基于STM32F103的三相SPWM軟件設(shè)計(jì)

張奇志　張 濤

(西安石油大學(xué)鉆機(jī)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065)

?

基于STM32F103的三相SPWM軟件設(shè)計(jì)

張奇志張 濤

(西安石油大學(xué)鉆機(jī)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065)

摘要：基于對(duì)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速控制的目的，在闡述SPWM輸出原理基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。采用規(guī)則采樣法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)查表法及相序延遲120°完成三相擬合，獲得三相互補(bǔ)SPWM輸出信號(hào)，所得三相互補(bǔ)SPWM輸出信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)三相鼠籠式異步電機(jī)。

關(guān)鍵詞：STM32F103; SPWM; 規(guī)則采樣法

近年來(lái),隨著單片機(jī)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展,在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

STM32F103ZET6微控制器采用最新的Cortex-M3內(nèi)核，集高性能、低功耗于一體，被應(yīng)用于諸多嵌入式領(lǐng)域。相對(duì)于PWM控制而言，STM32具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其高級(jí)定時(shí)器可產(chǎn)生互補(bǔ)PWM輸出，并且具有死區(qū)控制。

本次研究提出采用STM32F103ZET6單片機(jī)產(chǎn)生三相六路SPWM的設(shè)計(jì)方法，利用微控制器集成PWM輸出模塊結(jié)合相序延遲120°輸出三相SPWM信號(hào)。

1SPWM生成原理

脈寬調(diào)制技術(shù)是調(diào)制波選用正弦波信號(hào)，載波選用頻率為正弦波頻率N倍的等腰三角波信號(hào)，將該調(diào)制波和載波進(jìn)行波形比較來(lái)等效地獲得模擬波形[1]。

對(duì)稱規(guī)則采樣法作為SPWM數(shù)學(xué)模型之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,計(jì)算相對(duì)精確而得到廣泛應(yīng)用[2-3]。在圖1中三角載波負(fù)峰值處引垂線,交調(diào)制波于C點(diǎn),過(guò)C點(diǎn)作水平線與載波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)。以同樣的方式采集載波周期內(nèi)的輸出量,得出正弦脈寬波形[4-5]。設(shè)正弦調(diào)制波的函數(shù)為:

ur=Ursin(ωrt)

(1)

圖1　對(duì)稱規(guī)則采樣法

根據(jù)三角形相似原理可得：

(2)

式中：Ur—— 正弦調(diào)制波峰值；

Uc—— 載波峰值；

Tc—— 載波周期；

ton—— 調(diào)制出的脈沖寬度。

將式(1)代入式(2)，可得：

(3)

(4)

令一個(gè)周期內(nèi)采樣數(shù)量為N,則第i個(gè)脈沖波寬度δA可表示為:

(5)

(6)

故

(7)

(8)

(9)

2SPWM軟件設(shè)計(jì)

在SPWM原理基礎(chǔ)上，根據(jù)規(guī)則采樣法，采用查表法，利用STM32F103ZET6的高級(jí)定時(shí)器TIM1產(chǎn)生三相互補(bǔ)6通道輸出SPWM?？刂葡到y(tǒng)流程如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)程序流程圖

定時(shí)器時(shí)鐘經(jīng)16位預(yù)分頻器(TIMx_PSC)分頻后給計(jì)數(shù)器(TIMx_CNT)提供時(shí)鐘，輸出比較寄存器(TIMx_CRRx)和重裝載寄存器(TIMx_ARR)的數(shù)值并不斷與計(jì)數(shù)器比較。當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值與重裝載寄存器相等時(shí)，翻轉(zhuǎn)并輸出信號(hào)；當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值與輸出比較寄存器相等時(shí)，翻轉(zhuǎn)并輸出信號(hào)，并產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，中斷處理中比較寄存器(TIMx_CRRx)不斷更新比較值，控制PWM的脈寬PPWM。

(10)

給預(yù)分頻器TIMx_PSC和寄存器TIMx_CRRx賦值即可確定三相六路SPWM的輸出信號(hào)頻率fSPWM:

(11)

式中：N為脈沖信號(hào)的載波比，實(shí)驗(yàn)中其值定為 320；TIM_CLK為定時(shí)器時(shí)鐘，實(shí)驗(yàn)中其值定為72 MHz。

3實(shí)驗(yàn)及分析

測(cè)試過(guò)程中使用型號(hào)為UNI-T的示波器，測(cè)試開(kāi)發(fā)板采用正點(diǎn)原子STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板。

使用示波器觀測(cè)TIM1的一對(duì)互補(bǔ)PWM端口 PA8、PB13輸出波形如圖3所示，其對(duì)應(yīng)的MDK仿真圖如圖4所示。

圖3　使用示波器觀測(cè)到的一組PWM波形

圖4　軟件仿真對(duì)應(yīng)的一組PWM波形

頻率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知輸出信號(hào)基波頻率存在一定的誤差，造成誤差的主要原因是微處理器的時(shí)鐘頻率只有72 MHz。

表1　頻率跟蹤測(cè)試表

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，該SPWM波形相位差及頻率變化穩(wěn)定，能夠給功率驅(qū)動(dòng)模塊IPM提供穩(wěn)定可靠的

控制信號(hào)，能順利驅(qū)動(dòng)三相鼠籠式異步電機(jī)并進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992：53-55.

[2] 臨渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005：89-92.

[3] 陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001：107-114.

[4] 吳紅星,謝忠武,張強(qiáng).基于DSP的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008：23-29.

[5] 李寧.ARM開(kāi)發(fā)工具Realview MDK使用入門(mén)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008：65-72.

Software Design of Three-Phase SPWM Based on STM32F103

ZHANGQizhiZHANGTao

(Key Laboratory of Drill Control, Xi′an Petroleum University, Xi′an 710065, China)

Abstract:Based on three-phase squirrel cage induction motor variable frequency speed control, the purpose of this article expounds the principle of SPWM output based on the software design. With the help of mathematical model of rule sampling method, the complementary three-phase SPWM output signal could be obtained through the look-up table method and phase sequence delay of 120 degrees. The complementary three-phase SPWM output signal can drive three-phase squirrel cage induction motor.

Key words:STM32F103ZET6; SPWM; symmetrical sampling algorithm

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2016)01-0085-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TM769

作者簡(jiǎn)介：張奇志(1965 — )，女，教授，研究方向?yàn)殡姎饪刂啤?/p>

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“脈沖負(fù)載運(yùn)動(dòng)裝置電控系統(tǒng)的研發(fā)”(2011KTCQ01-14)

收稿日期：2015-09-21