8、增强型脉宽调制模块PWM

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第八讲：增强型脉宽调制模块PWM

1、PWM控制基本原理 2、PWM结构及组成单元 3、PWM模块寄存器

4、手把手教你-PWM输出

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PWM控制基本原理PWM(脉冲宽度调制)是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽

调制。PWM控制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲 量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指 窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果 把输出波形用傅立叶变化分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

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PWM控制基本原理

例如图8.1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图8.1a为矩形脉冲、图8.1b为三角形 脉冲、8.1c为正弦半波脉冲，但他们的面积(即冲量)都等于1,那么当它们分别加在具有惯性 的同一个环节上时(如图8.2a),电路输入为e(t),窄脉冲，如图8.1a、b、c、d所示，其输出响 应基本相同,如图8.2b,电路输出为i(t)。当窄脉冲变为图8.1d的单位脉冲函数δ(t)时，一阶惯性 环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。从输出波形中可以看出，在输出波形的上升段，脉冲 形状不同时，输出波形的形状略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各输出波形 的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可 看出，各输出波形在低频段的特性将非常接近，仅在高频段上略有差异。面积等效原理是PWM

控制技术的重要理论基础。

图8.1

图8.2

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PWM控制基本原理

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PWM控制基本原理

我们目前很多电力应用都是采用的正弦交流电，下面我们就来看一下如何用一系列脉冲来代

替一个正弦半波。如图8.3a,把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所 组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的 幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩 形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲的相应的正弦波部分面积(冲量)u 相等，就得到图8.3b所示的脉冲序列。这就是 PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度 的。根据面积等效原理， PWM波形和正弦半波是等效的。对于正 是按正弦规律变化 弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。像这种脉冲 a )

宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM (Sinusoidal PWM)波形。 要改变等效输出正弦

波的幅值时，只要按照同一比例系数改b ) 变上述各脉冲宽度即可。

O u

t

O 图 图 6 - 8.3 3

t

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PWM控制基本原理在实际应用中，很多部件内部都有自己的惯性环节(积分器),比如电机本身就是非常理想 的低通滤波器，PWM信号的一个很重要的用途就是数字电机控制。在电机控制系统中，PWM信号控 制功率开关器件的导通和关闭，从而使得功率器件为电机的绕组提供期望的电流和能量。相电流 的频率和能量可以控制电机的转速和转矩，这样提供给电机的控制电流和电压都是调制信号，而 且这个调制信号的频率比PWM载波频率要低。采用PWM控制方式可以为电机绕组提供良好的谐波电 压和电流，避免因为环境变化产生的电磁扰动，并且能够显著提高系统的功率因数。为能够给电

机提供具有足够驱动能力的正弦波控制信号，可以采用PWM输出信号经过NPN或PNP功率开关管实现， 功率开关管在输出大电流的情况下，若 如图8.4所示。 DC电源 DC电源 控制开关管工作在线性区，会使系统产生很大的热损耗，降低电源的使用效率，同时开关管

也容易过烫超过结温而炸掉，所以一般使开关管工作在静态切换状态(On: Ice=Iceat,Off: Ice=0)即饱和与截止两个状态，在该状态下， 开关管有较小功率耗损，且状态稳定，也符合 数字控制逻辑对开关逻辑的要求。未知的门信号 确定的PWM控制信号

?

期待的电机 相位信号

PWM逼近电机相位

图8.4

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PWM控制基本原理PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，微控制器输出的电平一般都是确定的，所以一般 调整微控制器输出矩形脉冲的占空比，就可以输出等幅不等宽的PWM波，微控制器输出的PWM波功率 有限，主要是用来驱动功率开关管的。通过对功率开关器件的开关控制，可以输出更大功率更多形 状的PWM波形，将功率开关器件的开关拓扑逻辑组合变化，就可以输出不等幅即多电平的大功率PWM

波形。PWM就像大功率DA转换器一样，将数字信号转换为模拟信号，只是PWM是用调制脉宽的方法来将数字信号等效替代模拟信号。也可以认为PWM电路就是一类特殊DA电路。 PWM控制一般就包括两部分电路，一部分是功率开关管组成的功率电路，另一部分是由微控制器 组成的来驱动开关管的驱动电路。微控制器产生的单周期PWM驱动信号本身很简单，主要包括四个要

素，周期、脉宽、脉冲相位、脉冲个数，但是每个周期的脉冲波形的宽度会变化，有时对脉冲的具体相位也有要求，脉冲宽度如何具体调制，这就要根据具体的控制场合以及功率电路来进行算法研 发，详情要参照PWM控制相关技术，我们下边主要介绍的是F28335如何产生最

初的这个脉冲波形，并 且每个周期的脉冲波形宽度以及具体相位都是可以配置和调整的。

目前PWM控制技术应用已经极为广泛，在电机拖动、电机控制、整流、逆变、有源电力滤波(APF)、静止无功发生器(SVG)、统一潮流控制器(UPFC)、超导储能(SMES)、LED调光、开关 电源等众多领域都有重要应用。

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PWM结构及组成单元F28335的ePWM模块是个加强模块，与F2812的PWM模块有较大不同，在F2812中，PWM模块采用事件 管理器控制，与eCAP和eQEP共享定时器信号，而F28335中每个ePWM模块都是一个独立的小模块，这样的 体系结构更方便我们使用与理解。每个ePWM模块有两路ePWM输出组成，分别为ePWMxA和ePWMxB,这一对

PWM输出，可以配置成两路独立的单边沿PWM输出，或者两路独立的但互相对称的双边沿PWM输出，或者一对双边沿非对称的PWM输出，共有6对这样ePWM模块，因为每对PWM模块中的两个PWM输出均可以单独使 用，所以也可以认为有12路单路ePWM。

除此之外还有6个APWM,这6个APWM是 通过CAP模块扩展配置，可以独立使用，所 以这样F28335最多可以有18路PWM输出。每 一组ePWM模块都包含以下7个模块：时基模 块TB、计数比较模块CC、动作模块AQ、死

区产生模块DB、PWM斩波模块PC、错误联防模块 TZ、事件触发模块 ET,如图8.5所示。图8.5

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PWM结构及组成单元每组PWM模块主要的输入输出信号如下，如图8.6所示。 (1)PWM输出信号 (ePWMxA和ePWMxB);PWM输出引脚与GPIO 引脚复用，具体配置时要参照GPIO引脚配置； (2)时间基础同步输入(ePWMXSYNCI)和输出(ePWMxSYNCO)

信号； 同步时钟信号将ePWM各个模块的所有单元联系在一起，每个ePWM模块都可以根据需要被配置为使用同步信号，或忽略它的 同步输入成为独立单元。时钟同步输入和输出信号仅由ePWM1引脚 产生，ePWM1的同步输出也与第一个捕获模块(eCAP1)的同步信 号相连(3)错误联防信号( TZ1-TZ6);当外部被控单元符合错

误条件时，诸如IGBT等功率器件模块过电压或过电流或过热时，这些输入信号为ePWM模块发出错误警告。每个模块都可以被配置 为使用或忽略错误联防信号，同时 -可以设置为GPIO外设的异步 输入。 (4)ADC启动信号(ePWMSOCA和ePWMSOCB);每个ePWM模块都 有两个ADC转换启动信号，任何一个ePWM模块都可以启动ADC。触 发ADC的转换信号的事件由PWM模块中事件触发子模块来配置。 (5)外设总线；外设总线宽度为32位，允许16位和32位数据 通过外设总线写入ePWM模块寄存器。图8.6

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PWM结构及组成单元每组ePWM模块支持以下特点： 专用16位时基计数器，控制输出周期和频率；

两个互补对称PWM输出(ePWMxA和ePWMxB)可以配置如下

方式： 两个独立的单边沿操作的PWM输出； 两个独立的双边沿操作对称的PWM输出； 一个独立的双边沿操作非对称的PWM输出；

软件实现PWM信号异步控制； 可编程的相位控制以支持超前或滞后其余的PWM模块； 逐周期硬件同步相位 双边沿延时死区控制； 可编程错误联防； 产生错误时可以强制PWM输出高电平、低电平或者是高阻态； 所有的事件都可以触发CPU中断和ADC开始转换信号 高频PWM斩波，用于基于脉冲变压器的门极驱动

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PWM结构及组成单元结合书籍为大家讲解各类模块的具体原理。

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PWM模块寄存器结合书籍为大家讲解各类模块的寄存器原理。

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手把手教你-PWM输出结合实例，教你学习PWM输出。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o6we.html