PWM技术原理在无刷马达驱动方案中的应用

PWM（Pulse Width Modulation）即脉宽调制，是一种利用微处理器数字输出控制模拟电路的高效技术，在测量、通信、工控等领域广泛应用。要深入理解PWM，需先掌握其几个关键概念。

一、PWM关键概念 1. 频率：指1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即1秒内PWM的周期数，单位为Hz。

2.周期：周期T与频率f的关系为T = 1/f。例如，频率为50Hz时，一个周期就是20ms，意味着1秒钟有50次PWM周期。

3. 占空比：是一个脉冲周期内，高电平时间与整个周期时间的比例，单位为%（0%-100%）。比如，周期为10ms，脉宽时间（高电平时间）为8ms，那么占空比就是8/10 = 80% 。

二、PWM原理 以STM32单片机为例，其IO口仅能输出高电平和低电平（假设高电平为5V、低电平为0V） 。若要输出不同模拟电压，就需用到PWM技术。通过改变IO口输出方波的占空比，可将数字信号模拟成模拟电压信号。电压以脉冲序列形式加到模拟负载上，接通时为高电平1（直流供电输出），断开时为低电平0（直流供电断开）。理论上，通过控制接通和断开时间，可输出不大于最大电压值（如5V）的任意模拟电压。例如，占空比为50%时，高电平与低电平时间各半，在一定频率下可得到模拟的2.5V输出电压；75%的占空比则可得到3.75V电压 。由此可见，在固定频率下，不同占空比能输出不同大小的模拟电压，这便是PWM实现数字模拟信号转换的原理。

三、PWM的应用

• 1. LED呼吸灯：

人眼对80Hz以上刷新频率无闪烁感，当LED灯频率大于50Hz时，人眼会因视觉暂留误以为灯常亮。由于频率高时看不到闪烁，且占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗。因此，在频率一定时，通过调节不同占空比可改变LED灯亮度，实现呼吸灯效果。

• 2. 无刷电机转速控制原理： 无刷电机结构与直流电机不同，它没有电刷和换向器，由定子绕组和永磁转子组成。其驱动需要电子换相器根据转子位置切换定子绕组通电顺序，产生旋转磁场驱动转子转动。 PWM技术在此过程中的应用方式为：通过调节施加在定子绕组上的PWM信号占空比，控制平均电压，从而调节电机电流和转矩，实现转速控制。

具体过程如下： - 电子换相：无刷电机需要精确知道转子位置才能正确换相。通常使用霍尔传感器或无传感器算法（如反电动势检测）检测转子位置，控制电路根据位置信号按顺序切换三相绕组通电状态。

- PWM调制：在每一相通电期间，通过PWM信号控制该相导通时间比例。例如，占空比为50%时，该相在一个PWM周期内导通时间占一半，平均电压为电源电压的一半。

- 转速调节：电机转速与平均电压近似成正比。当占空比增大时，平均电压升高，电机电流增大，产生更大转矩，转速上升；反之，占空比减小时，转速下降。

特点： - 高效率：PWM控制使功率器件（如MOSFET）工作在开关状态，而非线性放大状态，大幅降低功耗，提高效率。

               -精确控制：通过精确调节占空比，可实现电机转速的精确控制，满足高精度应用需求。

              - 低噪声：合理选择PWM频率可减少电机运行噪声，避免音频范围内的频率引起啸叫。

应用注意事项： - 频率选择：无刷电机PWM频率通常在20kHz以上，以避免音频噪声，并减少电机振动。但过高频率会增加开关损耗，需根据功率器件特性和散热条件合理选择。

- 死区时间：在切换上下桥臂功率器件时，需插入死区时间，防止直通短路，保护电路安全。

- 电流检测与保护：实时检测电机电流，防止过载或堵转时损坏电机和驱动电路。

3. 舵机控制： 舵机通过固定频率、不同占空比控制不同转角。一般舵机频率为50HZ（即20ms左右的时基脉冲），脉冲高电平部分在0.5ms - 2.5ms范围，对应控制180度舵机的0 - 180度 。以180度角度伺服为例，0.5ms对应0度，1.0ms对应45度，1.5ms对应90度，2.0ms对应135度，2.5ms对应180度。

 四、PWM的本质 从电机控制角度来看，通过PWM控制电机速度，本质是控制供电电流大小。根据安培力公式F = BIL（F为受力大小，I为电流大小，L为导线长度），在其他条件不变时，控制电流即控制安培力大小。又因电机电阻R基本不变（I = U/R，F = BLU/R），在R、B、L不变情况下，控制安培力本质是修改供电电压大小。所以，控制电机转速本质是提供不同供电电压，电压越大转速越快。而PWM本质就是脉宽调制，通过输出不同占空比，将直流电压转换成不同电压值的模拟信号，从而实现对各类设备的控制 。