SPWM基本原理详解(图文并茂+公式推导+C程序实现)
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基本原理
SPWM的全称是(Sinusoidal PWM
),正弦脉冲宽度调制是一种非常成熟,使用非常广泛的技术;
之前在PWM的文章中介绍过,基本原理就是面积等效原理,即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同 。
换句话说就是通过一系列形状不同的窄脉冲信号,相对应时间的积分相等(面积相等),其最终效果相同;
所以SPWM就是输入一段幅值相等的脉冲序列去等效正弦波,因此输出为高的脉冲时间宽度基本上呈正弦规律变化;
这里通常使用的采样方法是:自然采样法和规则采样法;
自然采样法
自然采样法是用需要调制的正弦波与载波锯齿波的交点,
来确定最终PWM脉冲所需要输出的时间宽度,最终由此生成SPWM波;
具体如下图所示,这里会对局部①部分进行简单分析,下面进一步介绍;
局部①的情况如下图所示;简单分析一下整个图形的情况;
- 锯齿波和调制正弦波的交点为A和B;
- 因此A点所需时间为T1,B点所需时间为T2;
- 所以在该周期内,PWM所需要的脉冲时间宽度Ton满足:Ton=T1+T2T_{on} = T_1 + T_2Ton=T1+T2
- 最终结论就是,只要求出A点和B点位置,就可以求出TonT_{on}Ton;
这里对于求解A,B位置的推导不做介绍,但是计算量比较大,因此在微处理器中进行运算会占用大量资源,下面再介绍另一种优化的采样方法:规则采样法。
规则采样法
根据载波PWM的电压极性,一般可以分为单极性SPWM和双极性SPWM;下面进一步介绍;
单极性
单极性SPWM在正弦波的正版周期,PWM只有一种极性,在正弦波的负半周期,PWM同样只有一种极性,但是与正半周期恰恰相反,具体如下图所示;下面取正弦波的正半周期的情况进行分析;
正弦波的正半周期整体如下所示;由图中我们可以知道以下几点;
- 载波PWM的周期为T;
- 线段BO为当前这个等腰三角形的垂线;
- 线段BO与正弦曲线 sin(wt)sin(wt)sin(wt) 相较于点A;
- 所以在该周期内T1=T2T_1=T_2T1=T2,PWM所需要的脉冲时间宽度Ton满足:Ton=T1+T2T_{on} = T_1 + T_2Ton=T1+T2
具体的推导过程如下:
第一步:由于O点的位置比较好确认,因此,线段AO=sin(wto)AO = sin(wt_o)AO=sin(wto)
第二步:这里载波锯齿波的最大幅值为1,因此线段BO=1BO = 1BO=1
第三步:根据初中学过的相似三角形定理,满足:
{BOAO=TT1+T2T1=T2AO=sin(wto)BO=1Ton=T1+T2\begin{cases} \cfrac{BO}{AO} = \cfrac{T}{T_1 + T_2}\\ \\ T_1=T_2\\ \\ AO=sin(wt_o)\\ \\ BO=1\\ \\ T_{on}=T_1+T_2 \end{cases} ⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧AOBO=T1+T2TT1=T2AO=sin(wto)BO=1Ton=T1+T2
最终简化得到:AOBO=TonT→Ton=Tsin(wto)\cfrac{AO}{BO} = \cfrac{T_{on}}{T} \rightarrow T_{on}=Tsin(wt_o)BOAO=TTon→Ton=Tsin(wto)
这里对载波的幅值做了归一化处理,如果锯齿波的最大值为UUU,正弦波的幅值最大为UcU_cUc,则Ton=TUcsin(wto)UT_{on} = \cfrac{TU_csin(wt_o)}{U}Ton=UTUcsin(wto);
双极性
只要符合面积等效原理,PWM还可以是双极性的,具体如下图所示;这种调制方式叫双极性SPWM,在实际应用中更为广泛。
如何编写程序
上面讲到这里PWM的TonT_{on}Ton时间满足:
Ton=TUcsin(wto)UT_{on} = \cfrac{TU_csin(wt_o)}{U}Ton=UTUcsin(wto)
其中UcU_cUc为正弦波幅值,UUU为载波锯齿波幅值;
那么下面以STM32为例,介绍以下如何进行程序编写;
首先得先STM32是如何产生PWM?
通过数据手册可以知道,STM32通过TIM输出PWM,这里有几个寄存器;
- 计数寄存器:CNT
- 比较寄存器:CCR (决定了占空比,决定了脉冲宽度)
- 自动重装寄存器:AAR(决定了PWM的周期T)
可能这么说,还是云里雾里的,先看下图;
STM32中PWM的模式有普通的PWM,和中央对齐的PWM,上图使用的就是中央对齐PWM;
产生PWM的过程可以分为以下几个过程;
- 第一步:配置好TIM,通常时基和ARR都会配置好,这时候PWM的周期就已经被设定好了,另外时基决定了CNT计数寄存器增加一次技术所需的时间;
- 第二步:刚开始,CNT<CCR,并且CNT开始增加,这时候PWM的输出都是低电平;当CNT>CCR之后,PWM输出为高电平;
- 第三步:当CNT的值等于AAR之后,CNT开始减少,同理CNT<CCR,PWM的输出低电平;当CNT>CCR,PWM输出为高电平;
- 第四步:循环上述三个步骤;
程序中如何实现?
从上述STM32产生PWM的过程中不难发现,TonT_{on}Ton满足;
Ton=ARR−CCRARR⋯①T_{on}=\cfrac{{ARR-CCR}}{ARR} \cdots ① Ton=ARRARR−CCR⋯①
上一节推导的公式如下:
Ton=Ucsin(wto)U⋯②T_{on} = \cfrac{U_csin(wt_o)}{U} \cdots ② Ton=UUcsin(wto)⋯②
结合①式和②式,可以得到:
CCR=ARR−Ucsin(wto)U∗ARR⋯③CCR = ARR-\cfrac{U_csin(wt_o)}{U}*ARR \cdots ③ CCR=ARR−UUcsin(wto)∗ARR⋯③
上面公式中用CCR表示CCR寄存器中的值,ARR表示ARR寄存器中的值;
最后需要做的三件事
- 计算出ARR,一般配置TIM定时器的时候能在数据手册找到公式;
- 调制比,也就是UcU\cfrac{Uc}{U}UUc的系数;
- 根据③式生成正弦表,然后查表(实时计算因为涉及到较多运算量,所以利用查表,空间换时间,提高效率),利用PWM的事件去触发中断,更新下一次CCR的值;
正弦函数表:
const uint16_t indexWave[] = {0, 9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81, 89, 98,107, 116, 125, 133, 142, 151, 159, 168, 176,184, 193, 201, 209, 218, 226, 234, 242, 249,257, 265, 273, 280, 288, 295, 302, 310, 317, 324, 331, 337, 344, 351, 357, 364, 370, 376, 382, 388, 394, 399, 405, 410, 416, 421, 426, 431, 436, 440, 445, 449, 454, 458, 462, 465, 469, 473, 476, 479, 482, 485, 488, 491, 493, 496, 498, 500, 502, 503, 505, 506, 508, 509, 510, 510, 511, 512, 512, 512, 512, 512, 512,511, 510, 510, 509, 508, 506, 505, 503, 502,500, 498, 496, 493, 491, 488, 485, 482, 479,476, 473, 469, 465, 462, 458, 454, 449, 445, 440, 436, 431, 426, 421, 416, 410, 405, 399, 394, 388, 382, 376, 370, 364, 357, 351, 344, 337, 331, 324, 317, 310, 302, 295, 288, 280, 273, 265, 257, 249, 242, 234, 226, 218, 209, 201, 193, 184, 176, 168, 159, 151, 142, 133, 125, 116, 107, 98, 89, 81, 72, 63, 54, 45, 36,27, 18, 9, 0
};
中断服务函数:
extern uint16_t indexWave[];
extern __IO uint32_t rgb_color;/* 呼吸灯中断服务函数 */
void BRE_TIMx_IRQHandler(void)
{ static uint16_t pwm_index = 0; //用于PWM查表static uint16_t period_cnt = 0; //用于计算周期数static uint16_t amplitude_cnt = 0; //用于计算幅值等级if (TIM_GetITStatus(BRE_TIMx, TIM_IT_Update) != RESET) //TIM_IT_Update{ amplitude_cnt++;//每个PWM表中的每个元素有AMPLITUDE_CLASS个等级,//每增加一级多输出一次脉冲,即PWM表中的元素多使用一次//使用256次,根据RGB颜色分量设置通道输出if(amplitude_cnt > (AMPLITUDE_CLASS-1)){ period_cnt++;//每个PWM表中的每个元素使用period_class次if(period_cnt > period_class){ //标志PWM表指向下一个元素pwm_index++; //若PWM表已到达结尾,重新指向表头if( pwm_index >= POINT_NUM){pwm_index=0;}//重置周期计数标志period_cnt = 0;}//重置幅值计数标志amplitude_cnt=0; }else{ //每个PWM表中的每个元素有AMPLITUDE_CLASS个等级,//每增加一级多输出一次脉冲,即PWM表中的元素多使用一次//根据RGB颜色分量值,设置各个通道是否输出当前的PWM表元素表示的亮度//红if(((rgb_color&0xFF0000)>>16) >= amplitude_cnt) {//根据PWM表修改定时器的比较寄存器值BRE_TIMx->BRE_RED_CCRx = indexWave[pwm_index]; }else{//比较寄存器值为0,通道输出高电平,该通道LED灯灭BRE_TIMx->BRE_RED_CCRx = 0; }//绿if(((rgb_color&0x00FF00)>>8) >= amplitude_cnt){//根据PWM表修改定时器的比较寄存器值BRE_TIMx->BRE_GREEN_CCRx = indexWave[pwm_index]; }else{//比较寄存器值为0,通道输出高电平,该通道LED灯灭BRE_TIMx->BRE_GREEN_CCRx = 0; } //蓝if((rgb_color&0x0000FF) >= amplitude_cnt){//根据PWM表修改定时器的比较寄存器值BRE_TIMx->BRE_BLUE_CCRx = indexWave[pwm_index]; }else{//比较寄存器值为0,通道输出高电平,该通道LED灯灭 BRE_TIMx->BRE_BLUE_CCRx = 0; }//必须要清除中断标志位TIM_ClearITPendingBit (BRE_TIMx, TIM_IT_Update); }}
}
总结
本文简单介绍了SPWM的原理和调制方法,推导了SPWM的PWM脉冲宽度的计算时间,最后给出了基于STM32单片机产生SPWM驱动呼吸灯的部分代码,完整代码关注公众号私信发送SPWM获取。
由于作者能力和水平有限,文中难免存在错误和纰漏,请不吝赐教。
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