STM32上SVPWM輸出的實(shí)現(xiàn)方案

摘要：在STM32F103VET6上實(shí)現(xiàn)了SVPWM輸出。介紹了SVPWM的優(yōu)點(diǎn)及原理。結(jié)合STM32F103VET6上的硬件資源，給出了SVPWM在高級(jí)定時(shí)器上實(shí)現(xiàn)的方式和三相橋式驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。分析了該方案所占用的CPU資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可行，能夠?qū)崿F(xiàn)SVPWM輸出。
關(guān)鍵詞：SVPWM；STM32；定時(shí)器；三相橋式驅(qū)動(dòng)

引言
SVPWM與SPWM相比，是一種比較新穎的控制方法，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形，使直流母線電壓的利用率有了很大提高。SVPWM主要應(yīng)用在變頻器領(lǐng)域，控制過(guò)程中需要對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行變換及計(jì)算輸出時(shí)間，所以整個(gè)過(guò)程有一定的計(jì)算量，使得51單片機(jī)力不從心。人們只能采用價(jià)格昂貴、內(nèi)部資源偏少的DSP作為控制芯片。隨著STM32系列芯片的出現(xiàn)，其豐富的片內(nèi)資源、較高的處理能力、極低的價(jià)格，使其得到開(kāi)發(fā)人員的青睞。

1 SVPWM原理
在傳統(tǒng)的三相橋式驅(qū)動(dòng)電路中，MOS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)一共有8種組合。如果將這幾種開(kāi)關(guān)方式加到三個(gè)相差120°的繞組上，則會(huì)產(chǎn)生8個(gè)電壓矢量。這8個(gè)電壓矢量被稱(chēng)為基本空間電壓矢量，如圖1所示。為了能夠得到一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，SVPWM可以通過(guò)控制8個(gè)基本空間電壓矢量的作用時(shí)間，來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2．1 控制芯片
采用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6作為其控制芯片，其內(nèi)核為ARM公司Cortex—M3，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，包括512K片內(nèi)FLASH、64K片內(nèi)RAM、ADC、SPI、CAN、FSMC等豐富的內(nèi)部資源。STM32F103VET6內(nèi)部包含8個(gè)定時(shí)器，其中有2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，所有的定時(shí)器都包含一個(gè)16位自動(dòng)裝載寄存器。高級(jí)定時(shí)器支持嵌入死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM，而且支持剎車(chē)信號(hào)的輸入，所以非常適合應(yīng)用在變頻器、電機(jī)控制器等場(chǎng)合。
2．2 定時(shí)器工作模式
根據(jù)SVPWM的快速算法可以得到各個(gè)基本空間電壓矢量的作用時(shí)間和輸出順序。知道輸出順序后，就可以確定高級(jí)定時(shí)器的工作模式。由于SVPWM的輸出波形是很對(duì)稱(chēng)的，所以選用TIM1的中央對(duì)齊模式：
TIM_TimeBaseStructure．TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAlignedl；
此模式下，計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)到自動(dòng)加載值減1，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件。然后向下計(jì)數(shù)到1，并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器下溢事件，再?gòu)?開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。
2．3 定時(shí)器計(jì)數(shù)周期
為了提高定時(shí)器的分辨率，直接將72 MHz作為定時(shí)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，沒(méi)有任何預(yù)分頻。假設(shè)SVPWM的調(diào)制頻率為frq，則可以計(jì)算時(shí)間基的計(jì)數(shù)值tpwm：

TIM_CLOCK是定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率，本系統(tǒng)為72 MHz。如果調(diào)制頻率設(shè)為20 kHz，則計(jì)數(shù)器的值則為3 600。
2．4 波形輸出
TIM1的CH1、CH1N、CH2、CH2N、CH3、CH3N通道對(duì)應(yīng)的GPIO引腳須設(shè)為GPIO_Mode_AF_PP模式才能正常輸出。根據(jù)各個(gè)基本空間電壓矢量的作用時(shí)間，可以計(jì)算出TIM1上三個(gè)通道各自的OCRx值。圖2為各個(gè)通道OCRx的值對(duì)應(yīng)的輸出波形。

2．5 中斷子程序
為了減少中斷的時(shí)間，在中斷程序中僅保留了輸出SVPWM所必要的運(yùn)算及對(duì)TIM1必要的操作。整個(gè)程序中的所有的電壓量全部轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值。由于STM32是一款32位的控制器，所以需要參與計(jì)算值都采用Q15的形式，這樣可以在提高精度的同時(shí)保證乘法運(yùn)算不會(huì)溢出。中斷子程序的流程如圖3所示。

2．6 CPU資源占用分析
由圖2可以看出，在定時(shí)器輸出波形時(shí)有兩個(gè)觸發(fā)產(chǎn)生。TIM1_CH4可以用來(lái)觸發(fā)芯片的其他功能(如ADC采樣)，這樣就可以自動(dòng)完成一些工作，避免消耗CPU資源。
為了在一個(gè)周期調(diào)制完成后馬上進(jìn)行下一個(gè)周期的調(diào)制，下次調(diào)制的時(shí)間需要提前計(jì)算，此時(shí)就必須打開(kāi)定時(shí)器的預(yù)裝載功能。在發(fā)生計(jì)數(shù)器溢出中斷后，計(jì)算下一次調(diào)制時(shí)各個(gè)通道的時(shí)間。計(jì)算完成后將結(jié)果寫(xiě)入預(yù)裝載寄存器，以便在下次更新時(shí)寫(xiě)入新的比較值?？梢钥闯?，SVPWM只在中斷中耗費(fèi)了CPU的一點(diǎn)資源用來(lái)計(jì)算，其余全是定時(shí)器自動(dòng)完成，而且在兩次調(diào)制之間沒(méi)有任何延遲。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
3．1 實(shí)驗(yàn)硬件電路
實(shí)驗(yàn)硬件電路包括主控芯片及外圍電路、MOS驅(qū)動(dòng)器和由6個(gè)MOS管組成的逆變器。其部分電路如圖4所示。ADUM3223驅(qū)動(dòng)器的輸入來(lái)自STM32F103VET6中TIM1的CH1和CH1N，兩者為互補(bǔ)輸出。使能輸入端連接到芯片的PE15引腳，并且有一個(gè)4．7 KΩ的上拉電阻。在輸出端的高端設(shè)計(jì)了一個(gè)泵電源，保證高端MOS管能夠可靠導(dǎo)通。R1用來(lái)保證充電速度不會(huì)過(guò)快，可根據(jù)實(shí)際需求更改大小。在MOS管的柵極有一個(gè)限流電阻，用來(lái)防止MOS管漏源極電壓dv／dt太大，導(dǎo)致?lián)p壞。

3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于SVPWM的輸入為αβ坐標(biāo)系下的Uα和Uβ，在讓矢量運(yùn)行軌跡為圓形時(shí)特別困難，所以在輸入端前加入了一個(gè)Park變換算法，使其變?yōu)閁d和Uq。這樣只需要設(shè)置合成矢量的角度和大小，而角度可以人為設(shè)為一個(gè)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的值。圖5為第一扇區(qū)下的調(diào)制輸出波形。圖6為矢量圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出相電壓濾波后的馬鞍波形。

結(jié)語(yǔ)
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)方案可以方便地實(shí)現(xiàn)SVPWM輸出，計(jì)算量并不大。其功能主要是靠硬件實(shí)現(xiàn)，所以占用CPU資源很少，完全可以當(dāng)作一個(gè)模塊應(yīng)用到其他場(chǎng)合中。