SPWM

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。本文主要详解stm32产生spwm原理及程序,首先来了解一下生成SPWM波的基理是什么,具体得跟随小编一起来了解一下。

生成SPWM波的基理

由于正弦交流量是典型的模拟量,传统发电机难以完成高频交流电流输出,而功率半导体器件于模拟状态工作时产生的动态损耗剧增,于是,用开关量取代模拟量成为必由之路,并归结为脉冲电路的运行过程,从而构成了运动控制系统中的功率变换器或电源引擎。典型的H桥逆变电路很容易理解(图1a)

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对角联动的两个开关器件和与之对应的另一组对角桥臂同时实施交替的开关作业时,建立运行后,流经负载的电流即为交流电流(图1b),考虑到功率器件关断时的滞后特性避免造成短路,通常都做成(图1c)的波形结构。显然开关器件输出的是方波(矩形波)交流电流。
  
在交流应用场合,多数负载要求输入的是正弦波电流。
  
电工学认为,周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分量的集合,或者是非正弦波也可以分解为相位差和频率不同的正弦波以及直流分量。
  
不良波形或失真严重的正弦交流量必然产生大量的低次、高次及分数谐波,丰富的谐波分量与基波叠加的情景使得正负峰值几乎同时发生,换向突变时急剧的运动状态将对负载造成冲击并导致负载特性的不稳定或漂移,又加重了滤波器件的负担,损耗也随之增大,非但降低了电网的功率因数,还对周边设备造成不良影响。
  
在高频化和大功率电力变换场合,装置内部急剧的电流变化,不但使器件承受很大电磁应力,并向装置周围空间辐射有害电磁波污染环境,这种电磁干扰(Electro Magnetic Interference简称EMI)还会引发周围设备的误动作及造成电能计量紊乱。抑制谐波和EMI的防御仍为重要课题或技术指标。
  
可见,简单的方波在功率应用场合下显示出了不尽如人意的一面。当然,在不触及负载特性、能量转换效率、环境污染和系统综合技术指标以及小功率应用场合的前提下,就控制方法而言则显得容易些。
  
自然采样法是一种基于面积等效理念的能量转换形式,其原理极为简单而且直观,并具备十分确切的数理依据,通用性及可操作性也很强。当正弦基波与若千个等幅的三角载波在时间轴上相遇时,并令正弦波的零点与三角波的峰点处于同相位(图2a),所得的交点(p)表达为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值,交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲群(图2b)。
  

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由此,SPWM波的基本概念是每一周期的基波与若千个载波进行调制(载波的数量与基波之比即为载波比),并依次按正弦函数值定位的有效相位区间集合成等幅不等宽且总面积等效于正弦量平均值的正弦化脉冲序列。对应于正弦量的正负半周,实施双路调制或单路分相处理及放大后,控制驱动功率开关器件运行,最终得正弦化交流量的样本波形如(图3)所示,滤波后流经负载的电流即为正弦波电流。
  

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stm32产生spwm原理及程序

SPWM波的形成原理

利用正弦波的各点幅值成正弦变换的思想,我们可以类似的采取在一系列方波中,让占空比中高度不变,占空比大小呈正弦变换的这样的一种做法,这样占空比大小呈正弦变换的波我们称之为SPWM波。网上有生成正弦波采样点数组的软件,可以选择采样点数和精度。本次实验中就需要用这个软件来产生我们需要的正弦表。

STM32产生SPWM程序

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在UPS等电力电子设备中,控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波,谐波含量较高,滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。

目前SPWM的产生方法很多,汇总如下:

1)利用分立元件,采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂,实现困难且不易改进;

2)由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波,SA828是由规则采样法产生SPWM波的,相对谐波较大且无法实现闭环控制;

3)利用CPLD(复杂可编程逻辑器件)设计,实现数字式SPWM发生器;

4)基于单片机实现SPWM,此方法控制电路简单可靠,利用软件产生SPWM波,减轻了对硬件的要求,且成本低,受外界干扰小。

而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展,尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的外围功能模块(CCP),利用此模块更容易通过软件实现SPWM,且具有更快的执行速度。

本文采用软硬件结合设计的方法,利用面积等效法,并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的SPWM控制。

1、面积等效的SPWM控制算法:

目前生成SPWM波的控制算法主要有4种:
(1)自然采样法;
(2)对称规则采样法;
(3)不对称规则采样法;
(4)面积等效法。

理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小,对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算,所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现SPWM控制,其原理如图1所示。

基于PIC单片机的SPWM控制技术

图1 SPWM面积等效算法 利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则,将正弦波的正半周分为N等分,则每一等分的宽度为π/N弧度,利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值,将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中,以供程序调用。 脉宽产生的基本公式为
基于PIC单片机的SPWM控制技术

式中:M为调制度; N为载波比,即半个周期内的脉冲个数,实验中N取64; k取值为0~63。由式(1)计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽,再由宽到窄的64个值的表。

2、软硬件结合试验系统:

以PIC单片机内部的两个外围功能模块(CCP)为基础,利用该模块具有的PWM功能,软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路,经隔离放大后驱动IGBT逆变器,实现对输出的控制。

2.1 硬件设计

试验硬件系统如图2所示。

选择PIC单片机的中档系列,该系列单片机的主要特点有:

(1)具有高性能的RISCCPU;

(2)除程序分支指令为两个周期外,其余均为单周期指令,且仅有35条单字指令;

(3)8K%26;#215;14个FLASH程序存储器,368%26;#215;8个数据存储器(RAM)字节;

(4)中断能力强,达到14个中断源;

(5)外围功能模块丰富,含2个16位寄存器的CCP模块,具有PWM功能;

(6)含3个定时器,其中与PWM功能相关的定时器2(即TMR2)带有8位周期寄存器,且带有8位预分频器和后分频器。

基于PIC单片机的SPWM控制技术

图2 硬件试验系统 逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件,它的控制级为绝缘栅场效应晶体管,输出级为双级功率晶体管,因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关频率相对高,驱动功率小,构成的功率交换器输出电压纹波小,线路简单,是当今最具有应用前景的功率器件。

2.2 软件设计

2.2.1 PIC单片机的设置

试验中设置SPWM的频率为20kHz,并外接20MHz晶振信号,计算得指令周期即计时步阶为0.2μs。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定,且以定时器2(TMR2)作为PWM的时基。

相关寄存器的设置如下:  

(1)SPWM周期的设定由寄存器PR2设定

(PWM)周期=(PR2+1)%26;#215;4%26;#215;Tosc%26;#215;(TMR2)预分频(4) 试验中Tosc为20MHz,为提高分辨率,TMR2预分频设为1:1,由此计算得PR2=0XF9;

(2)定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定 因为SPWM频率高,周期短,在每个周期内完成脉宽的调整比较困难,故在此寄存器中设置后分频为1:3,这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值;

(3)2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定 两个CCP模块控制寄存器的设置类似,选择CCP模块作用于PWM功能模式,即bit3:0=11ⅹⅹ。

(4)CCPR1L脉宽写入寄存器 写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H,通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。

(5)寄存器TRISC 对应于CCP1和CCP2的输入输出设置,应设置为输出形式,即TRISC的bit2:1=00。

2.2.2 SPWM波形产生的实现过程

软件控制PIC单片机使之产生SPWM波形?首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器,当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数,同时CCP模块引脚输出高电平。 当TMR2≥CCPR1L时,PWM功能引脚开始输出低电平。 当TMR2≥PR2时,则TMR2=0,重新开始另一个周期计数,PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高,即TMR2IF=1,转去执行中断服务程序。 因实验中设置TMR2后分频为1:3,故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表,将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。

下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值,也就是说脉宽的变化在中断程序中实现,中断程序流程如图3所示。

基于PIC单片机的SPWM控制技术

图3 中断服务程序流程图 程序中利用标志位F实现SPWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时,CCP1输出PWM波形,CCP2设置输出为0电平;在F=0时,CCP2输出PWM波形,CCP1设置输出为0电平。

3、试验结果与分析

由PIC单片机产生的SPWM波可由示波器测出。由于SPWM频率为20kHz,程序中又设置每3个脉宽相等,故在示波器中不能清楚地看到脉宽从最小到最大的完整的变化过程。由PIC单片机的CCP1引脚输出SPWM波形的一段如图4所示。

基于PIC单片机的SPWM控制技术

这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽,符合SPWM的变化规律。 图4 SPWM波形的一段 试验中由PIC单片机的两个CCP模块产生两路SPWM波,将这两路SPWM波变换成4路后经隔离驱动逆变系统的IGBT。产生的两路SPWM波形分别对应正弦波的正负半波,完整周期的两路SPWM互补波形如图5所示。
基于PIC单片机的SPWM控制技术

图5 两路互补的SPWM波 试验系统在直流电压为30V时负载运行所得正弦波如图6所示,可知周期为19.9ms,满足工频要求。
基于PIC单片机的SPWM控制技术

图6 负载正弦波 试验系统为单相全桥逆变系统,这种工作模式有明显的倍频效应。倍频效应有利滤波,也可以降低器件的开关频率,减小开关损耗。又因为本试验系统采用面积等效法,相对于规则采样法谐波抑制能力较强。谐波分析后可在低电压时基本无偶次谐波,且所含奇次谐波幅值较小,能满足UPS逆变系统对谐波的要求。

4、结语

本文介绍的基于PIC单片机的SPWM控制技术很好地把软硬件技术结合在一起,针对规则采样法谐波大的缺点,利用面积等效法较好地抑制了谐波。本文给出了具体的硬件试验系统及软件设计,分析试验结果波形后表明此方法输出谐波较小,在对输出波形质量要求较高的UPS逆变系统中有较强的实用价值。如今PIC单片机应用越来越广泛,电力电子技术发展越来越快速的阶段,这种软硬件结合的控制技术在其它很多应用领域也有较大的发展空间。

转自:博客园 - 奔流聚海

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