Prova facendo diversamente:
prendi un valore che varia ciclicamente, ad esempio il resto di millis() diviso 2000, e ne ricavi i valori per R, G e B sfasandoli tra loro: G=R+667; B=G+667. Naturalmente devi mettere degli if che azzerino al superamento del massimo: if(G>2000) G-=2000.
Tempo fa feci qualcosa del genere con un led RGB, ma usai dei delay perché non c'era altro nel programma. Mi resi conto, però, che per fare sfumi uniformi era necessaria una tabella con valori trovati sperimentalmente e, comunque, i 255 valori del pwm producevano visibili salti ai livelli di luminosità più bassi.