基本原理

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

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節上時，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律變化；

這里通常使用的采樣方法是：自然采樣法和規則采樣法；

自然采樣法

自然采樣法是用需要調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，PWM所需要的脈沖時間寬度Ton滿足：

最終結論就是，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化的采樣方法：規則采樣法。

規則采樣法

根據載波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為當前這個等腰三角形的垂線；

線段BO與正弦曲線 相較于點A；

所以在該周期內，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：根據初中學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；這種調制方式叫雙極性SPWM，在實際應用中更為廣泛。

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是如何產生PWM？

通過數據手冊可以知道，STM32通過TIM輸出PWM，這里有幾個寄存器；

計數寄存器：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的周期就已經被設定好了，另外時基決定了CNT計數寄存器增加一次技術所需的時間；

第二步：剛開始，CNTCCR之后，PWM輸出為高電平；

第三步：當CNT的值等于AAR之后，CNT開始減少，同理CNTCCR，PWM輸出為高電平；

第四步：循環上述三個步驟；

程序中如何實現？

從上述STM32產生PWM的過程中不難發現，滿足；

上一節推導的公式如下：

結合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

計算出ARR，一般配置TIM定時器的時候能在數據手冊找到公式；

調制比，也就是的系數；

根據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的事件去觸發中斷，更新下一次CCR的值；

正弦函數表：

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 };

中斷服務函數：

externuint16_tindexWave[]; extern__IOuint32_trgb_color; /*呼吸燈中斷服務函數*/ voidBRE_TIMx_IRQHandler(void) { staticuint16_tpwm_index=0;//用于PWM查表 staticuint16_tperiod_cnt=0;//用于計算周期數 staticuint16_tamplitude_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RGB顏色分量設置通道輸出 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){ //標志PWM表指向下一個元素 pwm_index++; //若PWM表已到達結尾，重新指向表頭 if(pwm_index>=POINT_NUM){ pwm_index=0; } //重置周期計數標志 period_cnt=0; } //重置幅值計數標志 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RGB顏色分量值，設置各個通道是否輸出當前的PWM表元素表示的亮度 //紅 if(((rgb_color&0xFF0000)>>16)>=amplitude_cnt){ //根據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; } //必須要清除中斷標志位 TIM_ClearITPendingBit(BRE_TIMx,TIM_IT_Update); } } }

總結

本文簡單介紹了SPWM的原理和調制方法，推導了SPWM的PWM脈沖寬度的計算時間，最后給出了基于STM32單片機產生SPWM驅動呼吸燈的部分代碼。

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