STM32上SVPWM輸出的實(shí)現方案

摘要：在STM32F103VET6上實(shí)現了SVPWM輸出。介紹了SVPWM的優(yōu)點(diǎn)及原理。結合STM32F103VET6上的硬件資源，給出了SVPWM在高級定時(shí)器上實(shí)現的方式和三相橋式驅動(dòng)電路的設計。分析了該方案所占用的CPU資源。實(shí)驗結果表明，該設計方案可行，能夠實(shí)現SVPWM輸出。
關(guān)鍵詞：SVPWM；STM32；定時(shí)器；三相橋式驅動(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(xiàn)電壓的利用率有了很大提高。SVPWM主要應用在變頻器領(lǐng)域，控制過(guò)程中需要對坐標進(jìn)行變換及計算輸出時(shí)間，所以整個(gè)過(guò)程有一定的計算量，使得51單片機力不從心。人們只能采用價(jià)格昂貴、內部資源偏少的DSP作為控制芯片。隨著(zhù)STM32系列芯片的出現，其豐富的片內資源、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
在傳統的三相橋式驅動(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)扇區內的任意電壓矢量。

2 系統設計方案
2．1 控制芯片
采用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6作為其控制芯片，其內核為ARM公司Cortex—M3，最高時(shí)鐘頻率可達72 MHz，包括512K片內FLASH、64K片內RAM、ADC、SPI、CAN、FSMC等豐富的內部資源。STM32F103VET6內部包含8個(gè)定時(shí)器，其中有2個(gè)高級定時(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。高級定時(shí)器支持嵌入死區時(shí)間的互補PWM，而且支持剎車(chē)信號的輸入，所以非常適合應用在變頻器、電機控制器等場(chǎng)合。
2．2 定時(shí)器工作模式
根據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，就可以確定高級定時(shí)器的工作模式。由于SVPWM的輸出波形是很對稱(chēng)的，所以選用TIM1的中央對齊模式：
TIM_TimeBaseStructure．TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAlignedl；
此模式下，計數器從0開(kāi)始計數到自動(dòng)加載值減1，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)計數器溢出事件。然后向下計數到1，并且產(chǎn)生一個(gè)計數器下溢事件，再從0開(kāi)始重新計數。
2．3 定時(shí)器計數周期
為了提高定時(shí)器的分辨率，直接將72 MHz作為定時(shí)器的計數時(shí)鐘，沒(méi)有任何預分頻。假設SVPWM的調制頻率為frq，則可以計算時(shí)間基的計數值tpwm：

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

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所必要的運算及對TIM1必要的操作。整個(gè)程序中的所有的電壓量全部轉化為標幺值。由于STM32是一款32位的控制器，所以需要參與計算值都采用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)周期調制完成后馬上進(jìn)行下一個(gè)周期的調制，下次調制的時(shí)間需要提前計算，此時(shí)就必須打開(kāi)定時(shí)器的預裝載功能。在發(fā)生計數器溢出中斷后，計算下一次調制時(shí)各個(gè)通道的時(shí)間。計算完成后將結果寫(xiě)入預裝載寄存器，以便在下次更新時(shí)寫(xiě)入新的比較值?？梢钥闯?，SVPWM只在中斷中耗費了CPU的一點(diǎn)資源用來(lái)計算，其余全是定時(shí)器自動(dòng)完成，而且在兩次調制之間沒(méi)有任何延遲。

3 系統實(shí)驗
3．1 實(shí)驗硬件電路
實(shí)驗硬件電路包括主控芯片及外圍電路、MOS驅動(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驅動(dòng)器的輸入來(lái)自STM32F103VET6中TIM1的CH1和CH1N，兩者為互補輸出。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。在輸出端的高端設計了一個(gè)泵電源，保證高端MOS管能夠可靠導通。R1用來(lái)保證充電速度不會(huì )過(guò)快，可根據實(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，導致?lián)p壞。

3．2 實(shí)驗結果
由于SVPWM的輸入為αβ坐標系下的Uα和Uβ，在讓矢量運行軌跡為圓形時(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。這樣只需要設置合成矢量的角度和大小，而角度可以人為設為一個(gè)勻速圓周運動(dòng)的值。圖5為第一扇區下的調制輸出波形。圖6為矢量圓周運動(dòng)時(shí)，輸出相電壓濾波后的馬鞍波形。

結語(yǔ)
由實(shí)驗結果可知，該設計方案可以方便地實(shí)現SVPWM輸出，計算量并不大。其功能主要是靠硬件實(shí)現，所以占用CPU資源很少，完全可以當作一個(gè)模塊應用到其他場(chǎng)合中。