基本原理

SPWM的全稱是(Sinusoidal PWM)，正弦脈沖寬度調(diào)制是一種非常成熟，使用非常廣泛的技術(shù)；

之前在PWM的文章中介紹過(guò)，基本原理就是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同 。

換句話說(shuō)就是通過(guò)一系列形狀不同的窄脈沖信號(hào)，相對(duì)應(yīng)時(shí)間的積分相等(面積相等)，其最終效果相同；

所以SPWM就是輸入一段幅值相等的脈沖序列去等效正弦波，因此輸出為高的脈沖時(shí)間寬度基本上呈正弦規(guī)律變化；

這里通常使用的采樣方法是：自然采樣法和規(guī)則采樣法；

自然采樣法

自然采樣法是用需要調(diào)制的正弦波與載波鋸齒波的交點(diǎn)，

來(lái)確定最終PWM脈沖所需要輸出的時(shí)間寬度，最終由此生成SPWM波；

具體如下圖所示，這里會(huì)對(duì)局部①部分進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，下面進(jìn)一步介紹；

SPWM波形

局部①的情況如下圖所示；簡(jiǎn)單分析一下整個(gè)圖形的情況；

鋸齒波和調(diào)制正弦波的交點(diǎn)為A和B；

因此A點(diǎn)所需時(shí)間為T1，B點(diǎn)所需時(shí)間為T2；

所以在該周期內(nèi)，PWM所需要的脈沖時(shí)間寬度Ton滿足：

最終結(jié)論就是，只要求出A點(diǎn)和B點(diǎn)位置，就可以求出；

自然采樣法

這里對(duì)于求解A，B位置的推導(dǎo)不做介紹，但是計(jì)算量比較大，因此在微處理器中進(jìn)行運(yùn)算會(huì)占用大量資源，下面再介紹另一種優(yōu)化的采樣方法：規(guī)則采樣法。

規(guī)則采樣法

根據(jù)載波PWM的電壓極性，一般可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM；下面進(jìn)一步介紹；

單極性

單極性SPWM在正弦波的正版周期，PWM只有一種極性，在正弦波的負(fù)半周期，PWM同樣只有一種極性，但是與正半周期恰恰相反，具體如下圖所示；

下面取正弦波的正半周期的情況進(jìn)行分析；

單極性SPWM

正弦波的正半周期整體如下所示；由圖中我們可以知道以下幾點(diǎn)；

載波PWM的周期為T；

線段BO為當(dāng)前這個(gè)等腰三角形的垂線；

線段BO與正弦曲線 相較于點(diǎn)A；

所以在該周期內(nèi)，PWM所需要的脈沖時(shí)間寬度Ton滿足：

單極性正半周期

具體的推導(dǎo)過(guò)程如下：

第一步：由于O點(diǎn)的位置比較好確認(rèn)，因此，線段

第二步：這里載波鋸齒波的最大幅值為1，因此線段

第三步：根據(jù)初中學(xué)過(guò)的相似三角形定理，滿足：

最終簡(jiǎn)化得到：

這里對(duì)載波的幅值做了歸一化處理，如果鋸齒波的最大值為，正弦波的幅值最大為，則;

雙極性

只要符合面積等效原理，PWM還可以是雙極性的，具體如下圖所示；這種調(diào)制方式叫雙極性SPWM，在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。

雙極性SPWM

如何編寫程序

上面講到這里PWM的時(shí)間滿足：

其中為正弦波幅值，為載波鋸齒波幅值；

那么下面以STM32為例，介紹以下如何進(jìn)行程序編寫；

首先得先STM32是如何產(chǎn)生PWM？

通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以知道，STM32通過(guò)TIM輸出PWM，這里有幾個(gè)寄存器；

計(jì)數(shù)寄存器：CNT

比較寄存器：CCR（決定了占空比，決定了脈沖寬度）

自動(dòng)重裝寄存器：AAR（決定了PWM的周期）

可能這么說(shuō)，還是云里霧里的，先看下圖；

STM32的PWM產(chǎn)生原理

STM32中PWM的模式有普通的PWM，和中央對(duì)齊的PWM，上圖使用的就是中央對(duì)齊PWM；

產(chǎn)生PWM的過(guò)程可以分為以下幾個(gè)過(guò)程；

第一步：配置好TIM，通常時(shí)基和ARR都會(huì)配置好，這時(shí)候PWM的周期就已經(jīng)被設(shè)定好了，另外時(shí)基決定了CNT計(jì)數(shù)寄存器增加一次技術(shù)所需的時(shí)間；

第二步：剛開(kāi)始，CNTCCR之后，PWM輸出為高電平；

第三步：當(dāng)CNT的值等于AAR之后，CNT開(kāi)始減少，同理CNTCCR，PWM輸出為高電平；

第四步：循環(huán)上述三個(gè)步驟；

程序中如何實(shí)現(xiàn)？

從上述STM32產(chǎn)生PWM的過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，滿足；

上一節(jié)推導(dǎo)的公式如下：

結(jié)合①式和②式，可以得到：

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

計(jì)算出ARR，一般配置TIM定時(shí)器的時(shí)候能在數(shù)據(jù)手冊(cè)找到公式；

調(diào)制比，也就是的系數(shù)；

根據(jù)③式生成正弦表，然后查表（實(shí)時(shí)計(jì)算因?yàn)樯婕暗捷^多運(yùn)算量，所以利用查表，空間換時(shí)間，提高效率），利用PWM的事件去觸發(fā)中斷，更新下一次CCR的值；

正弦函數(shù)表：

constuint16_tindexWave[]={ 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 };

中斷服務(wù)函數(shù)：

externuint16_tindexWave[]; extern__IOuint32_trgb_color; /*呼吸燈中斷服務(wù)函數(shù)*/ voidBRE_TIMx_IRQHandler(void) { staticuint16_tpwm_index=0;//用于PWM查表 staticuint16_tperiod_cnt=0;//用于計(jì)算周期數(shù) staticuint16_tamplitude_cnt=0;//用于計(jì)算幅值等級(jí) if(TIM_GetITStatus(BRE_TIMx,TIM_IT_Update)!=RESET)//TIM_IT_Update { amplitude_cnt++; //每個(gè)PWM表中的每個(gè)元素有AMPLITUDE_CLASS個(gè)等級(jí)， //每增加一級(jí)多輸出一次脈沖，即PWM表中的元素多使用一次 //使用256次，根據(jù)RGB顏色分量設(shè)置通道輸出 if(amplitude_cnt>(AMPLITUDE_CLASS-1)){ period_cnt++; //每個(gè)PWM表中的每個(gè)元素使用period_class次 if(period_cnt>period_class){ //標(biāo)志PWM表指向下一個(gè)元素 pwm_index++; //若PWM表已到達(dá)結(jié)尾，重新指向表頭 if(pwm_index>=POINT_NUM){ pwm_index=0; } //重置周期計(jì)數(shù)標(biāo)志 period_cnt=0; } //重置幅值計(jì)數(shù)標(biāo)志 amplitude_cnt=0; }else{ //每個(gè)PWM表中的每個(gè)元素有AMPLITUDE_CLASS個(gè)等級(jí)， //每增加一級(jí)多輸出一次脈沖，即PWM表中的元素多使用一次 //根據(jù)RGB顏色分量值，設(shè)置各個(gè)通道是否輸出當(dāng)前的PWM表元素表示的亮度 //紅 if(((rgb_color&0xFF0000)>>16)>=amplitude_cnt){ //根據(jù)PWM表修改定時(shí)器的比較寄存器值 BRE_TIMx->BRE_RED_CCRx=indexWave[pwm_index]; }else{ //比較寄存器值為0，通道輸出高電平，該通道LED燈滅 BRE_TIMx->BRE_RED_CCRx=0; } //綠 if(((rgb_color&0x00FF00)>>8)>=amplitude_cnt){ //根據(jù)PWM表修改定時(shí)器的比較寄存器值 BRE_TIMx->BRE_GREEN_CCRx=indexWave[pwm_index]; }else{ //比較寄存器值為0，通道輸出高電平，該通道LED燈滅 BRE_TIMx->BRE_GREEN_CCRx=0; } //藍(lán) if((rgb_color&0x0000FF)>=amplitude_cnt){ //根據(jù)PWM表修改定時(shí)器的比較寄存器值 BRE_TIMx->BRE_BLUE_CCRx=indexWave[pwm_index]; }else{ //比較寄存器值為0，通道輸出高電平，該通道LED燈滅 BRE_TIMx->BRE_BLUE_CCRx=0; } //必須要清除中斷標(biāo)志位 TIM_ClearITPendingBit(BRE_TIMx,TIM_IT_Update); } } }

總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了SPWM的原理和調(diào)制方法，推導(dǎo)了SPWM的PWM脈沖寬度的計(jì)算時(shí)間，最后給出了基于STM32單片機(jī)產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)呼吸燈的部分代碼。

責(zé)任編輯：lq