原標題：單相異步電動機原理

1. PWM的基本概念

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調制，是一種通過調節脈沖信號的占空比（Duty Cycle）來控制平均輸出功率的技術。PWM信號由一系列固定頻率的脈沖組成，每個脈沖的寬度（即高電平持續時間）可變，從而實現對輸出能量的精確控制。

• 關鍵參數：

• 占空比（Duty Cycle）：脈沖高電平時間占整個周期的比例，定義為 D=TTon，其中 Ton 為高電平時間，T 為周期。

• 頻率（Frequency）：脈沖信號的重復頻率，定義為 f=T1。

• 周期（Period）：脈沖信號的一個完整循環時間，T=f1。

2. PWM的工作原理

PWM的核心是通過快速開關（如晶體管、MOSFET）來調節輸出電壓或電流的平均值，而無需改變實際供電電壓。其工作原理可分為以下步驟：

1. 信號生成：

• 使用定時器、比較器或專用PWM控制器生成固定頻率的脈沖信號。

• 通過調節比較器的閾值或定時器的占空比，控制脈沖的高電平時間。

2. 占空比調節：

• 增大占空比（D 增加）：輸出平均電壓或電流增大，接近供電電壓。

• 減小占空比（D 減小）：輸出平均電壓或電流減小，接近0。

3. 低通濾波：

• 在PWM輸出端連接低通濾波器（如RC電路），將高頻脈沖信號轉換為平滑的直流信號。

• 濾波后的輸出電壓 Vout 與占空比成正比：Vout=D×Vsupply。

3. PWM的核心優勢

• 高效性：

• 開關器件（如MOSFET）在導通和截止狀態間切換，功耗極低（理想情況下僅在開關瞬間有損耗）。

• 相比線性調節（如LDO），PWM的效率更高，尤其適用于大功率應用。

• 精確控制：

• 通過調節占空比，可實現對輸出電壓、電流、功率的精確控制。

• 適用于需要動態調節的場景（如電機調速、LED調光）。

• 靈活性：

• 頻率和占空比可獨立調節，適應不同應用需求。

• 可通過軟件（如微控制器）或硬件（如專用PWM芯片）實現。

4. PWM的應用場景

1. 電機調速：

• 通過PWM調節電機兩端的平均電壓，控制電機轉速。

• 廣泛應用于直流電機、步進電機、無刷電機等。

2. LED調光：

• 通過PWM調節LED的亮度，避免線性調光導致的色溫變化。

• 適用于照明、顯示、背光等場景。

3. 電源轉換：

• 在DC-DC轉換器（如Buck、Boost電路）中，PWM用于控制開關器件的導通時間，實現電壓或電流的轉換。

4. 音頻放大：

• D類音頻放大器通過PWM將模擬信號轉換為高頻脈沖信號，再經低通濾波還原為音頻信號，效率遠高于傳統A類或AB類放大器。

5. 通信與信號處理：

• PWM可用于調制信號，實現數字通信或信號編碼。

5. PWM的實現方式

1. 硬件實現：

• 使用專用PWM芯片（如TL494、SG3525）生成PWM信號。

• 通過比較器（如LM339）和鋸齒波發生器實現。

2. 軟件實現：

• 使用微控制器（如STM32、Arduino）的定時器模塊生成PWM信號。

• 通過編程控制占空比和頻率，靈活性高。

3. 混合實現：

• 結合硬件和軟件，實現更復雜的PWM控制邏輯（如閉環控制、故障保護）。

6. PWM的參數選擇與優化

1. 頻率選擇：

• 高頻：減小濾波器體積，但可能增加開關損耗和電磁干擾（EMI）。

• 低頻：降低開關損耗，但需要更大的濾波器，且可能產生可聞噪聲（如電機嗡嗡聲）。

• 典型值：電機控制（1kHz-20kHz）、LED調光（100Hz-1kHz）、音頻放大（100kHz以上）。

2. 占空比范圍：

• 根據應用需求選擇占空比范圍（如0%-100%、5%-95%）。

• 避免占空比過小或過大，以防止開關器件長時間導通或截止，導致發熱或效率降低。

3. 死區時間控制：

• 在全橋或半橋電路中，為防止上下管同時導通，需加入死區時間（Dead Time）。

• 死區時間過短可能導致短路，過長則降低效率。

7. 實際案例分析

案例1：直流電機調速

• 需求：通過PWM控制直流電機轉速，范圍為0-3000RPM。

• 設計：

• 使用微控制器生成PWM信號，頻率為10kHz。

• 通過電位器或編碼器調節占空比（0%-100%），對應電機轉速0-3000RPM。

• 輸出端連接H橋電路，驅動電機正反轉。

• 效果：電機轉速平滑調節，效率高，發熱低。

案例2：LED調光

• 需求：實現LED亮度從0%到100%無級調節。

• 設計：

• 使用555定時器生成PWM信號，頻率為1kHz。

• 通過可變電阻調節占空比（0%-100%），控制LED亮度。

• 輸出端連接MOSFET和低通濾波器，驅動LED。

• 效果：LED亮度無級調節，無色溫變化，效率高。

8. PWM的局限性

• 電磁干擾（EMI）：高頻PWM信號可能產生電磁輻射，需通過濾波或屏蔽措施抑制。

• 濾波需求：需低通濾波器將脈沖信號轉換為直流信號，增加成本和體積。

• 開關損耗：在極高頻率下，開關器件的損耗可能增加，需選擇低導通電阻和快速開關的器件。

9. 總結

PWM通過調節脈沖信號的占空比，實現了對輸出能量的高效、精確控制，廣泛應用于電機調速、LED調光、電源轉換等領域。其核心優勢在于高效性、精確性和靈活性，但需注意頻率選擇、濾波設計和電磁干擾等問題。通過合理設計PWM參數和電路，可滿足不同應用場景的需求，成為現代電子系統中的關鍵技術之一。