张奇志　张 涛

(西安石油大学钻机控制重点实验室， 西安 710065)



基于STM32F103的三相SPWM软件设计

张奇志张 涛

(西安石油大学钻机控制重点实验室， 西安 710065)

摘要：基于对三相鼠笼式异步电动机变频转速控制的目的，在阐述SPWM输出原理基础上进行软件设计。采用规则采样法数学模型，通过查表法及相序延迟120°完成三相拟合，获得三相互补SPWM输出信号，所得三相互补SPWM输出信号可以驱动三相鼠笼式异步电机。

关键词：STM32F103; SPWM; 规则采样法

近年来,随着单片机以及电力电子技术的发展,在电动机调速系统中，脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)技术得到了广泛的应用。

STM32F103ZET6微控制器采用最新的Cortex-M3内核，集高性能、低功耗于一体，被应用于诸多嵌入式领域。相对于PWM控制而言，STM32具有独特的优势，其高级定时器可产生互补PWM输出，并且具有死区控制。

本次研究提出采用STM32F103ZET6单片机产生三相六路SPWM的设计方法，利用微控制器集成PWM输出模块结合相序延迟120°输出三相SPWM信号。

1SPWM生成原理

脉宽调制技术是调制波选用正弦波信号，载波选用频率为正弦波频率N倍的等腰三角波信号，将该调制波和载波进行波形比较来等效地获得模拟波形[1]。

对称规则采样法作为SPWM数学模型之一，因其结构简易,计算相对精确而得到广泛应用[2-3]。在图1中三角载波负峰值处引垂线,交调制波于C点,过C点作水平线与载波分别交于A点和B点。以同样的方式采集载波周期内的输出量,得出正弦脉宽波形[4-5]。设正弦调制波的函数为:

ur=Ursin(ωrt)

(1)

图1　对称规则采样法

根据三角形相似原理可得：

(2)

式中：Ur—— 正弦调制波峰值；

Uc—— 载波峰值；

Tc—— 载波周期；

ton—— 调制出的脉冲宽度。

将式(1)代入式(2)，可得：

(3)

(4)

令一个周期内采样数量为N,则第i个脉冲波宽度δA可表示为:

(5)

(6)

故

(7)

(8)

(9)

2SPWM软件设计

在SPWM原理基础上，根据规则采样法，采用查表法，利用STM32F103ZET6的高级定时器TIM1产生三相互补6通道输出SPWM。控制系统流程如图2所示。

图2　控制系统程序流程图

定时器时钟经16位预分频器(TIMx_PSC)分频后给计数器(TIMx_CNT)提供时钟，输出比较寄存器(TIMx_CRRx)和重装载寄存器(TIMx_ARR)的数值并不断与计数器比较。当计数器数值与重装载寄存器相等时，翻转并输出信号；当计数器数值与输出比较寄存器相等时，翻转并输出信号，并产生中断请求，中断处理中比较寄存器(TIMx_CRRx)不断更新比较值，控制PWM的脉宽PPWM。

(10)

给预分频器TIMx_PSC和寄存器TIMx_CRRx赋值即可确定三相六路SPWM的输出信号频率fSPWM:

(11)

式中：N为脉冲信号的载波比，实验中其值定为 320；TIM_CLK为定时器时钟，实验中其值定为72 MHz。

3实验及分析

测试过程中使用型号为UNI-T的示波器，测试开发板采用正点原子STM32F103ZET6开发板。

使用示波器观测TIM1的一对互补PWM端口 PA8、PB13输出波形如图3所示，其对应的MDK仿真图如图4所示。

图3　使用示波器观测到的一组PWM波形

图4　软件仿真对应的一组PWM波形

频率测试结果如表1所示。

由表1可知输出信号基波频率存在一定的误差，造成误差的主要原因是微处理器的时钟频率只有72 MHz。

表1　频率跟踪测试表

4结语

经实验测试后，该SPWM波形相位差及频率变化稳定，能够给功率驱动模块IPM提供稳定可靠的

控制信号，能顺利驱动三相鼠笼式异步电机并进行转速调节控制。

参考文献

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1992：53-55.

[2] 临渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005：89-92.

[3] 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京:机械工业出版社,2001：107-114.

[4] 吴红星,谢忠武,张强.基于DSP的电动机控制技术[M].北京:中国电力出版社,2008：23-29.

[5] 李宁.ARM开发工具Realview MDK使用入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,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

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0085-03

中图分类号：TM769

作者简介：张奇志(1965 — )，女，教授，研究方向为电气控制。

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目“脉冲负载运动装置电控系统的研发”(2011KTCQ01-14)

收稿日期：2015-09-21