代码收藏家技术教程 2024-09-02

单片机PWM技术详解

1、什么是PWM

PWM（Pulse Width Modulation），即脉冲宽度调制，是一种模拟电路数字控制技术。它通过改变脉冲信号的占空比（即脉冲宽度与周期的比值）来等效地获得所需的模拟量（电压或电流）输出。

2、PWM用在什么地方

1. 电机控制

调速功能：通过调整PWM信号的占空比，可以实现对电机速度的精确控制。这种调速方式简单而有效，适用于多种工业和消费电子应用。

平滑启停：利用PWM技术可以实现电机的平滑启动和停止，降低机械压力，延长电机寿命。

扭矩控制：通过PWM信号调节输出扭矩，实现对电机扭矩的精确控制，这在机械臂和工业生产线等应用中尤为重要。

效率优化：利用高频率的PWM信号来切换电流，减小电阻损耗，提高系统效率。

2. 电源管理

电压和电流控制：PWM技术可用于控制电源输出的电压和电流大小，从而实现对电池和其他电源的管理。例如，在手机充电器中，可以使用PWM技术来实现快速充电和智能充电等功能。

整流技术：PWM整流技术是一种将交流电转换成直流电的方法，广泛应用于电力电子设备中，如变频器、直流电源、逆变器等。通过控制PWM信号的占空比，可以实现对电源输出电压的精确控制，提高设备的工作效率和稳定性。

3. LED照明

亮度和颜色控制：PWM技术可用于控制LED灯的亮度和颜色变化，从而实现对室内照明和景观照明等领域的控制。通过调整PWM信号的占空比，可以改变LED灯的亮度，满足不同场景和需求的照明要求。

4. 音频处理

音频解码和音效增强：在音频处理中，PWM技术可用于将数字音频数据转换为模拟信号，以驱动扬声器或其他音频输出设备。例如，某些语音芯片使用PWM解码来提高音频质量，通过高分辨率的PWM解码，可以减少量化噪声、提高动态范围、降低失真、改善信噪比，并提供细腻的声音处理能力。

5. 其他应用

电动汽车充电器：使用PWM整流技术来控制电动汽车的充电过程，提高充电效率。

风扇电机控制：使用PWM整流技术来控制风扇电机的转速，调节风扇的风量。

电视背光控制：使用PWM整流技术来调节电视背光的亮度，节省能耗。

太阳能光伏逆变器：PWM整流技术可用于控制太阳能光伏逆变器的直流侧，实现对电源输出电压和频率的精确调节，提高逆变器的转换效率和稳定性。

综上所述，PWM技术以其高效性、灵活性、稳定性和简单性等特点，在电机控制、电源管理、LED照明、音频处理以及多个其他领域得到了广泛应用。

3、PWM相关参数

周期
高低电平变化所需要的时间，单位:ms
T=1/f T是周期，f是频率。
频率
在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。
例如：如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有50次PWM周期。
占空比
在一个脉冲周期内，高电平的时间占整个周期时间的比例，单位是% (0%-100%)。

4、PWM原理

PWM的工作原理基于对脉冲的宽度和周期进行调制。下面是PWM的基本工作原理：

设定目标数值：首先，确定需要控制的目标数值，例如调节电机的速度或LED的亮度。这个目标数值通常以一个百分比或占空比的形式表示。
确定频率：选择PWM信号的频率，即脉冲的周期。频率决定了脉冲的重复速率，通常以赫兹（Hz）表示。常见的频率范围是几百赫兹到几十千赫兹。
计算占空比：根据目标数值和所选频率，计算所需的占空比。占空比表示高电平时间占周期的比例。例如，如果目标是50%的亮度或速度，则占空比为50%。
生成PWM信号：使用计时器和计数器来生成PWM信号。计时器根据所选频率生成一个固定周期的计时事件，并从0开始计数。计数器在每个计时事件中递增，当计数值小于占空比所对应的计数阈值时，输出为高电平；否则，输出为低电平。
输出控制：根据计数器的值，控制输出引脚的电平状态。在计数值小于阈值时，输出为高电平；在计数值大于等于阈值时，输出为低电平。这样就形成了一系列固定周期、宽度可变的脉冲信号。

通过调整占空比，可以控制输出信号的平均电压或功率。占空比越高，输出信号的平均电压或功率就越高，而占空比越低，输出信号的平均电压或功率就越低。

使用PWM，可以实现精确的控制，例如精确调节电机的速度或改变LED的亮度级别。PWM技术的优点包括高效率、精度高以及对输出设备影响小等。

5、PWM实现

软件实现：

通常利用定时器中断来翻转GPIO（通用输入输出）引脚的电平，从而模拟出PWM波形。在指定计时周期内，通过调整高电平和低电平的时间比例，即占空比，来控制PWM信号。

灵活但是不精确。

硬件实现：

在硬件层面，通过配置特定的寄存器来设置PWM的参数，如频率、占空比等。一旦配置完成，硬件电路将自动产生PWM信号，无需CPU的实时干预。

相关函数：HAL_TIM_PWM_Start，开始PWM波输出

__HAL_TIM_SET_PRESCALER，设置STM32定时器的预分频器值

__HAL_TIM_SET_CLOCKDIVISION，设置定时器（TIM）的时钟分频

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD，设置自动重载值

__HAL_TIM_SET_COMPARE，设置比较寄存器的值

HAL_TIM_PWM_Stop，关闭

\0、关于定时器通道

在STM32微控制器中，定时器通道（Timer Channels）是定时器功能的一个重要组成部分，它们允许定时器执行多种任务，如生成PWM（脉冲宽度调制）信号、测量输入信号的频率或时间、以及触发中断或DMA请求等。

每个定时器通道都关联着一个捕获/比较寄存器（Capture/Compare Register, CCR），这些寄存器用于存储与通道相关的值，这些值可以是用于PWM生成的占空比、用于输入捕获的时间戳、或者是用于输出比较的比较值。

STM32的定时器通常具有多个通道，具体数量取决于定时器的类型。例如，高级定时器（如TIM1和TIM8在某些STM32系列中）通常具有四个捕获/比较通道（CC1、CC2、CC3、CC4），而通用定时器（如TIM2至TIM5）也通常具有四个通道，但某些基本定时器可能只有两个或更少的通道。

定时器通道的主要功能包括：

PWM生成：通过将定时器配置为PWM模式，并使用捕获/比较寄存器设置PWM信号的占空比，可以生成具有可变宽度的脉冲信号。这对于控制电机速度、LED亮度等应用非常有用。
输入捕获：定时器通道还可以配置为输入捕获模式，以测量外部信号的频率或时间。当外部信号达到特定条件（如上升沿、下降沿或两者）时，定时器会捕获当前的时间戳，并将其存储在捕获/比较寄存器中。
输出比较：在输出比较模式下，定时器通道会将捕获/比较寄存器的值与定时器的计数值进行比较。当两者相等时，可以触发中断、DMA请求或改变定时器的输出状态（如翻转输出引脚的状态）。
单脉冲模式：某些定时器还支持单脉冲模式，该模式允许定时器生成一个宽度可调的单个脉冲信号。这通常通过配置定时器的自动重载寄存器（ARR）和捕获/比较寄存器（CCR）来实现。
触发功能：定时器通道还可以用作其他定时器的触发源，或者用于触发外部设备（如ADC转换器）的采样操作。