​​[硬件电路-282]：PWM信号通用解读、应用场景及在步进电机中的应用详解

一、PWM信号的通用解读

定义与原理
PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种通过调节周期性脉冲信号中高电平持续时间（占空比）来控制输出功率平均值的技术。其核心在于：

• 占空比（Duty Cycle）：高电平时间 Ton​ 与周期 T 的比值，即 D=TTon​​×100%。
• 频率（Frequency）：单位时间内脉冲信号的次数，f=T1​。
• 脉冲宽度（Pulse Width）：高电平持续时间 Ton​。

通过调整占空比，PWM信号可实现对模拟信号（如正弦信号）的数字编码，从而控制负载（如电机、LED）的平均电压或功率（模拟信号）。例如，占空比为50%时，负载两端平均电压（模拟信号）为输入电压的一半。

优势

1. 高效率：开关器件仅在导通/关断状态切换，损耗低，能量转换效率高。
2. 高精度控制：通过精确调节占空比，实现平滑的电压/电流控制，调速范围宽且线性度好。
3. 快速响应：高频脉冲信号使系统动态响应迅速，能快速跟踪指令变化。
4. 抗干扰能力强：数字信号传输对噪声不敏感，适用于复杂电磁环境。
5. 结构简单：无需复杂线性放大电路，可通过微控制器直接生成PWM信号，降低成本。

二、PWM信号的应用场景

1. 电机控制
   • 直流电机调速：通过调节PWM占空比控制电机两端平均电压，实现转速调节。
   • 步进电机驱动：优化驱动器电流控制，提升扭矩和精度（详见下文）。
   • 伺服电机控制：结合闭环反馈系统，实现高精度位置和速度控制。
2. LED调光
   • 通过改变PWM占空比调节LED亮度，实现节能和舒适照明。例如，占空比从10%到90%可线性调节亮度。
3. 电源管理
   • 开关电源：PWM技术用于调节输出电压和电流，提高电源转换效率（如电脑主板电源管理单元）。
   • 直流-直流变换器：通过PWM控制开关管导通时间，实现电压升降转换。
4. 音频放大
   • D类音频放大器：将音频信号转换为高频PWM波形，经低通滤波还原为模拟信号，提高效率和功率密度。
5. 通信系统
   • 用于调制解调器、无线电频率调制等，实现数据传输和信号编码。
6. 温度控制
   • 调节加热元件（如电热毯、恒温器）的工作状态，实现精确温度控制。

三、PWM在步进电机中的应用详解

步进电机通过接收电脉冲信号控制转动角度和速度，每接收一个脉冲旋转一个固定角度（步距角）。其控制核心在于：

• 步数：决定电机精确位置控制能力（如1.8°步距角电机，200步/转）。电流大小固定的情况下和步距角角度确定的情况下，所有的单个脉冲的长度是相等的、确定的。
• 转速：由PWM信号频率决定，频率越高转速越快。

PWM在步进电机中的控制策略

1. 电流控制优化
   • 恒流驱动：通过PWM信号调节H桥电路（由MOSFET或IGBT构成）的导通时间，控制绕组电流平均值，实现恒流驱动。
     • 原理：控制器根据电流反馈调整PWM占空比，避免电流过大或过小，提升电机在不同转速下的稳定性。
     • 优势：输出力矩稳定，适用于高速高精度场合。
2. 细分驱动技术
   • 定义：将一个全步进角细分成更小角度（如1/16、1/32细分），提高运动平滑度和精度。
   • PWM实现方式：
     • 使用多通道PWM输出驱动器（如A4988、DRV8825）。
     • 通过微控制器生成细分控制所需的多路PWM信号，设定相位差和占空比。
     • 调整PWM参数以满足精度和速度要求（如3D打印机、CNC机床中的高精度定位）。
3. 扭矩优化
   • 增加PWM占空比可提高绕组电流，进而提升电机启动扭矩和运行扭矩。例如，在低速重载场景下，通过提高占空比增强电机带载能力。
4. 速度控制
   • 通过调节PWM信号频率控制电机转速。例如，频率从1kHz提升至10kHz，电机转速相应增加10倍。
   • 注意事项：频率过低可能导致电机抖动，过高则增加开关损耗，需根据应用场景选择合适频率（电机控制常用6-20kHz）。

典型应用案例

• 3D打印机：通过PWM细分驱动技术实现打印头高精度定位。
• 工业自动化：在CNC机床中，PWM控制步进电机实现刀具的精确进给。
• 机器人控制：结合闭环反馈系统，PWM驱动步进电机实现关节的灵活运动。