STM32实现的SPWM控制电路设计 -

标题: STM32实现的SPWM控制电路设计 [打印本页]

作者: ·smilence 时间: 2019-9-10 09:37
标题: STM32实现的SPWM控制电路设计
内容如题，文档内已说明编程思路，附少量代码(不完整)、原理图以及实物图。

本设计选用 STM32F103RC Mini 开发板，以 STM32F103RC 为控制核心，辅以光耦合器驱动电路和 SPWM 逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由STM32F103RC 输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制 IGBT 功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经 LC 低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。

在逆变器电路的设计中，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，而SPWM 技术较好地克服了这些缺点。本设计室基于 STM32F103RC来实现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。

本系统由电源模块、控制模块、逆变模块、光耦驱动模块、滤波模块等5大部分组成，设计系统的总体结构框图如图 3.1 所示。

电源模块：根据实验室现有的条件，本系统的电源由两台稳压电源提供 3路直流电压。控制模块：由 STM32F103RC 开发板构成，运行系统程序并通过扩展GPIO口控制自主设计的各子模块工作。光耦驱动模块：因为 STM32F103RC GPIO口输出电压最大为 3.3V，不足驱动 IGBT 模块，经由 PS2501 光耦合器元件放大并驱动全控型器件。逆变模块：由于实验室条件原因，由 STM32F103RC 输出经过光耦元件放大的信号当作是逆变后的电压。滤波模块是由 LC 构成的二阶低通滤波电路，使之输出正弦波。

控制电路主要是由 STM32F103RC 最小系统构成的，STM32F103RC 的定时器 1有 4 个通道，可以同时输出 4 路 PWM 波，这里使用通道 1 作为输出 SPWM 波的端口，对应默认的端口是 PA8，因为查询手册可以知道 TIM1的CHN1默认的复用端口就是 PA8，在初始化定时器的时候不用使能端口复用时钟。
因为 STM32F103RC 输出的引脚电压最高为 3.3V，在实际中不足以驱动电力电子器件，同时为了让主电路与控制电路隔离，保证控制电路的安全，我们添加了PS2501 器件作为光耦和驱动电路，其电路原理图如下：

在实际应用中，SPWM 控制信号对 IGBT 实现控制，最后输出的 SPWM 波要经过低通滤波之后恢复出正弦波，LC 二阶低通滤波可以有效滤除高频成分，最后变为频率50Hz的正弦波。滤波电路如下：

逆变器程序主要分为 SPWM 脉宽调制部分，定时器更新中断处理部分和占空比数据。编程使用的 IDE 和编译器使用的是开源免费的 CoIDE 和 GNU ARM Embedded Toolchain，CoIDE这款编辑器是基于 eclipse开发的，用于 C语言开发和 ARM 程序开发非常方便，加上免费的 GNU ARM 工具链和调试工具，让STM32F103RCT6的程序开发变得极为方便。
4.1 编程思路
本设计将一个周期 T的信号分成10个点（按 X轴等分），两点间的时间间隔由 STM32F103RC 通过定时器中断产生。因此，首先需建立正弦脉宽数据表，由STM32F103RC 初始化时算好，这里通过 Python 科学计算包计算出正弦脉宽数据表。

SPWM 实际上就是用一组经过调制的幅值相等、宽度不等的脉冲信号代替调制信号，用开关量代替模拟量。调制后的信号中除了含有调制信号外，还含有频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量，但几乎不含其他谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此载波频率也即 SPWM 的开关频率越高，谐波含量越少。这从 SPWM 的原理可以直观地看出。当载波频率高时，半周期内开关次数越多，把期望的正弦波分段也越多，SPWM的基波就越接近期望的正弦波[14]。但是，SPWM 的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，SPWM 的开关频率也不宜过高，这是因为开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的 du/dt 或di/dt，会产生强的电磁干扰；高 du/dt、di/dt 还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压；这些也会因频率提高而变得严重。根据SPWM 的规则采样法，如下图

首先对程序进行初始化，初始化之后定时器 1开始工作，定时器满 1ms后程序就进入了中断，读取正弦脉宽数据表中的数值，通过修改TIM1寄存器 CCR1的值来改变下一次占空比，从而实现了占空比按正弦规律变化，得到了调制后的SPWM波形。
SPWM 调制程序流程图如图 4.3所示：

完整的pdf格式文档51黑下载地址：

基于stm32控制的SPWM变频器设计.pdf (1.44 MB, 下载次数: 119)

作者: 烬天s 时间: 2019-10-29 18:26
需要32

作者: 今天你学习了 时间: 2020-5-1 20:13
大神，求原理图

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