01

什么是PWM

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

**PWM的頻率：**是指1秒鐘內(nèi)信號(hào)從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)，也就是說(shuō)一秒鐘PWM有多少個(gè)周期。

單位：Hz

表示方式：50Hz、100Hz

**PWM的周期：**T=1/f

周期=1/頻率

50Hz = 20ms 一個(gè)周期

如果頻率為50Hz，也就是說(shuō)一個(gè)周期是20ms，那么一秒鐘就有50次PWM周期。

**占空比：**是一個(gè)脈沖周期內(nèi)，高電平的時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例。

單位：% (0%-100%)

表示方式：20%

**周期：**一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間，1s內(nèi)測(cè)周期次數(shù)等于頻率。

**脈寬時(shí)間：**高電平時(shí)間。

上圖中脈寬時(shí)間占總周期時(shí)間的比例，就是占空比。

比方說(shuō)周期的時(shí)間是10ms，脈寬時(shí)間是8ms那么低電平時(shí)間就是2ms總的占空比 8/8+2= 80%，這就是占空比為80%的脈沖信號(hào)。

而我們知道PWM就是脈沖寬度調(diào)制通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，就可以調(diào)節(jié)脈沖寬度(脈寬時(shí)間) ，而頻率，就是單位時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的次數(shù)。

以20Hz，占空比為80%舉例，就是1秒鐘之內(nèi)輸出了20次脈沖信號(hào)，每次的高電平時(shí)間為40ms。

我們換更詳細(xì)點(diǎn)的圖：

上圖中，周期為T(mén)，T1為高電平時(shí)間，T2 為低電平時(shí)間，假設(shè)周期T為1s，那么頻率就是1Hz那么高電平時(shí)間0.5s，低電平時(shí)間0.5s總的占空比就是0.5 /1 =50%。

02

PWM原理

以單片機(jī)為例，我們知道，單片機(jī)的IO口輸出的是數(shù)字信號(hào)，IO口只能輸出高電平和低電平，假設(shè)高電平為5V，低電平則為0V，那么我們要輸出不同的模擬電壓，就要用到PWM，通過(guò)改變IO口輸出的方波的占空比從而獲得使用數(shù)字信號(hào)模擬成的模擬電壓信號(hào)。

我們知道，電壓是以一種連接1或斷開(kāi)0的重復(fù)脈沖序列被夾到模擬負(fù)載上去的（例如LED燈，直流電機(jī)等），連接即是直流供電輸出，斷開(kāi)即是直流供電斷開(kāi)。

通過(guò)對(duì)連接和斷開(kāi)時(shí)間的控制，理論上來(lái)講，可以輸出任意不大于最大電壓值（即0~5V之間任意大小）的模擬電壓。

比方說(shuō)，占空比為50%，那就是高電平時(shí)間一半，低電平時(shí)間一半，在一定的頻率下，就可以得到模擬的2.5V輸出電壓，那么75%的占空比，得到的電壓就是3.75V。

PWM的調(diào)節(jié)作用來(lái)源于對(duì)“占周期”的寬度控制，“占周期”變寬，輸出的能量就會(huì)提高，通過(guò)阻容變換電路所得到的平均電壓值也會(huì)上升，“占周期”變窄，輸出的電壓信號(hào)的電壓平均值就會(huì)降低，通過(guò)阻容變換電路所得到的平均電壓值也會(huì)下降。

也就是在一定的頻率下，通過(guò)不同的占空比，即可得到不同的輸出模擬電壓，pwm就是通過(guò)這種原理實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的。

**總結(jié)：**PWM就是在合適的信號(hào)頻率下，通過(guò)一個(gè)周期里改變占空比的方式來(lái)改變輸出的有效電壓。

PWM頻率越大，響應(yīng)越快，那么，PWM信號(hào)的實(shí)際作用是什么呢？

我們以經(jīng)常使用的呼吸燈舉例：一般人眼睛對(duì)于80Hz以上刷新頻率則完全沒(méi)有閃爍感。

頻率太小的話看起來(lái)就會(huì)閃爍，那么我們平時(shí)見(jiàn)到的LED燈，當(dāng)它的頻率大于50Hz的時(shí)候，人眼就會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)暫留效果，基本就看不到閃爍了，而是一個(gè)常亮的LED燈，你在1秒內(nèi)，高電平0.5秒，低電平0.5秒，(頻率1Hz)如此反復(fù)，那么你看到的電燈就會(huì)閃爍，但是如果是10毫秒內(nèi)，5毫秒打開(kāi)，5毫秒關(guān)閉，(頻率100Hz) 這時(shí)候燈光的亮滅速度趕不上開(kāi)關(guān)速度(LED燈還沒(méi)完全亮就又熄滅了)。

由于視覺(jué)暫留作用，人眼不感覺(jué)電燈在閃爍，而是感覺(jué)燈的亮度少了，因?yàn)楦唠娖綍r(shí)間(占空比)為50%，亮度也就為之前的50% ，頻率很高時(shí)，看不到閃爍，占空比越大，LED越亮；頻率很低時(shí)，可看到閃爍，占空比越大，LED越亮。

所以，在頻率一定下，可以用不同占空比改變LED燈的亮度，使其達(dá)到一個(gè)呼吸燈的效果。

03

PWM對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，我們知道，占空比是高電平在一個(gè)周期之中的比值，高電平的所占的比值越大，占空比就越大，對(duì)于直流電機(jī)來(lái)講，電機(jī)輸出端引腳是高電平電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出端高電平時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是是一點(diǎn)一點(diǎn)的提速，在高電平突然轉(zhuǎn)向低電平時(shí)，電機(jī)由于電感有防止電流突變的作用是不會(huì)停止的，會(huì)保持這原有的轉(zhuǎn)速。

以此往復(fù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是周期內(nèi)輸出的平均電壓值，所以實(shí)質(zhì)上我們調(diào)速是將電機(jī)處于一種，似停非停，似全速轉(zhuǎn)動(dòng)又非全速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，那么在一個(gè)周期的平均速度就是我們占空比調(diào)出來(lái)的速度了，在電機(jī)控制中，電壓越大電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，而通過(guò)PWM輸出不同的模擬電壓，便可以使電機(jī)達(dá)到不同的輸出轉(zhuǎn)速。

當(dāng)然，在電機(jī)控制中，不同的電機(jī)都有其適應(yīng)的頻率，頻率太低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，有時(shí)還會(huì)聽(tīng)到呼嘯聲，頻率太高的電機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。

正常的電機(jī)頻率在 6-16kHZ之間為好。

04

PWM對(duì)舵機(jī)的控制

舵機(jī)的控制就是通過(guò)一個(gè)固定的頻率，給其不同的占空比的，來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角，舵機(jī)的頻率一般為頻率為50HZ，也就是一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖。

而脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms的范圍來(lái)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角，500-2500us的PWM高電平部分對(duì)應(yīng)控制180度舵機(jī)的0-180度，以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：