SPWM原理及STM32生成
绪论
SPWM在单向逆变器中运用的比较多，在电能与电机控制领域现在大都是用SVPWM。先学好spwm，为以后的进阶做准备！本文主要是我学习spwm的一些理解，然后后通过实例代码生成spwm，可以直接复制测试。
一.什么是SPWM
要说SPWM先得说PWM，英文全名Pluse Width Modulation，即脉冲宽度调制，实际上就是周期的矩形波，然后每个周期的占空比都可以自己设置就叫调制。比如Buck电路中开关管的PWM波，当输入不变时可以将它的占空比从40%变到60%就能提高母线输出电压。
图一 .占空比固定pwm波与载波
而SPWM前面加了个S（Sine），即正弦脉宽调制，意思就是：还是这个周期的矩形波，但不同的是占空比不是如40%固定的，而是按照正弦规律变化的。
SPWM一般由三角波（载波）和正弦波（调制波）比较而成。硬件生成方法是将三角波和正弦波加入比较器得到；软件是通过定时器或者Epwm模块，按照中央计数模式生成三角波，经由CCR比较模块动作产生对应高低电平，即SPWM。
如图，我们将正弦函数和三角载波都归一化处理，正弦波幅值要小于三角波，这里取0.8。在一个很小的Δt时段内正弦函数值和占空比的值相等。例如图中Δt时段正弦波的值是0.8左右（A点电压值），它的矩形波占空比也是80%。同时我们可以看出矩形波的频率和三角波相等。正弦波被三角波“切割”成高频的spwm，用以控制开关管，然后spwm通过低通滤波滤除高次谐波后，得到原来的正弦波。图示情况下从0开始半个期内SPWM占空比是0->0.8->0按照正弦函数变化，要得到某时的占空比，得到此时的sine值就可以了，sine值可以事先放入表中。
二.SPWM软件生成
利用单片机输出PWM波，然后让占空比正弦规律变化。
实现步骤可以简单分为三步，以stm32为例：
（1）生成载波。比如要生成一个10KHZ的三角波，将计数器设置加减计数、周期设为1/10K就ok啦。这样生成的三角波的幅值是多少呀，3.3V？其实在单片机里面都是数字信号，三角波最高点的时候可以用一个计数值来表示，比如8400，最低点是0。不用管他的电压是多少。
（2）生成正弦波。这一步用软件生成一个正弦表即可。比如将正弦波取200个点，即将一个正弦分割成200份，每个点代表一个幅值。用离散的数字量表达正弦模拟量。
（3）将正弦波和三角波进行比较。
a.什么时候进行比较。设置计数值达到比较值产生动作。
b.比较完之后，需要改变比较值，用于下一个周期进行比较（比较值可以理解为占空比），比较值查正弦表获得，这样就生成了占空比正弦规律变化的SPWM。
C.调制度m。m=正弦表最大值/三角波最大计数值。 如正弦表最大值4200，三角波最大计数值8400，m=4200/8400=0.5，此时spwm最大占空比为50%，设置m=1，spwm最大占空比为100%。
如图所示，要注意因为是单极性调制，spwm和三角载波都是大于0的。在单相全桥逆变电路中，开关管交替导通时输出电压Ud自然会倒过来为负，Ud经过滤波就是一个正弦波。
三.实例分析
下面我们来看一个例子，来生成一个开环的三相spwm。单相逆变需生成两组相差180度的spwm，三相即生成三组两两相差120度的spwm，且每组的spwm都是互补的。
如图，将生成的三组spwm分别加到1、2、3组桥臂，每组spwm互补防止了同一桥臂上下管同时导通会引起短路。
uint16_t Counter_sine1 = 0; //A相
uint16_t Counter_sine2 = 83; //滞后A相120度
uint16_t Counter_sine3 = 166; //超前A相120度
/**
* 说明 TIM1GPIO初始化 CH1--A8 CH2--A9 CH3--A10
* CH1N-B13 CH2N-B14 CH3N-B15
*
* 入口参数 None
*
* 出口参数 None
**/
void TIM1_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9| GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13| GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
#define CKTIM ((u32)72000000uL) //主频
#define PWM_PRSC ((u8)0) //TIM1分频系数
#define PWM_FREQ ((u16) 10000) //PWM频率(Hz)
#define PWM_PERIOD ((u16) (CKTIM / (u32)(2 * PWM_FREQ *(PWM_PRSC+1))))
#define MODULAT (float)0.7 //调制度
/**
* 说明 TIM1模式
*
* 入口参数 None
*
* 出口参数 None
**/
void TIM1_Mode_Config(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_BDTRInitTypeDef TIM1_BDTRInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWM_PERIOD; //计数周期
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = PWM_PRSC; //分频系数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV2;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //配置为PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //使能CHx的PWM输出
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;//互补输出使能，使能CHxN的PWM输出
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Set;
TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //配置CH1
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //配置CH2
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //配置CH3
//死区时间
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 360; //设置死区时间
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Disable;
TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM1_BDTRInitStructure);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //4个抢先级、4个子优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_CC1|TIM_IT_CC2|TIM_IT_CC3,ENABLE); //使能中断
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); //PWM输出使能
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); //使能TIM1
}
void TIM1_PWM_Init(void)
{
TIM1_GPIO_Config();
TIM1_Mode_Config();
}
//定时器1中断服务函数
void TIM1_CC_IRQHandler(void)
{
if(Counter_sine1>=250)
{
Counter_sine1 = 0;
}
if(Counter_sine2>=250)
{
Counter_sine2 = 0;
}
if(Counter_sine3>=250)
{
Counter_sine3 = 0;
}
//CCR1
if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC1)!=RESET)
{
TIM_SetCompare1(TIM1,(uint32_t)(talab[Counter_sine1])*MODULAT); //A相
Counter_sine1++;
TIM_ClearITPendingBit(TIM1 , TIM_IT_CC1);
}
//CCR2
if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC2) !=RESET)
{
TIM_SetCompare2(TIM1,((uint32_t)talab[Counter_sine2])*MODULAT); //B相
Counter_sine2++;
TIM_ClearITPendingBit(TIM1 , TIM_IT_CC2);
}
//CCR3
if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC3) !=RESET)
{
TIM_SetCompare3(TIM1,(uint32_t)(talab[Counter_sine3])*MODULAT); //C相
Counter_sine3++;
TIM_ClearITPendingBit(TIM1 , TIM_IT_CC3);
}
}
int const talab[250]=
{
100 , 102 , 108 , 116 , 126 , 140 , 154 , 172 , 194 , 216 ,
242 , 270 , 300 , 334 , 370 , 408 , 448 , 490 , 536 , 582 ,
632 , 684 , 738 , 794 , 854 , 914 , 976 ,1040 ,1108 ,1176 ,
1246 ,1320 ,1394 ,1470 ,1548 ,1626 ,1708 ,1790 ,1874 ,1960 ,
2046 ,2136 ,2224 ,2316 ,2408 ,2502 ,2596 ,2690 ,2786 ,2884 ,
2982 ,3080 ,3180 ,3280 ,3382 ,3482 ,3584 ,3686 ,3788 ,3892 ,
3994 ,4096 ,4200 ,4304 ,4406 ,4508 ,4612 ,4714 ,4816 ,4918 ,
5018 ,5120 ,5220 ,5320 ,5418 ,5516 ,5614 ,5710 ,5804 ,5898 ,
5992 ,6084 ,6176 ,6264 ,6354 ,6440 ,6526 ,6610 ,6692 ,6774 ,
6852 ,6930 ,7006 ,7080 ,7154 ,7224 ,7292 ,7360 ,7424 ,7486 ,
7546 ,7606 ,7662 ,7716 ,7768 ,7818 ,7864 ,7910 ,7952 ,7992 ,
8030 ,8066 ,8100 ,8130 ,8158 ,8184 ,8206 ,8228 ,8246 ,8260 ,
8274 ,8284 ,8292 ,8298 ,8300 ,8300 ,8298 ,8292 ,8284 ,8274 ,
8260 ,8246 ,8228 ,8206 ,8184 ,8158 ,8130 ,8100 ,8066 ,8030 ,
7992 ,7952 ,7910 ,7864 ,7818 ,7768 ,7716 ,7662 ,7606 ,7546 ,
7486 ,7424 ,7360 ,7292 ,7224 ,7154 ,7080 ,7006 ,6930 ,6852 ,
6774 ,6692 ,6610 ,6526 ,6440 ,6354 ,6264 ,6176 ,6084 ,5992 ,
5898 ,5804 ,5710 ,5614 ,5516 ,5418 ,5320 ,5220 ,5120 ,5018 ,
4918 ,4816 ,4714 ,4612 ,4508 ,4406 ,4304 ,4200 ,4096 ,3994 ,
3892 ,3788 ,3686 ,3584 ,3482 ,3382 ,3280 ,3180 ,3080 ,2982 ,
2884 ,2786 ,2690 ,2596 ,2502 ,2408 ,2316 ,2224 ,2136 ,2046 ,
1960 ,1874 ,1790 ,1708 ,1626 ,1548 ,1470 ,1394 ,1320 ,1246 ,
1176 ,1108 ,1040 , 976 , 914 , 854 , 794 , 738 , 684 , 632 ,
582 , 536 , 490 , 448 , 408 , 370 , 334 , 300 , 270 , 242 ,
216 , 194 , 172 , 154 , 140 , 126 , 116 , 108 , 102 , 100
};
TIM1设置为中央计数模式，开启互补通道，设置死区时间，死区时间是多少个时钟计数周期，比如TIM1计数周期是72M，设置为72就是1000ns。
spwm频率设置为10k，然后TIM1每个通道的比较值达到时更新比较值。
调制度m范围为0~1,设为0.7。
正弦调制波的频率是自己设置的，方法是f=载波频率/表中点数，这里设置的是载波频率10K，取250个点
得到的正弦频率就是40HZ，改变载波频率为50*250就得到了50hz的正弦波输出。正弦表可以用取点工具。
将程序下载到stm32f103单片机，PA8、PA9两个引脚输出spwm波形是相差120度的，如图。
互补通道波形相反，且有死区时间。
将以上程序加到一起就可以实现啦！
刚学习不久，有很多不足之处还请大家多多包涵和指正
后续持续为大家分享电力电子知识。。。