了解脉冲宽度调制（PWM）的基础知识

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可以通过提高或降低电压和电流来改变交付给设备的功率。但这种方法并不总是产生预期的效果。脉冲宽度调制（或PWM）可以用来更好地控制可变负载。

什么是脉冲宽度调制？

负载设备被设计成在提供一定的电压、消耗一定的电流时能有效地运行并执行各自的任务。为了改变负载的参数，可以降低电压，但这往往会产生负面影响，如降低电机的扭矩，或将电压降低到晶体管或LED系列的正向偏压水平以下。为了在不牺牲操作能力的情况下提供可变控制，需要一种不同的方法。

了解交流和直流电路中的信号对于设备的正常运行至关重要

一个PWM，或 “脉冲宽度调制 “信号被用来通过以高频率开关信号来减少供应给一个电气设备的电力。随着信号的相对开启时间的增加或减少，信号的平均电压也随之增加或减少。这个平均电压提供了一个等效的较低功率，同时在脉冲的导通时间内仍然保持全电压。有两个关键参数控制着PWM信号–开关的频率和导通时间的相对长度，称为 “占空比”。

PWM载波频率

脉冲的开关速度，或频率，取决于使用该信号的负载设备。对于电热器或电机，频率可以很慢，也许在几十到几百赫兹之间。但对于像继电器或LED这样的固态设备，频率可能需要高得多–也许是几万赫兹。关键的决定因素是负载设备的响应速度。

PWM占空比

PWM信号的占空比是指信号开启的相对时间，以百分比表示。如果占空比为100%，信号将一直处于开启状态。如果它被降低到50%，信号将在一半的脉冲中开启，另一半则关闭。当控制电机或加热器时，我们使用占空比来决定功率。如果我们的PWM控制器输出12伏的直流电压，那么50%的占空比将提供相当于6伏的直流电为负载供电。

PWM 信号显示 250 Hz 载波频率下的各种占空比

用于直流电动机速度控制的PWM

直流电动机的速度和方向是由施加的电压决定的–改变或扭转电压的极性，电动机将以类似的方式作出反应。电压可以通过提高电路中的串联电阻来改变，这反过来又降低了通过电机的电流。这种电压的变化可以通过串联电阻、电位器或变阻器来完成。虽然这些设备对电压的微小变化可能是有效的，但随着电流的下降，电机的功率和扭矩也会下降。此外，这些设备产生的巨大阻力会产生大量的热量，可能会对电气系统中的其他设备造成损害。

改变电压的一个更有效的方法是使用PWM控制器。这些设备使用模拟输入，利用设备的额定电压转换为0-100%的占空比。有时这些设备会有一个固定的输入电压，但会驱动一个固态继电器，允许用户提供一个辅助电路，使用适合电机的任何电压来驱动电机。PWM信号之所以对电机有效，是因为电机的旋转惯性。当信号变为低电平时，电机仍在旋转，并有足够的惯性在电压为零的那几秒钟内提供扭矩。警告：如果频率太低，电机会出现激增，因为它开始在物理上追赶脉冲电压。

直流电机速度控制器

用于电池充电的PWM

随着电动汽车变得越来越流行，充电站所涉及的技术也在不断进步。太阳能电池板也正在成为郊区的一个流行趋势，作为降低电费或回馈环境的一种手段。随着电池开始充满，传输到电池的功率需要减少。通过使用PWM控制器，可以准确控制供电量。

降低充电器电压会有问题，因为电池电压最终会高于小规模涓流充电的要求，电池会开始放电。

太阳能充电控制器

用于三相应用的VFD中的PWM

变频驱动器是一种控制三相交流电机的设备。VFD将产生一个固定的交流电压振幅，以不同的频率来控制电机的速度。在VFD内部，传入的电压从交流转换为直流，然后通过一系列大功率晶体管转换为交流，以创造一个重新创造交流波形的PWM信号。这种应用与直流电动机控制略有不同，因为占空比并不直接决定应用于电动机的恒定等效功率，而是用于控制应用电压以真正的正弦波交替方式转换极性的速度。

PWM 用于为交流应用重新创建正弦波

PWM生成设备

市场上有许多设备可以产生PWM信号，或者用最小的输入来驱动设备。对于工业应用，有一些独立的设备，有一个表盘或模拟输入来调整速度。对于安装，你只需要提供电源和电机，其他一切都包含在外壳内。

一些PLC制造商有可以配置为PWM输出的输出，不过要注意的是，继电器输出没有支持PWM输出的速度或使用寿命。这些输出通常不能直接驱动大的负载，但它们可以驱动固态继电器。

大多数微控制器包含多个PWM输出，可以用只需要占空比的内部功能进行编程，并提供3.3-12伏的输出来驱动晶体管或固态继电器进行放大。

创建一个PWM信号

创建一个PWM信号将完全取决于产生信号的设备。如果使用带有指定PWM输出卡的PLC，你将需要通过选定的现场总线技术向该卡提供一个频率和占空比值。一些PLC可能有供应商提供的功能块，这些功能块的参数在操作前需要设置。

一些电机控制器将接受0-10V或4-20MA的模拟值，这些模拟值将被缩放以输出0-100%范围的占空比。像Arduino这样的微控制器使用它们的数字输出来提供PWM信号，只需写一个输出命令，参数在0-255之间，代表整个占空比范围。

总结

与电子学的任何方面一样，对于所有的负载控制挑战绝对没有单一的解决方案。PWM是许多负载类型的有效解决方案，但必须为直流和交流应用正确选择实施方案，并且必须考虑每个单独设备的响应速度和功率要求。如果大家对科技技术感兴趣，请点个赞呗。