【电赛电力电子方向】STM32输出SPWM波

摘要

在电机控制,PWM整流器,逆变器中都需要单片机输出SPWM波去控制.

图0

调制分类

对于单相整流，逆变器有双极性调制，单极性调制，单极性倍频调制。

双极性调制

图1
直接将整个正弦波放在三角波里做比较。

图2
全桥输出波形(占空比按正弦幅值变化).这个波经过LC滤波后就变成正弦波了。

图3
matlab里搭出的双极性调制，后面写代码也是参考这个。
0.7是调制度。前面输进去的正弦波是从-1到0再到1的正弦波。将其抬高1，整个波形就只有正的，然后再除2就成了图1中的正弦波（归一化让正弦波在0到1内）。与三角波比较后输出调制波。

单极性调制

图4

图5
与双极性不同，单极性调制的输出是有正有负的。可以看到，这个波要比双极性调制更接近正弦波，所以谐波含量更少。

图6
按这种方式调制，那么全桥两边都是一会为高频开关一会为低频开关。而我们也可以只让一边做高频侧，另一边做低频侧（负责波形的正负）。

单极性倍频

两半桥输出20K（比如）PWM，相减后得到40KPWM完成成倍频。

/**
 * @brief 单极性倍频调制
 * 
 * @param insignal 输入基波
 * @param cnt 当时定时器cnt值
 * @return unsigned int 
 */
void unimp_modulation(float insignal, unsigned short cnt, spwm_t *ccr)
{
    ccr->ch1_ccr = (1+insignal)/2 * (cnt-1);
		ccr->ch2_ccr = (1-insignal)/2 * (cnt-1);
}
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可以把调制简单的理解成，将正弦波与三角波混合。后面经过滤波器就能去除三角波得到正弦波。那么三角波（载波）其实不一定就是上面那种等腰三角形，你用只有一半的波也是可以的。

图7
后面加滤波器就能把这个半个的三角波滤去。

图8

STM32上实现spwm调制

可以看出，调制的核心是利用高频载波（三角波）与低频基波（正弦波）作比较得出。那么在stm上怎么实现这个过程？或者说在STM32里三角波和正弦波分别是什么，从哪里来？
stm32的pwm输出功能(中心对称计数)可以用下图形象的描述。

图9
三角波是定时器计数值按时间的变化，方波是输出的PWM波。
可以看出改变CCR就可以改变脉冲宽度。即CCR/CNT=占空比。（当然在另一个PWM模式里就与这里的相反了）

图10
（实际的三角波频率要比正弦波大很多，看不清楚，这里减小了三角波的频率为了看清比较过程。）
联系上面两张图，其实就是在每次到达CCR做比较来改变脉冲宽度。那么当CCR值按正弦变化不就实现了SPWM调制了嘛。

正弦波的获取

好了，我们现在知道了。定时器的计数值就是三角波。正弦波就是按正弦变化的CCR值。
比如我们要一个50HZ的正弦波，三角波频率20KHZ。可以知道一个正弦波里包含400个三角波，而一个三角波要与正弦波比较两次，所以我们需要800个CCR值。当然，我们不追求精度，可以让一个三角波的两次比较值都一样，也就是400个CCR值。甚至可以两次三角波的比较CCR都一样，这样就只需要200个CCR了，当然这么做会损失一些精度。最好的情况当然是三角波频率足够高，比较值也足够多。
常见的CCR获取方式有下面的两种。

查表法（空间换时间）

早期的单片机由于运算性能不行，所以是先把这些CCR值存储在ROM里（RAM也行）做正弦波码表。然后这个码表可以在一些软件里生成。也可以自己提前算好。
有了码表，我们只需要每次计数器计到CCR触发中断时把CCR值更新就行了。

定时器中断运算

使用码表是因为运算性能不够，而stm32运算性能足够(使用dsp库,用C库的函数还是算起来有些慢的)，可以自己去算正弦值。大致思路就是开一个定时器,每次进定时器中断的时间相同,累加就能得到时间.然后在定时器中断里计算sin(wt)
具体操作如下：

1. 定义角频率

spwm_struct.w = 2*pi*50;						//50HZ正弦波
1

2. 确定每次进入定时器中断的时间间隔

spwm_struct.T = 0.00005;						//20K的定时器中断,每次进入间隔50us
1

3. 更新正弦值,注意这里是用了dsp库的sin（实测F446 180M主频下运算只要400ns，而math.h的sin要算16us）

spwm_struct.uref = A*arm_sin_f32(spwm_struct.WT);			//A是幅值
1

4. 在定时器中断里更新角度(相位)

spwm_struct.WT += spwm_struct.w * spwm_struct.T;
if(spwm_struct.WT >= 2 * pi) spwm_struct.WT = 0;			//WT在0到2pi变化 
1
2

5. 更新CCR
   以双极性调制为例,参考图三 CCR=(spwm_struct.uref + 1)*mod_dep/2 * CNT
   mod_dep是调制度.

实践

单片机：STM32F446RCT6
栅极驱动：IR2104。
一个2104高端接G1，低端接G2 另一个高端接G3，低端接G4
调制方式：双极性，定时器中断计算正弦波（查表实现的文章很多，这里就不展示了）
大致思路：用高级定时器输出PWM给一个2104去控制G1，G2（PWM信号与G1信号一样，2104会互补输出G2的信号）。G1和G3的信号又是互补的。所以生成互补PWM给另一个2104。
定时器中断频率20Khz，周期0.00005s.

CUBEMX配置

定时器其他配置默认。
至于其他配置（下载，时钟等），就不展示了。

代码

定时器中断

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
		
	
	if(htim->Instance==TIM1)
	{
		
			spwm_struct.jibo = spwm_struct.mod_dep*arm_cos_f32(spwm_struct.wt);//更新正弦波数据
			bipolar_modulation(spwm_struct.jibo, tim_cnt, &spwm_struct);
			TIM1->CCR1 = spwm_struct.ch1_ccr;
			
			spwm_struct.wt += spwm_struct.w * spwm_struct.T;//更新相角wt
			if(spwm_struct.wt>=2*pi)	spwm_struct.wt=0;//计满2π后归零,防止溢出
		
	}

}
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双极性调制

/**
 * @brief 双极性调制
 * 
 * @param insignal 输入基波 (-1到1变化)
 * @param cnt 当时定时器cnt值
 * @return unsigned int 
 */
void bipolar_modulation(float insignal, unsigned short cnt, spwm_t *ccr)
{
    
    insignal = (insignal+1) / 2;
    ccr->ch1_ccr = insignal * (cnt - 1);
}
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主函数while1前放的初始化

void spwm_init()
{
	/*参数初始化*/
	spwm_struct.w = 2*pi*50;		//2*pi*f
	spwm_struct.wt = 0;
	spwm_struct.fre = 50;
	spwm_struct.uref = 1;
	spwm_struct.rqd_flag = 1;
	spwm_struct.mod_dep = 0.5;		//调制度
	spwm_struct.T = 0.00005;
	/*2104使能*/
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
	/*PWM输出开启*/
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
	
}
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spwm结构体

typedef struct
{
	float w;					//角频率
	float fre;					//频率
	float wt;					//相角
	float mod_dep;				//调制度
    short ch1_ccr;				//ccr1
    short ch2_ccr;		
	float jibo;
	float T;					//每次进入定时器中断的时间
}spwm_t;
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