基于STM32的SPWM逆变电源控制信号电路设计 蒿书利，，庹先国：，王洪辉：，余小平· (I．成部理1：大学f青息科学与技术学院．四JI『成都610059： 2地质吠j#防治与地质环境f!15护旧家嚣点襄r蛉宰，四川成都610059) 摘要：SPWM技术不仅能够实时、准确地实现变压变频控制要求．而且可以有效抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分 量。提出一种基于STM32系列微控制器控制生成SPWM信号的设计方法．采用STM32F100RB微处理器的PWM输 出模式控制输出SPWM波形．采取DMA控制代替中断处理以节省CPU时间．辅以有源滤波、信号整形电路等。实现了 三相SPWM互补输出、可键控设置频率、频率跟踪以及可设置死区时间等功能．能够满足逆变电源】}I统的要求。 差键词：逆变器；SPWM；STM32：DMA 中国分类号：TM 464 文章编号：1002—087 X(2012)09—1348—03 文献标识码：A Design of SPWM inverter power control signal circuit based on STM32 HAO Shu—li‘．TUO Xian·guo二，WANG Hong．hL—YU Xiao-ping。 (1．Co／lege01Intbrmadon ScienceⅢ吲TechnoloK’．Chengdu unfvem睁of Technoto,93,，Chengdu Sichuan610059,China； 2 Stale Key Laboratory nrGeohazatd Prevenlion and Geoenvironment Protection，Chengdu$ichuan 610059．Ch／naJ Abstract：SPWM modulations can achieve lhe requirements of real—time accurate WVF contr01．and can suppress harmonic components of the power inverters output voltage or current．A design of SPWM signal generation based on the sTM32 series microcontroller was presented with PWM outpuI mode of STM32F1∞RB microprocessor Io produce SPWM wanes and DMA controller instead of the interrupt handling to save CPU time．integrating with active filtering and signal shaping circuit．It can control and output the three-phase bipolar SPWM wave．and realize functions such as complementary three-phase waveform output．setting the frequency via the keyboard．tracking frequency．and setting lhe dead time．and can wel『mee¨he requirements ofinveder power system． Key werds：power inveders；SPWM：STM32；DMA 近10年来．随着光伏井网发电系统嗣I风力发电系统、乍 载电源等多种供电技术的发腱，蓄IU池等储能设备逐渐成匀 件电路较复杂。严俊高m等研究运用SPWM专用芯片SA928 系列与微处理器直接连接生成SPWM波。此方法生成的SP- 主墼的供电装置．I嘶I述系统般为交流T频供电伍戡．㈨ wM波形参数常常受到等用芯片的限制。易小强H等用DSP 此．需要逆变电源将蓄电池的直流电能变换成交流电。此外． 柱交流不问断电源、坐频渊速器、心急电源EPS(Emergence Power Supply)、常电电源SPS(Shore PowerSupply)等lU源系统 巾．逆变电源也被J-+泛应州逆变IU泺控制f占号电路件为逆变 电源的核心电子系统，j车性能优劣、成本高低等血接壹}；响髂个 电源系统的性能I}i豫波脉宽捌；liJJ(SPWM)是逆变IU跚的核心 技术：沙德尚等I-J提f|j r在变换器·f·f擘输高频的SPWM波使 整个变换系统具有高效、高功率密度．输il；波形谐波禽髓少的 特点。 实现i相SPWM输出，丁卫东Pl等则利用FPGA来生成SP- WM波．此类方法虽然隹成SPWM的质量性能较好，可灵活改 变输…波彤参数，但成本也相对较高。 sTM32系列32位闪存微控制器使用了ARM公司最新 的Cortex—M3内核，该内核集高性能、低功耗、低成本于一体． 能够心川F晰多嵌入式领域。对于PWM控制，STM32具有独 特的优势，即定时器”r产生6路PWM输出，具有互补输{lj和 死I刈奎制：具有硬件上的乘法和除法单周期指令；STM32的嵌 套【；l啵巾断拄制器把巾断之间延迟降到6个CPU周期等。 口前SPWM的产生电路有很多利t，最肚础的，J法是干lJJlJ 奉文提出采用STM32F系列单片机STM32F100RB产生 分立元件，采用模拟'数字混和电路巾成波．胡廊洪{：1锋研究厂 用数．模硬件电路产生正弦脉宽调制(SPWM)信号，此方法硬 收稿日期：2012-02—10 基金项目：团京杰出■年科学基盒(41025015)；四川省科技支撑 计划《2011SZ0182 l：地质灾謇防治与地质环境保护圆寒■点实验宣 基金(SKLGP20102002 I；成都市科技攻关计划(10GGYB323Gx} 作者简介：篙书利I 1986--)．女。河北省人．硕士研究生．主要研 究方向为删控技术和●片机技术的应用。 SPWM的设计方法，利用微控制器集成的PWM输出模块产 ，L SPWM信号。此方法设计的电路简单，直接利用软件编程即 可产生SPWM信号，降低了系统对硬件电路的要求，可靠性 高．成本低．丌发周期短。 完全按照模拟控制的方法，计算正弦调制波与i角载波 ：托1Z j V5I：36；：,io 9 万方数据 。I_：饕博 

的交点．从而求H{牛¨成的脉宽和脉冲州歇时刻．生成SPWM波 DMA——Delnit(DMAI—．Channel2)： 彤．称为自然采样法…1fl『在实际1+程麻用f-'一般耍求算法尽 可能简单，只望误差不人，允许作·牡近似处理，这样就提出 J’各种规则采样法I 71规则采样法的m发点是设法在：彳fj载波 的特定时刻处确定止强调制波的采样电压值，使脉冲的起始 和终止时刻对称，这样就容易计算f|{zt应下每一个SPWM波 的采样时刻，并且只螫载波比足够大，小『司的阶梯波都很逼近 正豫波，所造成的误差较小，可以忽略不计．鉴丁二规则采样法 的算：法丰}f对较简单，日所造成的误筹是T程上能够允许的．本 系统采_L}I舰!lI|J采样法 根据前述的规则采样法．术设计采用食表法．利用 STM32F100RB的高级定时器TIMI㈣产生i相互补六通道输 m SPWM信号SPWM信号产生流程图如图I所示，定时器 时钟(24MHz)终16位预分频器(TIMx PSC)分频后为计数 器(TIMx )提供时钟，重装载寄存器( )和输_CNT TIMx ARR f|{比较寄存器(TIMx CCRx)ff,J数值不断与计数器比较．出计 数器的数值与重装载寄存器相等时．翻转输出信号当计数器 的数值与输f『{比较寄存器相等时．翻转输}{{信号．jf产生 DMA巾断请求，ffI断处理c和对比较寄存器TIMx CCRx不断 更新比较值．控制PWM的脉宽心。，： 取Flash存储器巾正弦表的值不断更新TIM CRR的值使 脉宽P一按照正弦变化．为预分频器TIMx PSC和 TIMx—ARR寄存器贼值即可确定六通道SPWM输…信号的 频率《。州： (2TIM ) ．TlM CLK ‰”2而F了菇茹面丽 十 ^9悱一TIM PSC×TIM ARRxN r嚣、 CLK 式巾：N为SPWM f占号的载波比．本设计载波比可设置为90 或180 DMAInitStructure DMA—PeripheralBaseAddr = TIMl—CCRI—Address， DMA_InitStructure DMAMemotyBaseAddr = (u321 &TIMI_CCRI Value； DMA—lnitStmcture DMA—DIR=DMA—DIR PeriphemlDST： ／／双向传输 DMA一[nitSmtcture DMA—Bufl’crSize=90； ／／仃储lF 豫袁长 DMA InitStructure DMA—Peripherallnc = DMA-Peripherallne—Disable；Ⅳ外没地址小递增 DMA-[nitSmtcture DMA—Memorylnc 5 DMA MemoryInc—Enable； DMA InilStruclure DMA—Pefiphera[DataSize 2DMA—PeripheralDataSize—Half'Word： DMA—InitStrucmre DMA—Memot3tDataSize = DMA—MemoryDataSize_HalfWord； DMAInitSltucture．DMA-Mode 1 DMA—Mode』ircular； DMA一[nitStmcture DMA-Pfiod口一DM^-Priority_High； DMA一[nitStmcture DMA M2M=DMA—M2M—Disable：／／不足 存储勰刮存储器 DMA—Init(DMAl—Channel2．&DMA_lnilStructure)； DMA—cmd(DMAI—Channel2．ENABLE)；l／于J歼DMAI通道 2 采用连续单周期测频设嚣频牢的打法，用STM32的通用 定时器TIM3测频．将洲量值送到TIMI的奇1罕器．控制 SPWM频率。 主要包括STM32F100RB最小系统、四阶巴特沃斯有源滤 波、信号整形电路、键盘以及LCD鼹示电路等组成．原理网如 图2所示，STM32FIOORB单片机控制输出i相瓦补六路 SPWM信号．经有源低通滤波电路后输出I卜弦波，频率跟踪功 能的实现需要将输入跟踪信号整形为方波送到单片机测量频 章 7． ¨) (2)频率跟踪 …“．；。。．。。。．。，．．。．·◆一 -1船：曹-粥‘黑 一 -—画b． 图1 SPWM信号产生流程图 卜÷ 卜．．：?：。 南一 此外，nr根据需要埘TIMx BDTR寄存器巾的7加位设 置北区时问，对六通道的呸补输出PWM进行死区配置 (1)DMA控制 DMA即直接存储器仔取_}}j来提供n：外设和存储器之问 或者存储器和存储器之问的高速数据传输．无须CPU任何十 预．这就节省r CPU的资源来做其他操作、系统采用STM32F 的DMA控制器，将正弦表预先存人Flash仔储lx-，当定Ⅱ寸器 TIMERl产生DMA请求时，直接读取到CCR比较寄存器|{l DMA控制器的主要设置部分如下： RCC—AHBPeripbClockCmd(RCC AHBPeriph DMA]，ENABLE)： ／／}f船DMA时钟 ■●—一 国2系统设计框图 采用巴特沃斯4阶有源滤波电路．截止频率为l kHz二输 人信号褴形电路采州LM311比较器。电路原理图如图3所 不、 根据f‘述没计思想完成了基于STM32F的SPWM控制信 万方数据 ；3毛§ 

锢弛厂碱-—于钎。… 薏兰：蓠一m 磋兰：一讯㈣m 图3 滤波和整形电路图 号产生电路设计，并进行了信号输出性能测试和分析。所采用 的标准测试设备包括：数字台式计频器(FC2700)、数字存储 示渡器(TDS2012B)、数字合成函数信号发生器(FIOA)= SPWM波和滤波后正弦波的示波器显示波形如同4所 示，SPWM基波频率为50Hz，载波比为90。正弦脉宽调制信 号与正弦信号相对应，该系统能够得到更宽的频率范嗣(O～l kHz)，载波比可设置(90或者1 80)。 + }出酉咖 采宽限籼■…” ，．一＼ 唧 ．＼～一／／ 、＼蒜唧 1#／借 圊4 SPWM输出和正弦波 图5所示为SPWM三相输出波形中的两相经过低通滤波 后的正弦波，频率均为50 Hz．周期20ms，光标时间差为6．6 ms，为120。的相传差。 类型哪 信滑 哪 + ． 图5 三相SPWM具有三路互补输出，互补波形如图6所示．死 区时间设置为125 ns。 如图7、8所示SPWM波进行傅里叶变换得到的频谱图． 基波频率为200Hz，载波比为90。由图7所示频谱图可看出 SPWM的高次谐波成分是以1 8kHz(90x 200)为间隔。且谱 线幅度变化趋势随频率增高而呈收敛状，高次谐波幅值小，总 谐波畸变率低，得到波形的正弦度就较好。图8中光标(Pos) ～～～～…。。■， lIu t∞v MⅫu‘ 19一May一”03：32 nI一‘ ‘1'Ⅲ： 图6 SPWM互补输出波形 Tek儿 ● ?-Nov一11 11：14

俐4为UC3842自身振荡波彤．j引，UC3842的I：作振荡 频率为100 kHz．符合本电源的设计要求。周5为6引脚输出 的PWM脉冲驱动场效应管KI 317罔巾显小占空比为33％． 小了：设汁变爪器¨寸所取的景大IIi空比45％．符合设计要求。 表2嗣I表3～i袤开关电源牵载和带载测斌结果．其中5 V 带载3n，15 V带戴20n。实验丧明泼，l：芰电源纹波小．负载 调整率高．稳压效粜好。 对所研发的开关电源进行性能测试．得到r如图4技l堇|5 所示的实验波形和表2及表3所示的测试数据。 霈一 ；～ an；‘●w 咖溉 竺，婴。誉氮 CHI C心，2●～ 图4 UC3842振荡波形 心『＼心蔓 } ·-*m№聊 圈5 PWM驱动脉冲 绛调试和实验后．i嶷电源性能达到设i r《求．能够枉下业 用i柑交流电环境下稳定T作．给功率驱动模块提供稳定可 靠的_r=作电源。采用该开关电源减少r供电殴备的体积和系 统能耗．提高李问利用率．达到r预期【|的 【I】张占松．襄宣一i开荚电源的原_IIl!’ji殳汁【M】北京+电子T业m版 |t．2005 [2】刘俊基J’UC3842的多输小Jf艾电源设it[J]电源技术．2009． 【3】3 25(5}：189-19I． PATELLA B J，PRODIC A．ZIRGER A Hi曲-frequency digital PWM controller IC for DC—IX"conveners[J]IEEE Transaclions on Power Electronics．2003．18f1)：438·446． 【4l术鸿斋，谢占华．陈志强变频器川多功能肝荚电源没i_tlJ]电力 ￡I动化}殳晶，2008．28(1)：105．1∞． (上接第1350页) SPWM波的硬件、软件实现方法、通过电路设汁和软件开发． 完成了SPWM控制信号产生电路的设计．测试分析表明：系统 的基波频率范嗣为0～I kHz，频率跟踪最大相对误差o 25％； 死区延时0～126“s；调制个数90和1∞可选．系统能够满足 实际要求。 由于采用的STM32F100RB单片机是STM32F系列巾低 成本的型号之一．T作频率较低(只有24 MHz)，限制了生成 SPWM信号频率范围和精度。如改用较高端的STM32F10x单 片机(最高频率达72MHz以上)．可满足高精度、宽频带的 SPWM信号产生要求。本设计利用软件控制生成SPWM信 号．硬件电路简单．只要对软什稍加改动就It川J到各类交流逆 变器驱动控制系统巾．具有一定的应朋价值。 沙德尚．孙晓+孔力一种新额的燃料电池功率谰带系统…电源技 长．2003．27(4)：343·412 【2】胡应洪，靳光明．Ⅲ于逆变器SPWM电路世itlJl湖北第二师范 学院学报，2011．28(2)：97．100 【3】严俊商．叶国甲墟r々川芯SA828的Ⅱ：幢脉宽谢制控制方法的 实观【J】．机床电：}：；．2008(6)：44-45 14】易小强，裴雪军．侯婷，等．毓下DSP组合式：柑逆变电源单饭倍顿 【5】 SPWM研究IJl电力电了=技术．2007．4“61：77．I ol J‘J’东，郭前尚同两峰．，一种基于。FPGA的SPWM渡的J吏时生成 ^法【J】计算机技术’j发展．20ll，2l【2}：2 JI．214 【6】钳万民．鄙小利．居荣．等．基于等面积法的多电平逆变器SPWM 【7】 "法【J】．电1：技术学报．2010．25(3)：89-96， I学风．李旭存．辞_盘=轩．等舡弦波逆变电路曩验的政i r·i宴践 lJ】实验技术与管理．2010·．27(8)：135—138． 【81 RM0008 Reference Manual—STM32F101xx．STM32F102xx．S1M32一 F103 xx．STM3 2F105xx and STM32F107xx adYanced ARM．based 32·bitMCUs[EB／OL]12012-02-021 hllp：／／www．st r．|Olll 万方数据 ，‘￡嘲 2C{2．S ’0j。：精pi÷)．∞ 

基于STM32的SPWM逆变电源控制信号电路设计 作者： 蒿书利， 庹先国， 王洪辉， 余小平， HAO Shu-li， TUO Xian-guo， WANG Hong-hui， YU Xiao-ping 作者单位： 刊名： 英文刊名： 蒿书利,余小平,HAO Shu-li,YU Xiao-ping(成都理工大学信息科学与技术学院,四川成都,610059)， 庹先国,王洪辉,TUO Xian-guo,WANG Hong-hui(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都,610059) 电源技术 Chinese Journal of Power Sources 年，卷(期)： 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dianyjs201209029.aspx 2012,36(9)