前言：本文約兩千字，需要讀者具備基礎的高數、模電、單片機知識，不會的話可以網課學習，希望就本文為有志于逆變技術的入門者提供一點微小的幫助。

一、理論基礎

所謂Spwm，就是通過隻有開關兩個狀态（離散，數字的）的PWM序列産生正弦波（連續，模拟的）的方法。其理論基礎一句話就能說明白：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。用人話類比就是五張一塊和一張五塊一樣有價值。

從調制的角度可以理解為低頻的50hz正弦信号作為調制波，高頻的方波作為載波，調制方法是占空比調制，在經過全橋放大信号之後，通過低通濾波器就能還原出大功率的50hz正弦信号。

二、調制方法

常見的調制方法包括單極性PWM、雙極性PWM、單極性倍頻PWM。單雙極性是以半個開關周期内負載上電壓變化情況來分的。

單極性PWM調制在上半個正弦周期内一橋臂A兩隻功率管以較高的開關頻率互補開關，另一橋臂B隻開下管，這時負載上的電壓在正電源電壓和0V之間切換；在下半個周期則A橋臂隻開下管，B橋臂高頻互補開關，這時負載上的電壓在負電源電壓和0V之間切換，就産生了兩個方向上的電壓。半個周期内隻有一側橋臂受控。優點是開關損耗小，缺點是生成的正弦波在過零點會産生失真、控制複雜、而且MOS發熱不均勻。

其負載上的波形圖如下。

而雙極性pwm則是在整個正弦周期内，四隻管子都在高頻開關狀态工作，對角線上的管子一起導通，另一對角線上管子互補導通，實際上隻需要一路互補的PWM控制，負載上電壓在正電壓和負電壓之間切換，不出現0v。半個周期内兩側橋臂都受控。優點是控制簡單、波形失真度小，缺點是管子開關損耗大，發熱比較高。

其負載上的波形圖如下：

倍頻調制則是上兩種控制方法的結合，半個周期内兩側橋臂都受控，但負載在半個周期内隻在一種電壓與0V之間切換，要麼正要麼負。其核心思想是兩邊橋臂分别由兩個180度相位差的正弦波與三角載波比較來控制，優點是在開關器件工作頻率一樣的情況下，輸出PWM頻率是單極性SPWM的2倍，能夠明顯減少諧波，因此隻需要相對較小的電感和電容濾波器件就可以起到很好的濾波效果，提升了系統的性能，也精簡了系統體積，降低了成本。缺點就是控制麻煩。

三、占空比序列生成

這一部分的作用是控制管子什麼時候開，什麼時候關。

控制的方法有兩大流派：模拟和數字。模拟的方法很簡單，生成正弦波和三角波，直接輸入比較器，産生高低電平控制管子開關。這個沒啥好說的，搭電路的事。數字則也分兩大流派，模拟模拟方法（兩個模拟不同意思）的有自然采樣法、規則采樣法、不對稱規則采樣法。自然采樣法是通過計算高頻三角載波與正弦調制波的交點來确定開關切換點，以求出相應的脈沖寬度，而生成 SPWM波形的。本質上還是模拟那一套，不過由于脈寬計算公式是一個超越方程，采樣點不能預先确定，隻能通過數值疊代求解，所以用的很少。

規則采樣法是對其的簡化，隻在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波，計算簡單，但是波形沒那麼像正弦波（諧波含量高）。

不對稱規則采樣法是規則采樣法的優化，在每個載波周期采樣兩次, 即在三角波的頂點位置采樣, 又在三角波的底點位置采樣, 這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高（諧波含量低了一點），但是計算量是規則采樣法兩倍。

數字實現的另一種流派則是等面積法，這是純數學的，和模拟已經沒關系了，還記得沖量相等而形狀不同的窄脈沖嗎？沖量在電路中就是伏秒積，在圖中表現為面積，這個方法将正弦波等分，用等面積的PWM波代替，可以計算出來占空比。這種方法生成的正弦波精度是最高的。

圖為我寫的PY程序，計算得到的結果，調制深度為1，半個周期分16段。PWM幅度等于正弦波最大值，圖中灰色部分是高電平時間。積分求面積，PWM波和正弦波的面積是相等的。

四、代碼

最簡單實現的SPWM我覺得是雙極性調制。全程隻需要控制一個PWM的占空比。代碼包括兩部分，生成SPWM占空比序列的py程序和基于hal庫和STM32cubeMX的單片機程序。因為我用的是F030F4，這玩意兩塊多一片，隻有16kRAM和4k運存，所以實時計算是沒戲了，隻能預先計算好占空比序列，用查表法實現。

生成SPWM占空比序列的py程序有兩個，分别是單極性和雙極性。先從單極性開始吧。

核心思想是分段，求正弦波的積分，除PWM周期長度，結果就是PWM占空比。結果是對稱的，負半周就換個橋臂。很簡單的數學，不詳細分析了。

雙極性也差不多，不過需要做出更改。正弦波的積分除2倍的PWM周期長度，結果再加50%才是PWM占空比。占空比50%時等效0v輸出，100%時等效 vcc，0%等效-vcc。

調制深度大緻等于直流母線電壓利用率，受到mos自舉驅動器和mos的限制，高側mos不可能持續導通，也就是說占空比不可能高到100%，90%算保守值，因此調制深度最好不大于90%。最後輸出的正弦波的有效值=直流母線電壓*調制深度/根号2，輸入24vDC，調制深度0.90時可以輸出有效值15.28vAC。改變調制深度就能改變正弦波電壓。點一下運行，py會以雙精度計算占空比，對于單片機11位的定時器精度絕對是大大超過了。

至于STM32，使用兩個定時器，TIM1使用CH3互補輸出48K的PWM，作為載波，TIM17作為中斷時基，中斷頻率12.8khz（基波50Hz X 調制比256）。

生成好長度為256的占空比序列，存成數組。

重寫TIM17中斷回調函數，每次中斷更新TIM1->CCR3的值，PWM占空比就會以12.8khz的刷新率改變。

到此為止SPWM逆變器的軟件就完成了。隻要正确連接硬件就能輸出SPWM波。隻要改變TIM17ARR值就能改變占空比刷新頻率，實現變頻。

五、硬件設計硬件上需要一個全橋，全橋PCBlayout和選型看我之前的帖子。懶得搞的話，我也有一個現成的全橋模塊我發布在立創的開源平台上了，已經打樣驗證過實物。記得點贊收藏評論三連哦（笑）。這還懶得搞的話請拿錢砸我。

硬件上短接L1和H2,短接L2和H1，任意連接單片機的pwm和互補pwm到兩個輸入端，小心不要接錯。在全橋輸出端接上LC濾波器，上電開機就能看到正弦波了。

将這個正弦波接到變比合适的工頻變壓器上就可以升壓到220v。我手頭上沒有合适的變壓器就不測了。不過比較常規的方案是先升壓到400v直流在輸入高壓全橋逆變成交流電，這樣體積可以做的比較小兩路相差180度正弦波能驅動步進電機，三路依次相差120度的正弦波就是三相逆變器。

上兩張測試圖吧。

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作者：hbozyq

本文來源：數碼之家

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