脉宽调制(PWM)的基本原理及其应用实例 Unknown 2009/05/13

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硬件控制器

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如,Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器,每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比;调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前,这种微处理器要求在软件中完成以下工作:

* 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期
* 在PWM控制寄存器中设置接通时间
* 设置PWM输出的方向,这个输出是一个通用I/O管脚
* 启动定时器
* 使能PWM控制器

虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同,但它们的基本思想通常是相同的。

通信与控制

PWM的一个优点是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。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时,也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端,通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

PWM广泛应用在多种系统中。作为一个具体的例子,我们来考察一种用PWM控制的制动器。简单地说,制动器是紧夹住某种东西的一种装置。许多制动器使用模拟输入信号来控制夹紧压力(或制动功率)的大小。加在制动器上的电压或电流越大,制动器产生的压力就越大。

可以将PWM控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要产生更大的制动功率,只需通过软件加大PWM输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力,需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)。

例如,假设要将制动器上的压力设定为100psi,软件将作一次反向查找,以确定产生这个大小的压力的占空比应该是多少。然后再将PWM占空比设置为这个新值,制动器就可以相应地进行响应了。如果系统中有一个传感器,则可以通过闭环控制来调节占空比,直到精确产生所需的压力。

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。

** 本文作者Michael Barr是《嵌入式系统编程(Embedded Systems Programming)》杂志总编辑,也是《使用C和C++对嵌入式系统进行编程》(O'Reilly出版公司,1999年)一书的作者以及马里兰大学的客座教师。可以通过电子邮件[email protected]与他联系。

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