基于STM32F103的SVPWM算法實(shí)現(xiàn)

袁 野，程善美，胡 仙

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

1 引言

Cortex－M3處理器的核心是基于哈佛結(jié)構(gòu)和三級(jí)流水線的32位內(nèi)核。該內(nèi)核集成了分支預(yù)測(cè)、單周期乘法和硬件除法等眾多強(qiáng)大的功能，其出色的計(jì)算性能、對(duì)時(shí)間快速響應(yīng)能力以及高度的可配置，使其支持應(yīng)用范圍廣泛地實(shí)現(xiàn)。

STM32F103以32位的CortexM3為核心，最高主頻為72MHz。STM32F103不僅價(jià)格便宜，而且外設(shè)資源豐富，尤其具有適合電力變換器控制的PWM模塊，使其在電力電子控制系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 STM32F103定時(shí)器

STM32F103的PWM產(chǎn)生是由定時(shí)器模塊完成的。STM32F103具有2個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1、TIM8） 和 4 個(gè)通用定時(shí)器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5），每個(gè)定時(shí)器都具有16位向上、向下、上/下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器，有4個(gè)獨(dú)立的通道。不同的是高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1、TIM8）的前3個(gè)通道（通道1、2、3）可以輸出互補(bǔ)的PWM波形，并且可以進(jìn)行死區(qū)編程，第4個(gè)通道為單脈沖輸出，高級(jí)控制定時(shí)器還具有剎車功能，使能該功能后，在剎車輸入引腳捕獲到一個(gè)有效的剎車電平之后就可以禁止該定時(shí)器所有通道的比較輸出。而通用定時(shí)器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）的 4 個(gè)通道都只能工作在單脈沖輸出模式下，因此對(duì)于通用定時(shí)器沒有死區(qū)處理，另外通用定時(shí)器也不具備剎車功能。

如圖1所示為高級(jí)定時(shí)器在連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式下3組互補(bǔ)通道（通道1、2、3）及另外一個(gè)單獨(dú)通道（通道4）的輸出波形。

在圖1中，TIMx＿CCRy為通道y的比較寄存器（寄存器中x代表定時(shí)器編號(hào)，y代表通道編號(hào)），TIMx＿ARR為周期寄存器，同一個(gè)定時(shí)器的所有通道共用一個(gè)周期寄存器。由寄存器TIMx＿CR1的CMS［1：0］位來選擇計(jì)數(shù)方式，并且在連續(xù)增減計(jì)數(shù)時(shí)可以選擇由上溢事件或者下溢事件置中斷標(biāo)志位，或者上溢與下溢均置位（這里沒有特定的上溢、下溢中斷，而是統(tǒng)一歸為更新中斷）。

圖1 高級(jí)定時(shí)器的PWM輸出波形

TIMx＿CCMR1、TIMx＿CCMR2 的 CCyS［1：0］用來配置通道y作為輸入還是輸出，OCyM［2：0］用來配置PWM輸出模式，例如翻轉(zhuǎn)，PWM模式1（在向上計(jì)數(shù)時(shí)，一旦當(dāng)前計(jì)數(shù)值 TIMx＿CNT＜TIMx＿CCRy時(shí)通道y為有效電平，否則為無效電平；在向下計(jì)數(shù)時(shí)，一旦 TIMx＿CNT＞TIMx＿CCRy時(shí)通道y為無效電平，否則為有效電平），PWM模式2（與PWM模式1相反）等。

TIMx＿CCER用來使能每個(gè)通道及其互補(bǔ)通道，同時(shí)對(duì)每個(gè)通道的輸出極性進(jìn)行配置，注意同一組PWM輸出中的每個(gè)通道及其互補(bǔ)通道的輸出極性要保持一致，即同時(shí)高有效或者同時(shí)低有效。TIMx＿BDTR用來配置死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度，同時(shí)可以使能剎車功能，并且對(duì)剎車電平的極性進(jìn)行配置。

在使用中通常還要對(duì)比較寄存器進(jìn)行預(yù)裝載，TIMx＿CCMR1、TIMx＿CCMR2 的 OCyPE 位用來使能通道y的預(yù)裝載，在最后還要配置TIMx＿CR1的ARPE位和TIMx＿CR2的CCPC位來開啟預(yù)裝載功能。

可以根據(jù)實(shí)際的需求來選擇配置上面這些寄存器，最后一定要使能定時(shí)器及中斷，另外還要配置好定時(shí)器的輸出端口以及使能定時(shí)器的時(shí)鐘。

3 SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)

SVPWM算法主要包括判斷扇區(qū)、導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)算及其過調(diào)制處理、導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算。

在計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，首先如下定義X、Y、Z，式中Vdc為直流母線電壓。

根據(jù)不同扇區(qū)，把 X、Y、Z 分別賦予 T1、T2，且當(dāng) T1＋T2＞T 時(shí)，則取

得到導(dǎo)通時(shí)間T1、T2后，再計(jì)算三相開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻

這里用到了大量的除法，而為了保證計(jì)算速率和計(jì)算精度，傳統(tǒng)的方法（基于TIC2000）是把數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)幺，用Q格式來表示數(shù)據(jù)，用移位來代替除法，但是這樣做也就使得程序看起來不是很直觀，雖然仍然可以從程序語(yǔ)句的表達(dá)上看出該語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的功能，但是卻不能從語(yǔ)句上直接看出一些數(shù)據(jù)的實(shí)際大小。而STM32F103具有硬件除法器，因此這里就不再需要移位操作，只需要保證數(shù)據(jù)的精度即可，這樣就可以使得數(shù)據(jù)的表達(dá)比較直觀，因?yàn)橥瑯訛榱吮ＷC數(shù)據(jù)精度，Q格式就是為了方便移位操作，比如在原來的移位操作處理里面Q12的4096代表1，那么在相關(guān)計(jì)算的最后一步就需要右移12位，而在STM32F103中，由于具有硬件除法器，除法操作本身就是單指令周期，所以可以令1000代表1，在計(jì)算的最后一步再除以1000來還原數(shù)據(jù)實(shí)際大小?？梢钥吹?，后者表達(dá)起來就更加直觀，程序可讀性更強(qiáng)。

在SVPWM算法中，計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度是式（1），傳統(tǒng)算法（基于TIC2000）進(jìn)行標(biāo)幺處理，即“1”代表，這里的“1”如果是Q10格式就對(duì)應(yīng)于1024，那么如果得到等于一個(gè)PWM周期一半的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度實(shí)際上得到的是一個(gè)等于512的數(shù)據(jù)，也就是“0.5”，并且在接下來的導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算中仍然使用Q10格式的標(biāo)幺，那么如果得到等于一個(gè)PWM周期一半的導(dǎo)通時(shí)刻實(shí)際上也是“0.5”，在最后又用“0.5”與周期值相乘再右移10位才能得到真正的導(dǎo)通時(shí)刻。

而基于STM32F103就可以實(shí)現(xiàn)程序語(yǔ)句和數(shù)據(jù)完全還原其數(shù)學(xué)意義，首先在查表計(jì)算Uα、Uβ時(shí)就可以用實(shí)際的數(shù)據(jù)來處理，這樣得到的Uα、Uβ也就是實(shí)際值，這樣在計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)就無需Q格式標(biāo)幺，而是直接把Uα、Uβ代入表達(dá)式來進(jìn)行計(jì)算，其次在計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)也直接把周期乘入，這就使得計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度就是實(shí)際的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度，最后只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的導(dǎo)通時(shí)刻處理，即可得到每個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻。

在過調(diào)制處理式（2），傳統(tǒng)算法需要對(duì)（T1＋T2）進(jìn)行標(biāo)幺，而基于STM32F103，可以直接令T1＝T1×T/（T1＋T2），這里T是TIM8周期寄存器的值，也就是一個(gè)開關(guān)周期的一半，所以需要乘以2來計(jì)算對(duì)于整個(gè)周期的T1。

通過上述分析，可以看到STM32F103在實(shí)現(xiàn)SVPWM算法時(shí)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這主要是由其內(nèi)部的硬件除法器來保證的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)大大方便了調(diào)試工作，在線仿真時(shí)數(shù)據(jù)的可讀性很高，例如電壓變量、導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)度、導(dǎo)通時(shí)刻都是實(shí)際值，這樣比起用Q格式標(biāo)幺的數(shù)據(jù)就要容易識(shí)別很多。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一個(gè)基于STM32F103的三相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在圖2中STM32F103完成SVPWM算法、PI控制器以及輸出電壓反饋控制等。采用TIM8產(chǎn)生PWM波形，此時(shí)三相逆變器控制的主要配置如下：周期寄存器＝4650（時(shí)鐘為56MHz，因此一個(gè)計(jì)數(shù)周期為83μs，一個(gè)增減周期為166μs，對(duì)應(yīng)開關(guān)頻率6kHz），中央對(duì)齊模式3（連續(xù)增減計(jì)數(shù)，且上溢、下溢時(shí)都置中斷標(biāo)志位），PWM輸出模式為PWM模式1，輸出電平低有效，死區(qū)時(shí)間為4μs，使能預(yù)裝載。最后確定通道輸出端口配置完成以及TIM8的計(jì)數(shù)使能、時(shí)鐘使能、輸出使能及其更新中斷使能。圖2中虛線框內(nèi)全部由STM32F103實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于STM32F103的三相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3給出了STM32F103輸出的CH1與CH2的波形，并且附帶有兩者之差，可以看到相位上前者超前后者120°。

圖3 CH1與CH2波形

圖4所示為逆變器滿載（37kW風(fēng)機(jī)負(fù)載）時(shí)輸出電壓和電流的起動(dòng)波形。

圖4 滿載時(shí)電壓及電流起動(dòng)波形

圖5為逆變器滿載時(shí)電壓的穩(wěn)態(tài)波形及其諧波分析。

圖5 滿載時(shí)電壓穩(wěn)態(tài)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了STM32F103的PWM產(chǎn)生機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上分析了其在SVPWM算法實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)點(diǎn)，并在基于STM32F103控制的三相逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于STM32F103具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，采用STM32F103實(shí)現(xiàn)空間矢量PWM具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、易于理解等特點(diǎn)。

［1］STM.STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx，STM－32F105xx and STM32F107xx Advanced ARM－based 32－bitMCUs.2009.

［2］STM.STM32F10xxx Cortex －M3 Programming Manual.2010.

［3］H W Vander Broek，H C Skudely，G V Stranke.Analysis and Realization of a Pulse Width Modulator Based on Voltage Space Vector［J］.IEEE Trans.on IA，1988，24（1）：142－150.

［4］程善美，蔡 凱，龔 博.DSP在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.