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PWM#xff08;脉冲宽度调制#xff09;是一种常用来控制模拟电路的技术#xff0c;通过修改脉冲的宽度#xff08;即在固定周期内的高电平持续时间#xff09;来调控输出信号的平均电压。 一个PWM信号主要包括两个部分#xff1a;一个是占空比#xff0c;…什么是PWM?
PWM脉冲宽度调制是一种常用来控制模拟电路的技术通过修改脉冲的宽度即在固定周期内的高电平持续时间来调控输出信号的平均电压。 一个PWM信号主要包括两个部分一个是占空比它决定了信号高电平状态的时间比例另一个是频率它决定了PWM周期的长短。占空比可以通过改变周期内的“ON”时间来调整如果ON时间长占空比就高输出的平均电压就大反之则小。 以下是对PWM主要特性的详细解释
频率频率是指PWM信号完整周期的重复次数通常以赫兹Hz为单位。PWM信号的频率是决定脉冲重复出现的速度对于不同的应用如电机控制或LED调光所需的PWM频率可以从几赫兹到数十千赫兹不等。占空比这是衡量周期内高电平时间占总周期时间比例的量度。占空比的变化会影响到电机的速度、LED的亮度或电压调节器输出的电压等。以百分比表示占空比也决定了电源向负载传递的功率量。脉宽指的是在一个PWM周期内信号保持高电平的时间长度。改变脉宽在不变频率的情况下就可以改变占空比和平均电压。
PWM的优点包括能量损耗小、控制简单和成本低廉。已经广泛应用在各种需要模拟结果的数字控制环境中如调速风扇、调光灯具、伺服电机控制以及各种电子调制器中。 在STM32以及其他微控制器中PWM通常是通过配置内部定时器定期翻转GPIO的电平状态实现的。定时器的精确计数能力可以用来定义PWM信号的周期和占空比从而生成非常精确的PWM波形。
PWM的工作原理
占空比调整PWM信号的占空比是指信号高电平时间与一个周期总时间的比例。通过改变占空比可以改变传递给负载的平均功率。占空比增加传递的平均电压和功率也会增加占空比减少则两者降低。控制功率输出通过将占空比从0%始终关闭调节到100%始终开启PWM信号可以有效模拟出可变模拟信号的行为。在0%占空比时不提供任何功率而在100%时提供最大功率。能量效率与通过电阻调节功率的方法相比PWM实现了功率调节而不会造成显著的能量损耗。当开关晶体管关闭时没有电流流过当开关打开时电压降很小。因此开关中的功率损失最小。模拟控制中的应用例如在电机速度控制中改变占空比可以调节电机两端的平均电压从而改变其转速。在LED调光中改变占空比可以改变LED的平均电流从而调整其亮度。
PWM的模拟效果是由于机械或电子系统的惯性——它们响应的是一段时间内传递的平均功率而不是瞬时功率。对于响应速度快的系统可能需要一个滤波器通常是一个简单的电阻-电容低通滤波器来将PWM信号平滑为稳定的模拟电压。
常用电路
PWM信号在许多类型的电路中都很常见尤其是那些需要能量效率和/或精确控制的应用。下面是一些典型的使用PWM信号的电路例子
电机控制电路在直流电机控制中PWM信号用来调整电机的转速。通过改变PWM的占空比可以无级调节电机的速度。LED调光电路在LED照明系统中PWM可用于调节LED的亮度因为LED的亮度与流经它的平均电流成比例。电源管理电路在开关电源和电压调节器中PWM技术用于控制电源的输出电压和电流提高能源转换的效率。音频放大器类D音频放大器中PWM信号用于创建音频信号。这些放大器利用PWM的占空比来重新构造模拟音频信号。加热控制在温度控制系统中比如电子烟具或者热水壶PWM用于控制加热元件从而精确控制温度。充电电路在一些电池充电器中PWM可用来调整充电功率以保证电池的最优充电。通信系统PWM信号可以用来携带信息在某些类型的数字通信系统中进行数据传输。
这些只是一些实例事实上在现代电子中许多需要精确控制输出和优化能耗的地方都可能用到PWM信号。
在电机控制电路中调整转速
在电机控制电路中PWM信号调整转速的原理相对直观。这里是一个详细的解释
调整PWM占空比首先通过变化PWM信号的占空比我们可以改变电机两端的平均电压。占空比是信号高电平状态的时间与总周期时间的比值。占空比越大电机两端的平均电压就越高占空比越小平均电压就越低。电机转速变化电机的转速取决于其两端的电压。当电机两端的平均电压增加时由于电机看到了更大的驱动电压其转速会增加反之电压减小时转速会减慢。系统惯性的平滑作用电机和其驱动的负载通常具有一定的质量和惯性。它们对于转速的改变不会立即响应而是趋向于平滑这些变化因此在驱动时不会感受到PWM的脉冲本身而只会感受到平均电压的影响。额外滤波器在一些应用中可能需要使用一个简单的电容或LC滤波器来平滑电压从而提供更平稳的电机驱动尤其是在电机反应灵敏的场合。
总结来说通过调整PWM信号的占空比我们可以控制施加在电机上的平均电压进而调整电机的转速。简单地增加PWM的占空比信号更多的时间为高电平电机转速加快减少占空比高电平时间缩短电机转速减慢。这种方法相对于模拟调速更为高效因为在PWM调速过程中能量损失更小。
在STM32中如何使用
作为微控制器的基本功能之一脉冲宽度调制PWM在STM32的开发中扮演着重要角色。本文旨在为初学者提供一个简洁明了的指南介绍如何使用STM32的定时器TIM来实现PWM功能。 首先理解PWM的工作原理至关重要。PWM是一种通过调制波形的占空比来控制功率输出的技术。占空比是指在一个周期内信号为高或ON状态的时间与总周期时间的比例。在STM32中实现PWM主要是配置定时器的输出比较模式。 以下是实现STM32 TIM PWM功能的步骤概览
定时器时钟源配置首先需要给定时器配置时钟源这通常涉及到复位和时钟控制RCC模块的设置。TIM PWM模式设置在定时器的控制寄存器中配置PWM模式。此设置包括选择PWM模式1或模式2并配置预加载寄存器。TIM输出比较通道配置配置定时器与输出通道相关的参数比如输出比较寄存器的值这决定了PWM的占空比。定时器基本配置设置定时器的计数模式上溢时间预分频器和自动重装载值。中断与事件管理如果需要配置中断和事件这样一旦PWM周期完成微控制器可以对此做出响应。启动TIM计数最后使能定时器开始计数并启动PWM输出。
下面提供一段简化的STM32 C语言代码示例用于初始化TIM的PWM模式
#include stm32f10x.h
void TIM_PWM_Init(void) {// 1. 时钟源使能RCC设置RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 假定使用TIM3RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // 假定PWM输出到GPIOA// 2. GPIO初始化设置相关的PWM引脚为复用推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_6; // 假定使用PA6GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // 初始化GPIOA// 3. TIM时间基准配置TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period 19999; // 自动重装载值设定PWM周期TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler 71; // 预分频器这里的设置决定了计时精度TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision 0; // 时钟分割TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, TIM_TimeBaseStructure);// 4. TIM PWM模式配置TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; // 选择PWM模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable; // 比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 999; // 指定脉冲的宽度即PWM占空比TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High; // 输出极性高TIM_OC1Init(TIM3, TIM_OCInitStructure); // 初始化定时器3的通道1TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); // 使能预装载寄存器// 5. 使能TIM的CCR1在溢出时产生中断 如果需要的话TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);// 6. 使能TIM3TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);// 7. 使能TIM3重载寄存器ARR TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
}如何设置PWM信号的占空比和频率
要设置PWM信号的占空比和频率您需要配置相关的定时器寄存器主要是自动重装载寄存器ARR和捕获比较寄存器CCR来调整PWM周期和高电平持续的时间。以下是配置步骤
设置PWM周期决定频率 PWM信号的频率由定时器的周期周期 递增计数的次数决定通常通过以下公式计算 ARR Auto-reload register决定了计数器溢出的值即周期的最大值。PSC Prescaler value是时钟预分频值如果不使用预分频则设置为0。
通过调整ARR的值或时钟预分频器PSC的值来设置PWM信号的频率。
设置PWM占空比 占空比Duty Cycle是决定PWM高电平输出的时间它是通过CCR捕获/比较寄存器来设置的。占空比通过以下公式计算 CCR 值决定了每个周期中输出变为高电平的时间。
通过调整CCR的值来设置PWM信号的占空比。 这里有一个简单的示例
// 假设定时器及GPIO已经进行过初始化和配置
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
uint16_t PrescalerValue (uint16_t) (SystemCoreClock / 24000000) - 1; // 24MHz
// 定时器基础初始化
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period 8399; // ARR: 周期为8400-1
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler PrescalerValue; // PSC
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, TIM_TimeBaseStructure);
// PWM通道初始化
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse 4199; // CCR: 占空比为50%
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High;
// 初始化TIM3的Channel2
TIM_OC2Init(TIM3, TIM_OCInitStructure);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); // 使能TIM3在ARR上的预装载寄存器
TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); // 使能预装载寄存器
// 使能定时器3
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
在这个例子中假设系统时钟为24MHzARR为8399预分频器为0这样就会得到频率为( \frac{24MHz}{8400} 2.857kHz )的PWM信号。同时CCR值设置为4199占空比为50%。 确保在微控制器的实际编程时对于有关寄存器的设置都需要根据实际的硬件参数和需求进行检查和调整。在调试PWM时可能需要使用示波器来验证输出的信号是否与期望的设置相匹配。
