PWM、电感、纹波相关知识科普

PWM有着非常广泛的应用，如直流电机的无级调速、开关电源、逆变器等。我个人认为，要完全理解或掌握模拟电路并有所突破，就要彻底理解这三个知识点：

1、PWM

2、电感

3、纹波

PWM是一种技术手段，PWM波就是在这种技术手段控制下的脉冲波。如果你不了解它，你就无法掌握PWM波。

如下图所示，这个比喻非常形象、恰当。希望能对正在学习的朋友有所帮助，有所启发。

PWM的全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制(通俗地说就是调节脉冲的宽度)，是电子电力应用中非常重要的一种控制技术。在了解TA之前，我们先了解几个概念。

脉冲波的基本信息如下图所示：

1、脉冲周期T：单位为时间，如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等。

2、脉冲频率f：单位为赫兹、千赫kHz等，与脉冲周期成反比关系，即f=1/T。

3、脉冲宽度W：简称脉冲宽度，是脉冲高电平的持续时间，而单位是时间，如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等。

4、占空比D：脉冲宽度除以脉冲周期得到的值，用百分比表示，如50%，也常用小数或分数表示，如0.5或1/2。

上面的关系是下图中所列的公式：

工程应用中的PWM波是一种幅值和周期(或频率)恒定、脉宽(或占空比)可调的脉冲波。接下来，让我们来了解一下什么是PWM波？当我们要控制一台直流电动机的转速时，可以改变它两端的电压，但这种方法有很大的局限性。可调直流稳压电源结构复杂，成本高，应用非常不现实。所以我们使用另一种控制方法：电压源→驱动器→直流电机，电压源提供直流电压，不同的驱动器控制不同的直流电机，应用非常灵活，而驱动器对电机的速度控制是采用PWM。

可调直流电源控制和PWM控制都可以调节转速，那么它们有什么共同点呢?

如下图所示，当电机转速相同时，红色代表驱动器输出的幅值恒定的PWM波，蓝色代表可调直流电源的输出电压，两者都是直接加到负载上的。

由上可知：

当PWM波的占空比较大时，对应的直流电压更接近PWM波的幅值。相反，它越接近0V。周期性红色PWM波脉宽下的矩形面积之和等于蓝色直流电压的面积，也就是说，伏秒积相等：

U红(幅值) × ton = U蓝 × T

两端同时除以T，得到如下关系式：

U红(振幅)×占空比=U蓝

例如，当PWM波的幅度为24V，占空比为50%时，将12V的直流电压加到电动机上所产生的效果是完全相同的，即转速相同，即24V×50%=12V。

此外，由于满足这种关系，PWM波的频率可以是任意的。答案当然不是，如果频率太低，电动机将不能平稳运行，具有较大的振动和噪音。如果频率太高，驱动器的开关损耗就会大，甚至电机会发出噪音但是机子不转。

一般以1k~30k的PWM频率较为常见，也有数百Hz的。实际上，在测试过程中最好根据电机功率来确定合适的PWM频率范围。

下图是实物测试，脉冲宽度是变化的，PWM波周期不变。

加的负载如下图所示，这是对PWM控制电机调速的一次物理测试。有刷直流电机的PWM无级调速，其中LED并联在电机的输入端，其亮度反映电机转速的变化。

要点：

PWM波实际上是一种脉冲宽度可连续调节的矩形脉冲波。

占空比实际上是脉冲宽度与脉冲周期的比值，是一个定量的数值，便于分析研究。当我们用占空比来表示的时候，就不会那么在意脉冲宽度了。

占空比调整就是脉宽调整，表现形式不同，但本质是一样的。

PWM波满足伏秒积计算：U红(幅值)×占空比=U蓝，其效果与直流电压相同。

编辑：黄飞