電機調(diào)速：

• 通過PWM調(diào)節(jié)電機兩端的平均電壓，控制電機轉(zhuǎn)速。

• 廣泛應(yīng)用于直流電機、步進電機、無刷電機等。

2. LED調(diào)光：

• 通過PWM調(diào)節(jié)LED的亮度，避免線性調(diào)光導(dǎo)致的色溫變化。

• 適用于照明、顯示、背光等場景。

3. 電源轉(zhuǎn)換：

• 在DC-DC轉(zhuǎn)換器（如Buck、Boost電路）中，PWM用于控制開關(guān)器件的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)電壓或電流的轉(zhuǎn)換。

4. 音頻放大：

• D類音頻放大器通過PWM將模擬信號轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號，再經(jīng)低通濾波還原為音頻信號，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)A類或AB類放大器。

5. 通信與信號處理：

• PWM可用于調(diào)制信號，實現(xiàn)數(shù)字通信或信號編碼。

5. PWM的實現(xiàn)方式

1. 硬件實現(xiàn)：

• 使用專用PWM芯片（如TL494、SG3525）生成PWM信號。

• 通過比較器（如LM339）和鋸齒波發(fā)生器實現(xiàn)。

2. 軟件實現(xiàn)：

• 使用微控制器（如STM32、Arduino）的定時器模塊生成PWM信號。

• 通過編程控制占空比和頻率，靈活性高。

3. 混合實現(xiàn)：

• 結(jié)合硬件和軟件，實現(xiàn)更復(fù)雜的PWM控制邏輯（如閉環(huán)控制、故障保護）。

6. PWM的參數(shù)選擇與優(yōu)化

1. 頻率選擇：

• 高頻：減小濾波器體積，但可能增加開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。

• 低頻：降低開關(guān)損耗，但需要更大的濾波器，且可能產(chǎn)生可聞噪聲（如電機嗡嗡聲）。

• 典型值：電機控制（1kHz-20kHz）、LED調(diào)光（100Hz-1kHz）、音頻放大（100kHz以上）。

2. 占空比范圍：

• 根據(jù)應(yīng)用需求選擇占空比范圍（如0%-100%、5%-95%）。

• 避免占空比過小或過大，以防止開關(guān)器件長時間導(dǎo)通或截止，導(dǎo)致發(fā)熱或效率降低。

3. 死區(qū)時間控制：

• 在全橋或半橋電路中，為防止上下管同時導(dǎo)通，需加入死區(qū)時間（Dead Time）。

• 死區(qū)時間過短可能導(dǎo)致短路，過長則降低效率。

7. 實際案例分析

案例1：直流電機調(diào)速

• 需求：通過PWM控制直流電機轉(zhuǎn)速，范圍為0-3000RPM。

• 設(shè)計：

• 使用微控制器生成PWM信號，頻率為10kHz。

• 通過電位器或編碼器調(diào)節(jié)占空比（0%-100%），對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速0-3000RPM。

• 輸出端連接H橋電路，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。

• 效果：電機轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，效率高，發(fā)熱低。

案例2：LED調(diào)光

• 需求：實現(xiàn)LED亮度從0%到100%無級調(diào)節(jié)。

• 設(shè)計：

• 使用555定時器生成PWM信號，頻率為1kHz。

• 通過可變電阻調(diào)節(jié)占空比（0%-100%），控制LED亮度。

• 輸出端連接MOSFET和低通濾波器，驅(qū)動LED。

• 效果：LED亮度無級調(diào)節(jié)，無色溫變化，效率高。

8. PWM的局限性

• 電磁干擾（EMI）：高頻PWM信號可能產(chǎn)生電磁輻射，需通過濾波或屏蔽措施抑制。

• 濾波需求：需低通濾波器將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直流信號，增加成本和體積。

• 開關(guān)損耗：在極高頻率下，開關(guān)器件的損耗可能增加，需選擇低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)的器件。

9. 總結(jié)

PWM通過調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，實現(xiàn)了對輸出能量的高效、精確控制，廣泛應(yīng)用于電機調(diào)速、LED調(diào)光、電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。其核心優(yōu)勢在于高效性、精確性和靈活性，但需注意頻率選擇、濾波設(shè)計和電磁干擾等問題。通過合理設(shè)計PWM參數(shù)和電路，可滿足不同應(yīng)用場景的需求，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。