基于STM32的SPWM直接面積等效算法的分析與實(shí)現(xiàn)

朱能飛　王翠　陳勇生　黃小軍　崔曉斌　徐鍵

摘要：針對自然采樣法計(jì)算量大，規(guī)則采樣法相比自然采樣法計(jì)算量小，但仍存在一定誤差等問題，提出了一種以STM32為核心基于面積等效法實(shí)現(xiàn)SPWM波形的算法。面積等效法其原理是脈沖相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上輸出波形基本相同。將調(diào)制波的一個(gè)周期劃分為若干等分，該等分的面積用等面積的窄脈沖代替，用面積等效法精確計(jì)算出每一個(gè)窄脈沖的開關(guān)通斷時(shí)間，通過查表法不斷地改變占空比實(shí)現(xiàn)SPWM波形。該方法產(chǎn)生的SPWM信號簡單有效，程序易實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：STM32F103；SPWM；面積等效；嵌入式；逆變器

中圖分類號：TN787文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to solve the problem that The Natural Sampling Method is greatly complex ，The Regular Sampling Method has less computational complexity than The Natural Sampling Method，but it is still existing problems of error，so an algorithm based on area equivalent method to realize SPWM waveform is proposed.Area equivalent method the principle is the pulse of equal and different shapes of narrow pulse added to the inertial link output waveform is basically effect.A cycle of the modulated wave is divided into a number of equal portions，and the equally divided areas are replaced by narrow pulses of equal area.Through the lookup table method to constantly change the duty cycle to achieve SPWM waveform.It is simple and effective by this method to generate the SPWM signal，and the program is easy to implement.

Key words：STM32F103；SPWM；area equivalent；single chip；power inverters

1前言

隨著微控制器和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制（ pulse width modulation，簡稱PWM） 技術(shù)在電力電子技術(shù)中應(yīng)用越來越廣泛，尤其在逆變電路中， SPWM控制技術(shù)扮演一個(gè)舉足輕重的角色[1]。

實(shí)現(xiàn)SPWM波形的方法主要有自然采樣法[2]、規(guī)則采樣法[3]、直接面積等效法[4]等 ，其中自然采樣法的精度很高，但求解導(dǎo)通關(guān)斷點(diǎn)需要解一個(gè)超越方程，計(jì)算量很大，一般不被采用；規(guī)則采樣法用近似的階梯波代替正弦波與三角波比較，雖然計(jì)算簡單，但精度不高[5-8]。針對自然采樣法、規(guī)則采樣法存在的上述問題，本文利用了直接面積等效法，將調(diào)制波的一個(gè)周期劃分為若干等分，該若干等分的面積用等面積的窄脈沖代替，用面積等效法精確計(jì)算出每一個(gè)窄脈沖的開關(guān)通斷時(shí)間，并將開關(guān)的開通時(shí)間轉(zhuǎn)換為STM32中對應(yīng)的占空比，通過查表法不斷地改變占空比實(shí)現(xiàn)SPWM波形。由于面積等效法的計(jì)算量不大且計(jì)算結(jié)果精確，因此產(chǎn)生的SPWM波形精確。

本文利用STM32F103VET6控制芯片產(chǎn)生SPWM信號，由于該控制芯片帶有高級定時(shí)，能夠通過適當(dāng)?shù)呐渲幂敵龌パa(bǔ)的PWM信號，且可以設(shè)置死區(qū)的時(shí)間，因而能夠比較容易的產(chǎn)生穩(wěn)定的SPWM信號。

為了驗(yàn)證產(chǎn)生的SPWM波形能夠真實(shí)可行，將STM32F103VET6控制芯片產(chǎn)生的SPWM信號用于控制一個(gè)單相橋式逆變器，在逆變器的輸出端，經(jīng)過RC濾波電路，用示波器觀看可得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸出。

2算法原理

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同[9]，這一結(jié)論是SPWM控制的重要理論基礎(chǔ)。如圖1所示，若定義調(diào)制比為調(diào)制波的幅值與脈沖的幅值之比，以單位量1代表矩形脈沖的幅值Uc，則正弦調(diào)制波的幅值Ur就是調(diào)制比a。把正弦調(diào)制波的正半周期分成n等分，分別求每一等分所包含的面積，用雙極性正弦脈寬調(diào)制，可得式（1）、（2）、（3）：

（5）式中：t1為單個(gè)正脈沖時(shí)間長度，fr為調(diào)制波的頻率

由（5）式可以算出正弦調(diào)制波正半周每一等分的正脈沖的時(shí)間（即開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間），同理可以計(jì)算出正弦波負(fù)半周每一等分的正脈沖對應(yīng)時(shí)間。

3SPWM的軟件設(shè)計(jì)

STM32F103VET6定時(shí)器非常豐富，有2個(gè)高級定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器，其中高級定時(shí)器可以輸出帶死區(qū)的互補(bǔ)信號，因此用其產(chǎn)生SPWM方便有效。定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式有向上計(jì)數(shù)、向下計(jì)數(shù)、向上/向下計(jì)數(shù)，本文所用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式為向上/向下計(jì)數(shù)，因?yàn)榇擞?jì)數(shù)模式能夠容易編程實(shí)現(xiàn)SPWM信號。

軟件設(shè)計(jì)原理為：將一個(gè)正弦波周期內(nèi)的正脈沖的計(jì)數(shù)值存入一個(gè)數(shù)組中，定時(shí)器T1工作在向上/向下計(jì)數(shù)模式（產(chǎn)生SPWM信號），定時(shí)器T4工作在向上計(jì)數(shù)模式（產(chǎn)生中斷），當(dāng)定時(shí)器T4每次中斷，通過查表法把定時(shí)器T1的比較寄存器的值不斷的更新，從而產(chǎn)生SPWM信號。其具體實(shí)現(xiàn)方法如下：endprint

由2所述SPWM算法原理，算出正弦波（本實(shí)驗(yàn)分為200等分）的每一等分正脈沖的時(shí)間t1，將時(shí)間t1轉(zhuǎn)換為正脈沖對應(yīng)的寬度（即正脈沖對應(yīng)定時(shí)器T1計(jì)數(shù)值）。在一個(gè)采樣周期（即方波的周期）中，其計(jì)數(shù)值為

C=TcTs×（TIMxPSC+1）

其中：Tc為采樣周期，Ts為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，TIMxPSC為計(jì)數(shù)器預(yù)分頻值。

則每一正脈沖的時(shí)間t1所對應(yīng)定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)值為

C=t1Tc×C

由此得到SPWM中每一等分的正脈沖寬度，并將其存入一個(gè)數(shù)組里。本實(shí)驗(yàn)利用定時(shí)器T1的通道1（PE9）及其互補(bǔ)通道1（PE8）和通道2（PE11）及其互補(bǔ)通道2（PE10）分別產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM控制信號[10]。通過定時(shí)器T4每隔一個(gè)采樣周期（本程序是100us）中斷一次，在中斷處理程序中每中斷一次根據(jù)查表法更新一次定時(shí)器T1比較寄存器的值（即（C-查表數(shù)據(jù)）/2），且定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)模式為向上/向下計(jì)數(shù)。如此不斷的循環(huán)執(zhí)行程序，可在定時(shí)器T1的相應(yīng)的引腳上產(chǎn)生四路PWM波——PWM1（PE9），PWM2（PE8），PWM3（PE10），PWM4（PE11）。本程序設(shè)計(jì)的控制流程圖如圖2所示：

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了說明設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性，將該程序下載到眾想科技的STM32F103VET6開發(fā)板，用示波器觀測了一對互補(bǔ)輸出的PWM（PE8、PE9）波形，如圖3所示，并與MDK軟件仿真的波形相比較是一致的，如圖4所示。

將產(chǎn)生的四路PWM波通過一個(gè)單相橋式逆變器，并在逆變器輸出端接一個(gè)RC濾波電路，如圖5所示，其中PWM1和PWM4波形相同，PWM2和PWM3波形相同，且PWM1和PWM2波形互補(bǔ)。用示波器觀察濾波電路輸出端波形，可觀測到如圖6所示的波形。故驗(yàn)證了此方案的有效性。

5結(jié)論

本論文是基于STM32用直接面積等效法產(chǎn)生SPWM波形，從實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，此方法是易于編程實(shí)現(xiàn)SPWM信號。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，通過STM32F103VET6產(chǎn)生SPWM波的方案的可行性，能夠方便的產(chǎn)生穩(wěn)定互補(bǔ)輸出的PWM波形。

參考文獻(xiàn)

[1]臨渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]霍虎，楊倩倩，崔鑫彤.軟件快速計(jì)算自然采樣法SPWM數(shù)據(jù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，（4）：51-54

[3]許勝，趙劍鋒.基于不對稱規(guī)則采樣法的級聯(lián)H橋型變流器CPSSPWM輸出電壓諧波特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（6）：121-128

[4]于軍.基于直接面積等效法的逆變電源[J].今日電子，2014（1）：60-61.

[5]錢慧芳，毛惠豐，陳增祿.SPWM面積中心等效法研究[J].電氣應(yīng)用，2005，24（3）：103-105.

[6]萬秋一，李士林，閆鑫，等.一種等面積法生成SPWM波形的算法[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2011，31（5）：588-590.

[7]王春俠，聶翔.基于面積等效法的SPWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，（2）：216-217

[8]劉小河，臧健.基于DSP的SPWM直接面積等效算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2003.（3）：53-55.

[9]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子變流技術(shù) [M].（第5版），北京：機(jī)械工業(yè)社，2009.

[10]肖廣兵.基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014，3.endprint