基于STM32單片機的變頻正弦信號發生器

蔣昭穎

（國電子科技集團第15研究所 北京　100083）

基于STM32單片機的變頻正弦信號發生器

蔣昭穎

（國電子科技集團第15研究所 北京100083）

為了實現對三相永磁式同步交流伺服電機頻域響應的檢測需求，提出了一種基于ARM單片機的變頻率PWM正弦信號發生器的設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統的硬件部分采用STM32F103系列ARM單片機，用于PWM方式輸出變頻率的模擬正弦信號，軟件部分采用Keil進行編程。通過軟件仿真和示波器對輸出信號進行檢測，利用該方案的正弦信號發生器對三相永磁式同步交流伺服電機進行頻率響應測試，將得到的數據利用matlab繪圖，實驗結果表明此方案產生的正弦信號發生器滿足電機頻響需求。

交流伺服電機；ARM單片機；PWM；正弦信號發生器

近年來，中國航空工業的發展進一步加速，新型號，新機型不斷推出，大型運輸機成功首飛，C919大型客機開始進行結構總裝，航空零部件生產規模不斷擴大，這一系列成就預示著中國的大飛機時代正離我們越來越近。在大飛機項目發展的同時，相應機型的飛行模擬器研制也逐漸加快了腳步。本文依托于某機型飛行模擬器項目的操縱負荷系統的研發，為了滿足操縱負荷系統的實時性要求，對系統內交流伺服電機的頻域響應進行了深入研究。

控制系統中的信號可以表示為不同頻率正弦信號的合成。控制系統的頻率特性反映正弦信號作用下系統響應的性能，所以頻域分析法是研究系統頻率特性非常有效的方法。為了能夠更直觀的對電機系統頻率響應進行檢測，需要為電機系統提供一個合適的信號源。信號發生器在工程領域是常用的信號源，種類包括：函數信號發生器、脈沖信號發生器等。這些信號發生器可以為系統提供所需頻率、波形的電壓和電流信號。本文涉及電子電路以及自動化控制技術，借助于ARM單片機的TIMER（定時器）功能以及PWM輸出，為正弦信號發生器的設計提供了理論依據和技術支持，同時將正弦信號加到交流伺服電機上進行驗證電機的頻率響應特性。

1　正弦信號發生器總體設計

1.1理論分析

PWM（脈沖寬度調制）將模擬信號進行數字編碼，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內的“接通”和“斷開”時間的長短。對于直流電機來說，通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。從某種意義上來說，只要帶寬足夠，PWM可以對任何模擬量進行數字編碼。

交流脈寬調制是建立在直流脈寬調制基礎上，通過一定的方式將正弦波改為幅值相等，而占空比有規律變化的方波來進行對交流的調制。基本工作原理是先將50 Hz交流電經整流變壓器變壓得到所需電壓，經二極管和電容濾波，形成恒定直流電壓，而后送入大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相電壓和頻率均可調整的等效于正弦波的脈寬調制波（SPWM波），即可拖動三相伺服電機運轉。

根據采樣控制理論，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。沖量即指窄脈沖的面積，效果相同是指環節的輸出相應波形基本相同［1］。在本文中，針對交流伺服電機的位置模式特性，傳統的交流脈寬調制改變占空比的方案并不適用。由于在位置模式工作下的伺服電機會檢測單片機發出的脈沖上升沿從而進行相應的動作，而在高電平期間，電機處于靜止狀態，所以改變占空比并不會使得電機按照正弦信號的規律進行運動。在這樣的情況下，我對傳統的交流脈寬調制進行了修改，即通過一定的方式將正弦波改為幅值相等，而頻率有規律變化的方波來進行對交流的調制。

PWM方式的優點是信號是數字式，抗干擾能力強，無需通過單片機的數模轉換，應用廣泛，同時信號的穩定性與平滑性都很好，易于調控幅值和頻率。

1.2總體設計

STM32F103單片機采用CortexM3內核，同時為了實現低功耗，設計了一個功能完善但非常復雜的時鐘系統。飛行模擬器操縱負荷系統中的交流伺服電機在運動過程中對實時性有較大的要求，需要的信號源的頻率要求在0.6～4 Hz之間并且可調。我們選用STM32中的高速時鐘。從芯片角度來說，時鐘源分為內部時鐘與外部時鐘源，內部時鐘是在芯片內部RC振蕩器產生的，起振較快，而外部時鐘信號是由外部晶振輸入，在本文設計的方案中選用內部時鐘［2］。

圖1　方案設計圖Fig.1　Structure diagram of project

高速內部時鐘的頻率為8 MHz，經過單片機內部倍頻到64 MHz輸出，我們需要對系統時鐘進行分頻處理，分頻后的時鐘可以對輸出PWM信號的頻率進行調節。

PWM頻率=系統時鐘頻率/（分頻系數*（1+計數器上限值））

由于單片機進行脈沖采樣，所以我們對正弦函數進行離散化處理，取到的N個點，可以影響信號源的精度，由于采樣頻率越高，信號越趨近于正弦值，但是相應的實時性會下降，所以，我們需要根據實際情況進行離散化精度處理。根據采樣定理（在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時 （fs.max＞2fmax），采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5～10倍）得到的正弦數據對應的就是PWM輸出頻率。PWM的占空比我們設定為頻率的50%。

對于正弦信號發生器，它的模擬正弦波輸出可以用下式描述：上式中t為連續時間，離散化處理后，用單片機內部時鐘clk進行采樣

利用CAN總線將采樣數據通過串口發送至上位機軟件，并且將數據在上位機軟件中進行繪圖。交流伺服電機根據正弦信號進行往復運動，同時將速度信息通過485通訊傳送至上位機軟件，保存數據并在上位機軟件中進行繪圖。

圖2　正弦信號采樣圖Fig.2　Sampling diagram of sine-wave

2　硬件設計

對于STM32系列單片機，我們采取定時器PWM輸出模式，通過ARR寄存器調整頻率，通過TIM_Pulse調整占空比，直接生成頻率可變的方波信號，也就是PWM信號。由于PWM波本身是數字脈沖，其中含有大量的高頻成分，因此，我加入了積分器電路——有源低通濾波器，將高頻成分除去，從而得到較好的模擬變化信號［3-4］。

圖3　硬件電路設計圖Fig.3　Design of hardware circuit

模擬器操縱負荷要求精度較高，所以在本文對傳統的PWM到電壓D/A轉換電路做了改進。傳統轉換電路利用單片機PWM輸出，經過簡單的RC積分電路除去高頻，得到D/ A轉換輸出電壓。該電路沒有基準電壓，且隨著頻率不斷的變化，精度很難保證，同時負載能力差，只適用于精度要求不高，負載很小的場合。

對于改進的電路，我增加了基準電壓和負載驅動。電路中的LM336-5為基準電壓源，LM358為輸出放大器。PWM經過兩級阻容濾波得到電壓信號，實現D/A轉換功能。由于放大器的輸入阻抗大，二級阻容濾波效果好，輸出電壓波紋小，滿足高精度要求。由于電容的存在，電路輸出會有相位滯后，過渡時間影響D/A的轉換速度，通過調整阻容參數，可以改變轉換速度［5-6］。

3　軟件設計

本方案設計的信號發生器主要對ARM單片機的定時器進行編程。STM32定時器除了TIM6和TIM7之外，其他的定時器均可以用來產生PWM輸出。定時器分為高級定時器和通用定時器，高級定時器可以產生多達7路的PWM輸出，而通用定時器也能產生多達4路的PWM輸出，本文我選用通用定時器TIM2。

為了實現變頻率PWM輸出，我主要研究STM32通用定時器TIM2中的寄存器，用于控制PWM。通過配置捕獲/比較模式寄存器、捕獲/比較使能寄存器、捕獲/比較寄存器以及自動裝載寄存器的數值可以調整PWM的幅值和占空比。

中斷在本方案中起到了決定性的作用，由于我們的PWM不是傳統的定頻率、定占空比，所以自動裝載寄存器的數值要隨正弦值變化。同時，本方案的PWM輸出需要精確定位，因為對于交流電機的控制，我們需要精確地將脈沖個數發給電機，使其走相應的位移。所以，當自動裝載寄存器的值達到上限時，需要進入中斷進行對自動裝載寄存器的數值進行修改。

本方案的數據通訊應用到了CAN總線通訊，將PWM的信號輸出通過CAN總線傳輸至串口，得到的數據利用上位機軟件進行繪圖比較。CAN總線通常有2根線（CAN_High和CAN_Low）組成，CAN控制器通過一個收發器連接到總線上，總線的電平由CAN_High和CAN_Low的電位差來確定，總線有2個電平：顯性和隱性，在任意給定的時間內，總線總是處于這2個電平之一。對于邏輯上“線與”的總線，顯性和隱性電平被看作邏輯0和邏輯1，一個發送單元能夠通過改變總線電平來送一個信息給接收單元。本設計中的CAN協議主要利用了數據幀類型。數據幀由發送單元使用，用來發送信息給接收單元。數據幀有7個域組成，分別是幀開始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、ACK域以及幀結束［7］。

圖4　改進D/A轉換圖Fig.4　Diagram of D/A improvement

4　實驗分析

首先測試STM32單片機PWM輸出，KEIL軟件仿真圖如圖5所示。

圖5　變頻PWM輸出仿真圖Fig.5　Diagram of PWM output with frequency conversion

從圖中可以看出，在一個周期內，PWM按正弦頻率輸出，占空比為輸出頻率的1/2。該仿真圖對應的正弦波頻率為1 Hz。將此PWM的脈沖加到交流伺服電機，電機將以1 Hz的頻率進行往復運動。

通過CAN總線通訊，將電機編碼器反饋數據傳至上位機軟件，得到的數據在matlab下繪圖如圖6所示。

圖6　10 Hz采樣圖Fig.6　Diagram of 10 Hz sample

以10 Hz的頻率對電機反饋的信號進行采樣，采樣點數為1 000個點，從圖中可以看出，采樣數據為正弦信號，說明電機反饋的速度信號是正弦信號，驗證了伺服電機的速度跟蹤性能良好。

將上位機采集到的電機速度反饋數據畫成連續曲線，時間為10 s，采樣頻率為10 Hz，采樣點為1 000個，得到的連續曲線有些許失真，并不是非常平滑，說明采樣點個數的減少，信號會有失真。模擬機操縱負荷系統對信號的跟隨性能有很高要求，信號的頻率要達到4 Hz不失真，所以要在保證實時性的前提盡可能多的提高采樣頻率。

圖7　10 Hz采樣連續圖Fig.7　Continuous diagram of 10 Hz sample

最后，我將硬件電路輸出連接至示波器驗證改進的D/A電路效果是否明顯，頻率分別調整為100 Hz和1 kHz，發現輸出的波形效果非常好，說明改進的D/A電路對信號發生器的模擬波形有顯著改善。

圖8　100 Hz連續圖Fig.8　Continuous diagram of 100 Hz

圖9　1 kHz連續圖Fig.9　Continuous diagram of 1 kHz

5　結　論

本文設計了變頻率PWM正弦信號發生器用于模擬機操縱負荷系統，信號發生器能夠產生1～4 Hz頻率正弦信號且不發生失真，滿足操縱負荷系統實時性和精準性的要求，并且在本文的信號發生器設計了改進D/A型硬件電路，使得信號發生器模擬輸出1～1 kHz正弦信號均不發生失真。根據最終的實驗結果可以驗證，該方案在頻率穩定性、抗干擾能力以及硬件電路實現情況等方面均具有較大的優點。同時該方案也是PWM從理論分析到實際應用的一個典型案例。

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Design of sine-wave signal generator of frequency conversion based on STM32

JIANG Zhao-ying
（China Electronics Technology Group Corporation 15th，Beijing 100083，China）

In order to satisfy the requirement of frequency domain response of AC servo motor，we proposed a method for produce a sine-wave signal of frequency conversion based on ARM.The hardware system is used to PWM output to produce a sine-wave signal of frequency conversion by STM32F103.The software system adopts the Keil as development environment. Simulations using software and oscilloscope accomplish to detect output signal.The results show that the proposal can satisfy the requirement of frequency domain response of AC servo motor.

AC servo motor；ARM；PWM；sine-wave signal generator

TN710

A

1674－6236（2016）05-0190-04

2015-05-06稿件編號：201505041

蔣昭穎（1992—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士。研究方向：嵌入式系統，網絡前沿技術。