PWM控制技术实验，如何实现精准控制？-晟辉智能制造

PWM控制技术实验是电力电子、自动化控制等领域的重要实践环节，通过动手操作可深入理解PWM（脉冲宽度调制）的原理、特性及其在电机控制、电源变换等场景中的应用，以下从实验目的、原理、设备、步骤、结果分析及注意事项等方面展开详细说明。

（图片来源网络，侵删）

实验目的

掌握PWM的基本概念及生成原理,理解占空比与输出电压的关系。
学习使用PWM控制模块（如单片机、FPGA或专用PWM芯片）实现信号输出。
通过实验验证PWM技术在直流电机调速或LED亮度调节中的实际效果,分析控制精度与动态响应特性。

实验原理

PWM是一种通过调节脉冲序列的占空比（脉冲宽度与周期的比值）来等效控制输出电压或电流的技术，其核心思想是：在周期T不变的条件下，改变高电平持续时间t，则输出电压平均值Uo可表示为：
[ Uo = \frac{t}{T} \times U{in} = D \times U_{in} ]
D为占空比（0≤D≤1），Uin为输入电压，通过改变D，即可线性调节输出电压的平均值，实现对负载（如电机、LED）的精准控制。

PWM信号通常由微控制器（如STM32、Arduino）的定时器模块生成，通过配置定时器的预分频系数、自动重装载值和比较寄存器，可设置周期T和占空比D，当定时器计数器值与比较寄存器值匹配时，输出电平翻转，从而形成可调的脉冲波形。

实验设备与器材

主控模块：STM32F103系列单片机开发板（或Arduino Uno、FPGA开发板）。
PWM输出模块：定时器接口（如TIM1_CH1）、驱动电路（如MOSFET桥式驱动电路）。
负载模块：直流电机（12V/1A）、LED灯（5V/20mA）。
测量工具：数字示波器（用于观测PWM波形）、万用表（测量电压/电流）、转速传感器（可选，用于电机转速测量）。
辅助设备：电源（12V直流稳压源）、连接导线、面包板、电阻（限流用，如220Ω）。

实验步骤

硬件连接

PWM输出与负载连接：以STM32为例，将TIM1_CH1（PA8引脚）通过MOSFET驱动电路连接至直流电机正极，电机负极接地；LED可直接串联限流电阻后接PWM输出端（如PA9）。
电源配置：为开发板提供5V供电，电机和LED分别使用12V和5V独立电源（注意共地）。

软件编程（以STM32 HAL库为例）

初始化定时器：配置TIM1为PWM模式，设置时钟频率（如72MHz）、预分频系数（PSC=72，则定时器计数频率为1MHz）、自动重装载值（ARR=1000，则周期T=ARR×1/计数频率=1ms）。
设置占空比：通过修改比较寄存器（CCR）值调节占空比，若D=50%，则CCR=ARR×D=500。

代码示例：

void PWM_Init(void) {  
    TIM_HandleTypeDef htim1;  
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};  
    htim1.Instance = TIM1;  
    htim1.Init.Prescaler = 72;  
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  
    htim1.Init.Period = 1000;  
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);  
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;  
    sConfigOC.Pulse = 500; // 初始占空比50%  
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);  
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  
}

波形观测与数据记录

使用示波器观测PWM输出端（PA8）的波形，记录不同占空比（如10%、30%、50%、70%、90%）下的脉冲周期、高电平时间及输出电压平均值（万用表测量电机两端或LED两端电压）。
数据记录表（示例）：

占空比D（%）	高电平时间t（ms）	输出电压Uo（V）	电机转速（rpm）	LED亮度状态
10	10	20	500	微亮
30	30	60	1500	较暗
50	50	00	2500	正常
70	70	40	3500	较亮
90	90	80	4500	最亮

负载控制实验

电机调速：通过串口或按键输入改变占空比，观察电机转速变化，记录阶跃响应（如从10%突变为50%时的转速稳定时间）。
LED调光：逐步增大占空比，观察LED亮度变化，验证线性调节效果。

结果分析与讨论

占空比与输出电压关系：实验数据表明，输出电压Uo与占空比D呈线性关系（Uo=D×Uin），验证了PWM的电压调节原理，Uin=12V时，D=50%对应Uo≈6.0V，误差源于MOSFET导通压降和线路损耗。
动态响应特性：电机调速时，占空比阶跃变化后，转速需经约0.5s达到稳定，说明系统存在惯性，可通过PID算法优化动态性能。
波形质量：示波器观测显示PWM波形上升/下降沿时间较短（约100ns），表明驱动电路设计合理；若波形畸变，需检查定时器配置或负载匹配情况。

注意事项

硬件安全：电机为大感性负载，需在两端并联续流二极管（如1N4007）防止反向电动势损坏MOSFET；LED限流电阻不可省略，避免过流烧毁。
软件调试：定时器配置需确保计数频率不超过芯片最大频率，占空比范围需在0~100%内，避免CCR值大于ARR导致异常。
测量误差：万用表测量直流电压时，需选用直流档位，并尽量靠近负载两端，减少导线电阻影响。

PWM控制技术实验，如何实现精准控制？

实验目的

实验原理

实验设备与器材

实验步骤