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【经验分享】利用STM32F103单片机输出SPWM波

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STMCU小助手 发布时间:2022-3-20 20:46
最近需要用到单片机输出SPWM波功能,在网上找了好多资料,发现都不完整,有算法的没有代码,有代码的看不懂算法。于是只好自己摸索,现将方法整理如下。
关于什么是SPWM波,为什么要用SPWM波,网上的介绍有很多,就不多说了。主要说一下在STM32F103C8T6上是如何实现的。
要产生SPWM波,核心就是调节PWM波的占空比,在一定时间段内使输出PWM波所占的面积和对应的正弦波面积相等。占空比的调节需要根据正弦波上对应的点来调节。那么首先就是要生成一组正弦波数据。生成正弦波的数据代码如下:

  1. //point 一个周期内的点数
  2. //maxnum 最大值
  3. void get_sin_tab1( u16 point, u16 maxnum )
  4. {
  5.     u16 i = 0, j = 0, k = 0;
  6.     float hd = 0.0;                //弧度
  7.     float fz = 0.0;               //峰值
  8.     u16 tem = 0;
  9.     j = point / 2;                        //水平线位置 单片机没有负电压
  10.     hd = PI / j;                // π/2 内每一个点对应的弧度值
  11.     k = maxnum / 2;              //最大值一半
  12.     for( i = 0; i < point; i++ )
  13.     {     
  14.                 fz = k * sin( hd * i ) + k;                                       
  15.         tem = ( u16 )fz ;                                                
  16.                 printf("%d\r\n",tem);
  17.         sinData = tem;
  18.     }
复制代码


通过串口波形软件可以看到生成的数据和波形如下:

9KJ@O%~{`5BB3_4$Q}Z897K.png

数据生成好之后,下来设置定时器输出PWM,

  1. void TIM1_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
  2. {
  3.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
  4.     TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
  5.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  6.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
  7.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //复用时钟

  8.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
  9.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  11.     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  12.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
  13.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
  14.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;                                //只有高级定时器需要设置,其他定时器可以不设置。
  15.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
  16.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  17.     TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseInitStructure);

  18.     TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
  19.     TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  20.     TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

  21.     TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);                                                        //TIM1_OC1   

  22.     TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);

  23.     TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
  24.     TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);                                                                        //高级定时器才有  必须打开
  25. }
复制代码

设置定时器1输出PWM波,定时器初始化为:

定时器 TIM1_PWM_Init(1000 - 1, 3);               

定时器1输出18K的PWM波,此时输出的PWM波占空比是固定的,还不能随着正弦规律变化。下来利用定时器2的定时中断,在中断中改变PWM的占空比。

  1. //APB1时钟分频为2  TIM2-7 时钟数为APB1 2倍
  2. // Tout= (arr+1)*(psc+1) / Tclk
  3. void TIM2_Init(u16 arr, u16 psc)
  4. {
  5.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
  6.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

  7.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

  8.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
  9.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
  10.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;                        //只有高级定时器需要设置,其他定时器可以不设置。
  11.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
  12.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  13.     TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

  14.     TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

  15.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
  16.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;
  17.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;
  18.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  19.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  20.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
  21. }

  22. u8 dc_cnt = 0;                                                        //占空比计数
  23. //定时器2中断中改变 定时器1的占空比值
  24. void TIM2_IRQHandler(void)
  25. {
  26.     if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
  27.     {
  28.         TIM_SetCompare1(TIM1, sinData[dc_cnt]);
  29.         dc_cnt++;
  30.         if(dc_cnt >= PointMax)
  31.             dc_cnt = 0;
  32.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
  33.     }
  34. }
复制代码

在定时器2中断中,依次将sinData数组中存放的正弦数据做为PWM的占空比值。由于生成的正弦数据最大值是1000,输出PWM的ARR值也是1000,那么生成的正弦值就可以直接做为占空比用。如果生成的正弦波数据和ARR值不一样,在此处需要一个转换,用比例系数调整正弦波中的最大值刚好是占空比最大值就行。
这样在定时器1输出PWM比的时候,在定时器2中断中调整PWM的占空比,这样输出的PWM波经过外部电容后,就是一个正弦波。在PA8引脚接105电容。生成的波形如下:
E]3`1G4L%[T25O2G~~7_A9I.png

生成了正弦波之后,初步目的算是达到了。那么如何用生成的正弦波,和外部市电波形同步呢。
可以用过零检测电路将外部波形测出来。在每个零过点的时候输出一个脉冲。然后用中断检测这个脉冲,每次过零点到来时,在中断中将正弦波数组下标设置为0,这样每个过零点时,输出的正弦波也从0点开始输出。
外部中断代码如下:

  1. void IO_Exti_Init(void)
  2. {
  3.     EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
  4.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  5.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  6.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
  7.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

  8.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  9.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
  10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
  11.     GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

  12.     GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource0);

  13.     EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
  14.     EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
  15.     EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
  16.     EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
  17.     EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

  18.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
  19.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;
  20.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;
  21.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  22.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  23. }

  24. extern u8 dc_cnt;                                                        //占空比计数
  25. //10ms中断一次
  26. void EXTI0_IRQHandler(void)
  27. {
  28.     if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
  29.     {
  30.         dc_cnt = 0;
  31.         EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
  32.     }
  33. }
复制代码

在外部中断中将正弦波数组的下标控制值dc_cnt 清零,这样每个过零点时,输出的正弦波数据正好是第一个。
这样输出的SPWM波就可以通过中断和外部波形进行同步了。

@K]5DH~30](6AD%IIFNY8J7.png

通过波形可以看出,在过零点位置,输出正弦波也刚好在零点。
如果要调整输出正弦波数据的初始位置怎么办呢?只需要在生成正弦波数据时,设置初始位置就行。

  1. void get_sin_tab1( u16 point, u16 maxnum )
  2. {
  3.     u16 i = 0, j = 0, k = 0;
  4.     float hd = 0.0;                //弧度
  5.     float fz = 0.0;               //峰值
  6.     u16 tem = 0;
  7.     j = point / 2;                        //水平线位置 单片机没有负电压 水平线为点值数量的一半
  8.     hd = PI / j;                // π/2 内每一个点对应的弧度值
  9.     k = maxnum / 2;              //最大值一半
  10.     for( i = 0; i < point; i++ )
  11.     {
  12.                 fz = k * sin( hd * i ) + k;                                                //起点为中间值
  13.         //fz = k * sin( hd * i + PI / 2) + k;                        //起点位置偏移到 π/2  起点为最大值
  14.                 //fz = k * sin( hd * i + PI / 2 + PI ) + k;                //起点位置偏移到 π/2 + π 起点为最小值

  15.         tem = ( u16 )fz ;                                                
  16.         sinData = tem;
  17.     }
  18. }
复制代码

在生成数据是 sin( hd * i ) ,的值就是初始相位,如果要调整初始位置,只需要将括号中的值加上偏移量就行,默认的起始位置在正弦波的0度位置,如果要让初始位置在90度,那么给括号中的值在加上 π/2就可以了。

](`2(GOO1_@@Y8$MFY_3K)A.png

如果要让起始位置在270度时,在括号中加上 3/2π就可以了。

BQ3R6SHM5213R_M}D{E710J.png


收藏 评论1 发布时间:2022-3-20 20:46

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1个回答
rayman 回答时间:昨天 10:34

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