STM32實現的SPWM控制電路設計

ID:609634 · 發表于 2019-9-10 09:37

內容如題，文檔內已說明編程思路，附少量代碼(不完整)、原理圖以及實物圖。

本設計選用 STM32F103RC Mini 開發板，以 STM32F103RC 為控制核心，輔以光耦合器驅動電路和 SPWM 逆變電路組成完整的系統。根據采樣控制理論，由STM32F103RC 輸出一系列周期性變化的等幅不等寬脈沖，控制 IGBT 功率開關管的導通和截止，使逆變器輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波。輸出的信號經 LC 低通濾波器濾波后，即可得到所需要的正弦波。改變調制脈沖的寬度可以控制輸出電壓的幅值，改變調制周期可以控制輸出電壓的頻率，從而達到使逆變器的輸出電壓和幅值同時可調的目的。

在逆變器電路的設計中，控制方法是核心技術。早期的控制方法使得輸出為矩形波，諧波含量較高，濾波困難，而SPWM 技術較好地克服了這些缺點。本設計室基于 STM32F103RC來實現SPWM，此方法控制電路簡單可靠，利用軟件產生SPWM波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。

本系統由電源模塊、控制模塊、逆變模塊、光耦驅動模塊、濾波模塊等5大部分組成，設計系統的總體結構框圖如圖 3.1 所示。

電源模塊：根據實驗室現有的條件，本系統的電源由兩臺穩壓電源提供 3路直流電壓。控制模塊：由 STM32F103RC 開發板構成，運行系統程序并通過擴展GPIO口控制自主設計的各子模塊工作。光耦驅動模塊：因為 STM32F103RC GPIO口輸出電壓最大為 3.3V，不足驅動 IGBT 模塊，經由 PS2501 光耦合器元件放大并驅動全控型器件。逆變模塊：由于實驗室條件原因，由 STM32F103RC 輸出經過光耦元件放大的信號當作是逆變后的電壓。濾波模塊是由 LC 構成的二階低通濾波電路，使之輸出正弦波。

控制電路主要是由 STM32F103RC 最小系統構成的，STM32F103RC 的定時器 1有 4 個通道，可以同時輸出 4 路 PWM 波，這里使用通道 1 作為輸出 SPWM 波的端口，對應默認的端口是 PA8，因為查詢手冊可以知道 TIM1的CHN1默認的復用端口就是 PA8，在初始化定時器的時候不用使能端口復用時鐘。
因為 STM32F103RC 輸出的引腳電壓最高為 3.3V，在實際中不足以驅動電力電子器件，同時為了讓主電路與控制電路隔離，保證控制電路的安全，我們添加了PS2501 器件作為光耦和驅動電路，其電路原理圖如下：

在實際應用中，SPWM 控制信號對 IGBT 實現控制，最后輸出的 SPWM 波要經過低通濾波之后恢復出正弦波，LC 二階低通濾波可以有效濾除高頻成分，最后變為頻率50Hz的正弦波。濾波電路如下：

逆變器程序主要分為 SPWM 脈寬調制部分，定時器更新中斷處理部分和占空比數據。編程使用的 IDE 和編譯器使用的是開源免費的 CoIDE 和 GNU ARM Embedded Toolchain，CoIDE這款編輯器是基于 eclipse開發的，用于 C語言開發和 ARM 程序開發非常方便，加上免費的 GNU ARM 工具鏈和調試工具，讓STM32F103RCT6的程序開發變得極為方便。
4.1 編程思路
本設計將一個周期 T的信號分成10個點（按 X軸等分），兩點間的時間間隔由 STM32F103RC 通過定時器中斷產生。因此，首先需建立正弦脈寬數據表，由STM32F103RC 初始化時算好，這里通過 Python 科學計算包計算出正弦脈寬數據表。

SPWM 實際上就是用一組經過調制的幅值相等、寬度不等的脈沖信號代替調制信號，用開關量代替模擬量。調制后的信號中除了含有調制信號外，還含有頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量，但幾乎不含其他諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此載波頻率也即 SPWM 的開關頻率越高，諧波含量越少。這從 SPWM 的原理可以直觀地看出。當載波頻率高時，半周期內開關次數越多，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 的載波頻率除了受功率器件的允許開關頻率制約外，SPWM 的開關頻率也不宜過高，這是因為開關器件工作頻率提高，開關損耗和換流損耗會隨之增加。另外，開關瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的 du/dt 或di/dt，會產生強的電磁干擾；高 du/dt、di/dt 還會在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓；這些也會因頻率提高而變得嚴重。根據SPWM 的規則采樣法，如下圖

首先對程序進行初始化，初始化之后定時器 1開始工作，定時器滿 1ms后程序就進入了中斷，讀取正弦脈寬數據表中的數值，通過修改TIM1寄存器 CCR1的值來改變下一次占空比，從而實現了占空比按正弦規律變化，得到了調制后的SPWM波形。
SPWM 調制程序流程圖如圖 4.3所示：

完整的pdf格式文檔51黑下載地址：

基于stm32控制的SPWM變頻器設計.pdf (1.44 MB, 下載次數: 119)

ID:632207 · 發表于 2019-10-29 18:26

需要32

ID:742491 · 發表于 2020-5-1 20:13

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