本文簡單介紹了SPWM的原理和調(diào)制方法，推導(dǎo)了SPWM的PWM脈沖寬度的計算時間，最后給出了基于STM32單片機產(chǎn)生SPWM驅(qū)動呼吸燈的部分代碼。如果覺得不錯，歡迎關(guān)注、分享、收藏、點贊、下載代碼。希望能幫助到大家，如有錯誤敬請指出，謝謝！
目錄
- 基本原理
- 自然采樣法
- 規(guī)則采樣法
- 單極性
- 雙極性
- 如何編寫程序
- 總結(jié)
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，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，其效果基本相同 。
換句話說就是通過一系列形狀不同的窄脈沖信號，相對應(yīng)時間的積分相等(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，
來確定最終PWM脈沖所需要輸出的時間寬度，最終由此生成SPWM波；
具體如下圖所示，這里會對局部①部分進行簡單分析，下面進一步介紹；
[SPWM波形 ]
局部①的情況如下圖所示；簡單分析一下整個圖形的情況；
- 鋸齒波和調(diào)制正弦波的交點為A和B；
- 因此A點所需時間為T1，B點所需時間為T2；
- 所以在該周期內(nèi)，PWM所需要的脈沖時間寬度Ton滿足：
- 最終結(jié)論就是，只要求出A點和B點位置，就可以求出
；
[自然采樣法 ]
這里對于求解A，B位置的推導(dǎo)不做介紹，但是計算量比較大，因此在微處理器中進行運算會占用大量資源，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；
- 載波PWM的周期為T；
- 線段BO為當(dāng)前這個等腰三角形的垂線；
- 線段BO與正弦曲線
相交于點A；
- 所以在該周期內(nèi)
，PWM所需要的脈沖時間寬度Ton滿足：
[單極性正半周期 ]
具體的推導(dǎo)過程如下：
-
第一步：由于O點的位置比較好確認，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)過的相似三角形定理，滿足：
最終簡化得到：
這里對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，介紹以下如何進行程序編寫；
首先得先STM32是如何產(chǎn)生PWM？
通過數(shù)據(jù)手冊可以知道，STM32通過TIM輸出PWM，這里有幾個寄存器；
- 計數(shù)寄存器：CNT
- 比較寄存器：CCR （決定了占空比，決定了脈沖寬度）
- 自動重裝寄存器：AAR（決定了PWM的周期）
可能這么說，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，和中央對齊的PWM，上圖使用的就是中央對齊PWM；
產(chǎn)生PWM的過程可以分為以下幾個過程；
- 第一步：配置好TIM，通常時基和ARR都會配置好，這時候PWM的周期就已經(jīng)被設(shè)定好了，另外時基決定了CNT計數(shù)寄存器增加一次技術(shù)所需的時間；
- 第二步：剛開始，CNT<CCR，并且CNT開始增加，這時候PWM的輸出都是低電平；當(dāng)CNT>CCR之后，PWM輸出為高電平；
- 第三步：當(dāng)CNT的值等于AAR之后，CNT開始減少，同理CNT<CCR，PWM的輸出低電平；當(dāng)CNT>CCR，PWM輸出為高電平；
- 第四步：循環(huán)上述三個步驟；
腦補一下畫面，或者結(jié)合上圖理解一下，知道整體過程，暫時先忽略細節(jié)，繼續(xù)看下面；
程序中如何實現(xiàn)？
從上述STM32產(chǎn)生PWM的過程中不難發(fā)現(xiàn)，滿足；
①
上一節(jié)推導(dǎo)的公式如下：
②
結(jié)合①式和②式，可以得到：
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
- 計算出ARR，一般配置TIM定時器的時候能在數(shù)據(jù)手冊找到公式；
- 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（實時計算因為涉及到較多運算量，所以利用查表，空間換時間，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：
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
};中斷服務(wù)函數(shù)：
extern uint16_t indexWave[];
extern __IO uint32_t rgb_color;
/* 呼吸燈中斷服務(wù)函數(shù) */
void BRE_TIMx_IRQHandler(void)
{
static uint16_t pwm_index = 0; //用于PWM查表
static uint16_t period_cnt = 0; //用于計算周期數(shù)
static uint16_t amplitude_cnt = 0; //用于計算幅值等級
if (TIM_GetITStatus(BRE_TIMx, TIM_IT_Update) != RESET) //TIM_IT_Update
{
amplitude_cnt++;
//每個PWM表中的每個元素有AMPLITUDE_CLASS個等級，
//每增加一級多輸出一次脈沖，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PWM表中的每個元素使用period_class次
if(period_cnt > period_class){
//標(biāo)志PWM表指向下一個元素
pwm_index++;
//若PWM表已到達結(jié)尾，重新指向表頭
if( pwm_index >= POINT_NUM){
pwm_index=0;
}
//重置周期計數(shù)標(biāo)志
period_cnt = 0;
}
//重置幅值計數(shù)標(biāo)志
amplitude_cnt=0;
}else{
//每個PWM表中的每個元素有AMPLITUDE_CLASS個等級，
//每增加一級多輸出一次脈沖，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
if((rgb_color&0x0000FF) >= amplitude_cnt){
//根據(jù)PWM表修改定時器的比較寄存器值
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脈沖寬度的計算時間，最后給出了基于STM32單片機產(chǎn)生SPWM驅(qū)動呼吸燈的部分代碼，完整代碼點“下載資料“即可獲取。
由于作者能力和水平有限，文中難免存在錯誤和紕漏，請不吝賜教。
