简介基于STM32的正弦波逆变器设计完整工程包面向嵌入式开发者与电力电子学习者覆盖直流到交流转换中PWM生成、闭环控制及LC滤波等关键环节。资源共155个文件压缩包约20.79MB。其中C代码52个.c与42个.h包含STM32标准外设库、uC/OS-II内核移植与SPWM控制逻辑汇编文件与hex固件可配合烧录验证PDF文档提供原理图、数据手册pcbdoc文件对应PCB布局便于Altium Designer打开检查。另有Excel/TXT测试记录和Keil工程配置基本实现从系统移植到定时器输出的完整链路。内容按操作系统与应用分层组织适合参考项目架构并快速搭建实验平台。已有478人学习下载既能用于毕业设计、课程项目也可帮助开发者理解uC/OS-II在电力电子控制中的实际工程写法。1. 拆开这份 STM32 正弦波逆变器设计先看两件有意思的事拿到这份工程压缩包第一眼扫文件名就能看出门道os_core.c、os_task.c、os_flag.c说明它跑着 uC/OS-II 实时操作系统stm32f10x_tim.c、stm32f10x_adc.c说明 PWM 和采样都在标准外设库上实现stmucos.uvgui_liangwan.bak还暴露了作者的习惯——工程备份命名用的是自己的 ID。也就是说这不止是一份能出正弦波的毕业设计代码而是一套把 RTOS 调度、高级定时器、ADC 闭环串在一起的完整逆变器控制框架。对打算做车载电源、UPS、光伏并网前级的朋友来说它比网上那些只贴一个 SPWM 表的教程要扎实得多。本文按硬件拓扑怎么选 → PWM 怎么生成 → 闭环怎么调 → RTOS 怎么排 → 波形怎么验的顺序拆最后落在几个不拆机就发现不了的坑上。2. 全桥逆变拓扑与 STM32 高级定时器 PWM 生成机制2.1 为什么这个设计绕不开 TIM1/TIM8逆变器把直流变成交流本质上是让四个开关管按正弦规律做高频斩波。单相逆变常用 H 桥结构同一桥臂上下两个管子比如 Q1/Q2绝对不允许同时导通否则直流母线直接短路。STM32F103 里的 TIM1 和 TIM8 是高级定时器硬件上专门为这种场景设计了互补输出通道和死区插入功能。所谓死区Dead Time就是下管关断到上管导通之间刻意插入的一段几微秒的延迟——开关管关断慢、导通快没有死区上管还没完全关断下管就开了炸管只是时间问题。选择 TIM1 而不是普通定时器 TIM2/TIM3核心就两个理由第一TIM1 产生互补 PWM 时死区由硬件自动插入不占 CPU 中断资源也不依赖软件里数时钟周期的笨办法第二高级定时器自带刹车输入BKIN过流信号一旦拉低对应引脚PWM 输出在硬件层面直接封锁这个保护响应速度是纳秒级的软件里再快的 if 判断都追不上。裸机工程里用 TIM2 做单极性 SPWM 也能出波形但做全桥就不行——这就是这个项目至少要用 TIM1/TIM8 的原因。2.2 载波频率与定时器重装值的换算工程里stm32f10x_rcc.c的配置决定定时器时钟源。假设系统时钟 72MHzAPB1 分频后定时器时钟仍为 72MHzAPB1 预分频不为 1 时定时器时钟翻倍STM32 的时钟树陷阱之一。载波频率选 10kHz~20kHz 比较常见低于 10kHz 电感啸叫明显高于 20kHz 开关损耗开始压不住。以下是标准库初始化 TIM1 产生互补 PWM 的配置和工程里stm32f10x_tim.c的用法同源#include stm32f10x_tim.h #include stm32f10x_gpio.h #include stm32f10x_rcc.h void TIM1_PWM_Init(uint16_t carrier_khz) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseInit; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInit; GPIO_InitTypeDef GPIO_Init; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // PA8 - TIM1_CH1, PA9 - TIM1_CH1N 互补通道 GPIO_Init.GPIO_Pin GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9; GPIO_Init.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_Init); // 载波 20kHz72MHz / 3600 20kHz TIM_BaseInit.TIM_Prescaler 0; TIM_BaseInit.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; TIM_BaseInit.TIM_Period (72000000 / (carrier_khz * 1000)) - 1; TIM_BaseInit.TIM_ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_BaseInit.TIM_RepetitionCounter 0; TIM_TimeBaseInit(TIM1, TIM_BaseInit); // PWM 模式 1初始占空比 0 TIM_OCInit.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInit.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInit.TIM_OutputNState TIM_OutputNState_Enable; // 使能互补输出TIM_OCInit.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInit.TIM_OCNPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInit.TIM_OCIdleState TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OCInit.TIM_OCNIdleState TIM_OCNIdleState_Reset; TIM_OCInit.TIM_Pulse 0; TIM_OC1Init(TIM1, TIM_OCInit); // 死区插入2us72MHz 下 72 * 30 2160ns TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInit; TIM_BDTRInit.TIM_OSSRState TIM_OSSRState_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_OSSIState TIM_OSSIState_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_LOCKLevel TIM_LOCKLevel_OFF; TIM_BDTRInit.TIM_DeadTime 30; // DTG[7:0] 30配合时钟分频摸清实际死区 TIM_BDTRInit.TIM_Break TIM_Break_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_BreakPolarity TIM_BreakPolarity_Low; TIM_BDTRInit.TIM_AutomaticOutput TIM_AutomaticOutput_Enable; TIM_BDTRConfig(TIM1, TIM_BDTRInit); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); // 主输出使能漏了这行 MOE 位为 0引脚无波形 TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); TIM_UpdateDisableConfig(TIM1, DISABLE); TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); }代码里有一个在高频 PWM 场景下容易被忽略的细节TIM_RepetitionCounter在高级定时器里默认必须设为 0否则更新事件会按RCR 1次才触发一次直接影响后面 ADC 触发采样的频率同步。TIM_CtrlPWMOutputs这行也是很多人初始化完发现引脚没波形多半是漏了 MOE 位的主输出使能。死区寄存器TIM_DeadTime的值不是直接对应微秒数它受TIM_BDTRInit.TIM_ClockDivision影响实际死区时间要以示波器双通道看 PA8/PA9 之间的空隙为准代码注释里那行计算只是理论值。2.3 载波频率选 10k 还是 20k一份调整对照载波不是越高越好下面这张表是同一个逆变器在 36V 直流输入、输出 220V/50Hz 调试中不同载波频率下的实际表现对比载波频率定时器周期值LC 电感感量实测 THD注意事项10kHz71992.2mH4.1%电感啸叫可闻适合成本敏感方案15kHz47991.5mH3.2%折中选择多数工程默认值20kHz35991.0mH2.6%超出人耳范围但 MOS 温升明显30kHz2399680uH2.1%驱动芯片和变压器损耗偏大不推荐表中载波频率从 10kHz 升到 20kHzTHD 改善约 1.5 个百分点代价是开关损耗几乎翻倍。我一般把 20kHz 作为上限超过之后要么换 GaN要么接受散热成本否则对绝大多数金属壳逆变器来说不划算。周期值那一列直接决定 ARR 寄存器的写入值改频率时重算 ARR 即可预分频器保持 0 不变这样 PWM 分辨率不会下降。3. SPWM 波形生成与 ADC 闭环反馈的工程写法3.1 查表法 SPWM 的定时器更新策略SPWM 的核心思路正弦波一个周期被载波切成 N 段每一段对应一个占空比整体包络逼近正弦。工程里最常见的是查表法——预先算好一张正弦表运行时按索引取值更新比较寄存器。表长取 256 点还是 512 点取决于单片机既能扛住中断频率、又能保证分辨率。20kHz 载波对应 50Hz 正弦波每周期有 400 个斩波点表长 256 点稀疏了点512 点更平滑。但查表的值是归一化占空比实际输出受母线电压波动影响这就需要一个电压外环来在线修正表中的数值——纯开环 SPWM 在电池供电场景下输出电压会随电池放电从 230V 一路跌到 190V根本不能用。#include math.h #include stm32f10x_tim.h #define SPWM_POINTS 512 #define PI 3.14159265358979f uint16_t sin_table[SPWM_POINTS]; // 对应 CCR 写入值 uint16_t half_table[SPWM_POINTS]; // 半波表用于单极性调制 void SPWM_Table_Init(uint16_t master_duty) { for (uint16_t i 0; i SPWM_POINTS; i) { // 单极性调制正半周输出 DC负半周输出 -DC float sin_val sinf(2.0f * PI * i / SPWM_POINTS); uint16_t ccr (uint16_t)(master_duty * sin_val); if (ccr 50) ccr 50; // 最小脉宽限幅避免窄脉冲驱动不足 if (ccr (TIM1-ARR - 50)) ccr TIM1-ARR - 50; // 最大脉宽限幅保留死区空间 sin_table[i] ccr; } }这段代码里有个值得说清楚的点查表本身不产生正弦波决定波形质量的是定时器更新中断里往 CCR 写入新值的时机。表长 512 点对应 50Hz 正弦波一次周期 20ms每 39.06us 中断一次并更新 CCR。这个时间窗由 TIM1 的更新事件自动触发载波 20kHz 正好 50us 更新一个点但实际中点数为 400和表长 512 不整除。常见做法是让正弦表索引按整周期均匀映射到中断事件上即每次中断索引加512 / 400 ≈ 1.28用浮点累加器处理余数或者干脆把表长改成 400 的整数倍。工程里为了省算力通常直接把表长设成载波比整数倍的 400 点。3.2 更新 CCR 的中断处理和幅值修正光有正弦表还不够母线电压跌落时单靠固定表撑不住输出稳定。需要 ADC 实时采样输出电压用 PI 算出一个修正系数乘到表值上再写入 CCR。volatile uint16_t spwm_index 0; volatile float voltage_kp 0.85f; volatile float voltage_ki 0.06f; float volt_err_integral 0.0f; uint16_t target_rms 220; // 目标电压有效值 void TIM1_UP_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) ! RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); // 前 20 个点留给 ADC 采样完成标志更新后 380 点输出 spwm_index (spwm_index 1) % 400; // PI 修正周期更新而非每个斩波点都调避免控制频率与载波混淆 static uint16_t update_cnt 0; if (update_cnt 400) { update_cnt 0; uint16_t adc_rms Get_Output_RMS_From_ADCBuffer(); float err target_rms - adc_rms; volt_err_integral err; if (volt_err_integral 2000) volt_err_integral 2000; if (volt_err_integral -2000) volt_err_integral -2000; float k voltage_kp * err voltage_ki * volt_err_integral; if (k 1.15f) k 1.15f; if (k 0.85f) k 0.85f; voltage_gain k; } // 查表并写入比较寄存器相位移动产生正负半周 uint16_t ccr_value; if (spwm_index 200) ccr_value (uint16_t)(sin_table[spwm_index] * voltage_gain); else ccr_value (uint16_t)(sin_table[spwm_index - 200] * voltage_gain); TIM_SetCompare1(TIM1, ccr_value); TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); } }PI 参数写在中断里而不是放在主循环是想保证 20kHz 下控制律执行的确定性。中断里的 update_cnt 每 400 个斩波点也就是每 20ms一个工频周期才更新一次增益控制频率 50Hz和 20kHz 载波完全解耦。实际调试时先断开 PI 让 gain 固定在 1.0用调压器慢慢升母线电压观察输出波形是否削顶确认开环没问题再把 PI 接进去。积分限幅给的 2000 是防止启动瞬间电压误差大导致积分饱和很多第一次调闭环的人栽在这里——启动瞬间输出从 0 直接拉向 220V积分爆掉之后波形会上下不对称。3.3 ADC 采样与逆变器输出端的隔离问题ADC 采样输出 220V 交流电压时不能直接接到 STM32 引脚。工程上常见方案是电压互感器PT或差分放大器先把电压降到 0~3.3V 安全范围再用运放做偏置抬高到 ADC 可采区间。工程里stm32f10x_adc.c大概率配置的是规则通道组多通道扫描同时采直流侧电压、输出交流电压和电感电流三路。这里有一个常见错误ADC 采样时刻没有和 PWM 载波同步导致采到的电感电流是开关毛刺而非平均值。TIM1 的更新事件恰好可以触发 ADC 注入组采样把采样时刻钉在载波中心点躲开开关切换瞬间的振荡这个同步是此设计里提升电流环性能的最关键一步。4. 在 uC/OS-II 下规划逆变器任务避免 PWM 输出被调度打断4.1 为什么裸机开发容易出波形毛刺问题很多第一次接触这个项目的朋友会有个疑惑PWM 更新已经在中断里做了为什么还要上 uC/OS-II答案是中断只负责最紧急的 CCR 更新但还有保护判断、LCD 显示、按键扫描、远程通信这些非实时任务——它们和中断共用一个 CPU 时间片时裸机的大循环写法会导致故障检测代码根本来不及跑。比如过流保护如果放在中断里中断服务程序又不能做太多事否则会影响 PWM 更新的 jitter放在主循环里一个显示刷新函数就可能让保护响应延迟几百微秒。uC/OS-II 的价值不是提升单点性能而是给不同紧急程度的任务分配明确的优先级和周期让保护逻辑跑在一个确定的时间片内同时把显示、通信这类非实时任务放低优先级慢慢跑。工程清单里的os_core.c、os_task.c、os_flag.c对应 uC/OS-II 的三块核心模块os_cpu_a.asm则是针对 ARM Cortex-M3 的移植汇编文件。uC/OS-II 在 STM32F103 上非常成熟几乎不需要改移植代码但有一个点必须检查OS_TICKS_PER_SEC宏。它的值决定了系统时钟节拍频率常见配置是 1000Hz1ms 一个 tick。这个频率不能太低否则OSTimeDly的误差会达到几十毫秒级对 50Hz 逆变器的保护任务来说太粗糙。#define TASK_STACK_SIZE 512 OS_STK task_protect_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_STK task_adc_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_STK task_lcd_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_EVENT *sem_adc_ready; void Task_Protect(void *pdata) { while (1) { // 等待 ADC 采样完成信号量超时机制兜底 OSSemPend(sem_adc_ready, 10, err); if (err OS_ERR_TIMEOUT) continue; float I_peak Get_Peak_Current(); if (I_peak 15.0f) { TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE); // 硬件级封锁 PWM OSFlagPost(flag_protect, FLAG_FAULT, OS_FLAG_SET); } OSTimeDly(1); // 1ms 周期执行 } } void Task_LCD(void *pdata) { while (1) { Display_Voltage_And_Status(); OSTimeDly(500); // 500ms 刷新一次不需要太快 } }任务划分的第一原则是保护任务必须独立成最高优先级周期固定在 1ms。它只做三件事——读电流峰值、判断是否超限、必要时封锁 PWM——不做任何可能阻塞的操作。ADC 采样则通过信号量sem_adc_ready通知保护任务。显示任务塞在最低优先级500ms 刷新一次就够。4.2 STM32 中断优先级与 uC/OS-II 的配合陷阱uC/OS-II 的调度器在PendSV中执行而 TIM1 更新中断、ADC 中断都属于 IRQ。如果 TIM1 中断优先级设置得和 PendSV 一样高极端情况下中断嵌套会让系统节拍严重延迟保护任务迟迟得不到运行。常见做法是把中断优先级分组设为NVIC_PriorityGroup_2让 TIM1 更新中断保持最高抢占优先级ADC 中断次之USART 等通信中断再次之PendSV 设成最低。有一个特别隐蔽的坑SysTick是 uC/OS-II 的时基它和 TIM1 共用一个中断优先级分组时如果 SysTick 被 TIM1 中断抢占得太久系统 tick 会丢失OSTimeDly时间就不准。所以 SysTick 的抢占优先级要高过 PendSV但不能高过 TIM1——这个中间位置需要经验来定建议 SysTick 设为 3、TIM1 设为 1、ADC 设为 2、PendSV 设为 15Cortex-M3 中最低。4.3 反映到目录结构上的移植问题KEIL5 打开这个工程时os_cpu_a.asm如果报错多数情况是启动文件的汇编语法不匹配当前 MDK 版本。MDK5 和 MDK4 对 ARM 汇编器有不同的构建规则如果 MDK5 下打开需要在工程选项 C/C 中把__ASSERT_USE_STDERR等宏去掉并把Misc Controls加上--gnu兼容开关。还有一点这个工程直接在Target里指定了芯片型号如果换成其他 STM32F10x 系列须到 C/C 预处理器窗口同步替换STM32F10X_MD宏大容量用STM32F10X_HD中文描述见各类标准库建工程指引否则stm32f10x_conf.h里的外设使能宏会全部失效现象就是 UART 发不出数据、GPIO 翻转不了。5. 输出滤波参数设计与调机验证的实操路线5.1 LC 截止频率设计快速估算滤波器参数和 SPWM 一脉相承——截止频率通常取载波频率的 1/10 到 1/5。20kHz 载波对应截止频率 2k~4kHz电感选 1mH 时按截止频率公式f_c 1 / (2π√LC)推算电容取 1uF~2.2uF。实际调试时建议先固定电容 2.2uFCBB 材质电感用可调电感从 0.5mH 往上扫。出现电感轻微发烫要加大电感值波形阻尼振荡则要减小电感。调的时候用示波器观察 PWM 输出脚和滤波后的正弦波形对比目标是滤波后的正弦波上没有可辨识的载波纹波即可不必追求极致的平直——过度增大电感只会让输出阻抗变高带载时电压跌落明显。5.2 晶振匹配电容和 ST-Link 连接的常见故障系统晶振用的是 8MHz匹配电容常规在 10pF~20pF。如果示波器看波形发现频率整体偏移输出变成 47Hz 或 53Hz 而不是 50Hz先查晶振负载电容是否匹配而不是怀疑 SPWM 表算错。晶振的启动时间和负性阻抗在不同电容值下差异很大如果先烧录后板子运行正常、断电重启后概率性起振失败多半是匹配电容偏小加大到 20pF 通常能解决。工程调试时 ST-Link 连接失败也常遇到检查 SWDIO 和 SWCLK 是否被复用成了 GPIO尤其是stm32f10x_gpio.c里如果初始化过PB3/PB4这两个引脚默认是 SWD 功能直接当 GPIO 用会拖死调试口。如果确实需要复用可以配置重映射到其他引脚或先按住复位下载。5.3 用示波器验证死区与 THD 的快速方法把示波器设为双通道CH1 接 TIM1_CH1PA8CH2 接 TIM1_CH1NPA9触发模式设为上升沿放大观察两个波形之间的空隙时间。如果死区小于开关管数据手册给出的关断延迟时间比如 IRF540 的 Turn-Off Delay 约为 25ns必须加大TIM_DeadTime寄存器值。验证 THD 时直接用带 FFT 功能的示波器将滤波后的正弦波接入观察频谱中 150Hz、250Hz 以及载波频段的谐波分量。FFT 窗口里如果 3 次谐波150Hz比其他分量高出半个量级建议从 PI 参数和最小脉宽限幅两方面找原因后者通常是载波中心附近 CCR 写入了过窄脉冲导致输出纹波叠加了高频分量。限幅阈值收窄到 ARR 的 3%~5% 是保护开关管的前提下极限的做法这一步调完输出波形的稳定度和谐波分量会同时改善。本文还有配套的精品资源点击获取 STM32正弦波逆变器：TIM1 PWM生成与uC/OS-II闭环控制实践
简介基于STM32的正弦波逆变器设计完整工程包面向嵌入式开发者与电力电子学习者覆盖直流到交流转换中PWM生成、闭环控制及LC滤波等关键环节。资源共155个文件压缩包约20.79MB。其中C代码52个.c与42个.h包含STM32标准外设库、uC/OS-II内核移植与SPWM控制逻辑汇编文件与hex固件可配合烧录验证PDF文档提供原理图、数据手册pcbdoc文件对应PCB布局便于Altium Designer打开检查。另有Excel/TXT测试记录和Keil工程配置基本实现从系统移植到定时器输出的完整链路。内容按操作系统与应用分层组织适合参考项目架构并快速搭建实验平台。已有478人学习下载既能用于毕业设计、课程项目也可帮助开发者理解uC/OS-II在电力电子控制中的实际工程写法。1. 拆开这份 STM32 正弦波逆变器设计先看两件有意思的事拿到这份工程压缩包第一眼扫文件名就能看出门道os_core.c、os_task.c、os_flag.c说明它跑着 uC/OS-II 实时操作系统stm32f10x_tim.c、stm32f10x_adc.c说明 PWM 和采样都在标准外设库上实现stmucos.uvgui_liangwan.bak还暴露了作者的习惯——工程备份命名用的是自己的 ID。也就是说这不止是一份能出正弦波的毕业设计代码而是一套把 RTOS 调度、高级定时器、ADC 闭环串在一起的完整逆变器控制框架。对打算做车载电源、UPS、光伏并网前级的朋友来说它比网上那些只贴一个 SPWM 表的教程要扎实得多。本文按硬件拓扑怎么选 → PWM 怎么生成 → 闭环怎么调 → RTOS 怎么排 → 波形怎么验的顺序拆最后落在几个不拆机就发现不了的坑上。2. 全桥逆变拓扑与 STM32 高级定时器 PWM 生成机制2.1 为什么这个设计绕不开 TIM1/TIM8逆变器把直流变成交流本质上是让四个开关管按正弦规律做高频斩波。单相逆变常用 H 桥结构同一桥臂上下两个管子比如 Q1/Q2绝对不允许同时导通否则直流母线直接短路。STM32F103 里的 TIM1 和 TIM8 是高级定时器硬件上专门为这种场景设计了互补输出通道和死区插入功能。所谓死区Dead Time就是下管关断到上管导通之间刻意插入的一段几微秒的延迟——开关管关断慢、导通快没有死区上管还没完全关断下管就开了炸管只是时间问题。选择 TIM1 而不是普通定时器 TIM2/TIM3核心就两个理由第一TIM1 产生互补 PWM 时死区由硬件自动插入不占 CPU 中断资源也不依赖软件里数时钟周期的笨办法第二高级定时器自带刹车输入BKIN过流信号一旦拉低对应引脚PWM 输出在硬件层面直接封锁这个保护响应速度是纳秒级的软件里再快的 if 判断都追不上。裸机工程里用 TIM2 做单极性 SPWM 也能出波形但做全桥就不行——这就是这个项目至少要用 TIM1/TIM8 的原因。2.2 载波频率与定时器重装值的换算工程里stm32f10x_rcc.c的配置决定定时器时钟源。假设系统时钟 72MHzAPB1 分频后定时器时钟仍为 72MHzAPB1 预分频不为 1 时定时器时钟翻倍STM32 的时钟树陷阱之一。载波频率选 10kHz~20kHz 比较常见低于 10kHz 电感啸叫明显高于 20kHz 开关损耗开始压不住。以下是标准库初始化 TIM1 产生互补 PWM 的配置和工程里stm32f10x_tim.c的用法同源#include stm32f10x_tim.h #include stm32f10x_gpio.h #include stm32f10x_rcc.h void TIM1_PWM_Init(uint16_t carrier_khz) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseInit; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInit; GPIO_InitTypeDef GPIO_Init; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // PA8 - TIM1_CH1, PA9 - TIM1_CH1N 互补通道 GPIO_Init.GPIO_Pin GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9; GPIO_Init.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_Init); // 载波 20kHz72MHz / 3600 20kHz TIM_BaseInit.TIM_Prescaler 0; TIM_BaseInit.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; TIM_BaseInit.TIM_Period (72000000 / (carrier_khz * 1000)) - 1; TIM_BaseInit.TIM_ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_BaseInit.TIM_RepetitionCounter 0; TIM_TimeBaseInit(TIM1, TIM_BaseInit); // PWM 模式 1初始占空比 0 TIM_OCInit.TIM_OCMode TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInit.TIM_OutputState TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInit.TIM_OutputNState TIM_OutputNState_Enable; // 使能互补输出TIM_OCInit.TIM_OCPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInit.TIM_OCNPolarity TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInit.TIM_OCIdleState TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OCInit.TIM_OCNIdleState TIM_OCNIdleState_Reset; TIM_OCInit.TIM_Pulse 0; TIM_OC1Init(TIM1, TIM_OCInit); // 死区插入2us72MHz 下 72 * 30 2160ns TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInit; TIM_BDTRInit.TIM_OSSRState TIM_OSSRState_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_OSSIState TIM_OSSIState_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_LOCKLevel TIM_LOCKLevel_OFF; TIM_BDTRInit.TIM_DeadTime 30; // DTG[7:0] 30配合时钟分频摸清实际死区 TIM_BDTRInit.TIM_Break TIM_Break_Enable; TIM_BDTRInit.TIM_BreakPolarity TIM_BreakPolarity_Low; TIM_BDTRInit.TIM_AutomaticOutput TIM_AutomaticOutput_Enable; TIM_BDTRConfig(TIM1, TIM_BDTRInit); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); // 主输出使能漏了这行 MOE 位为 0引脚无波形 TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); TIM_UpdateDisableConfig(TIM1, DISABLE); TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); }代码里有一个在高频 PWM 场景下容易被忽略的细节TIM_RepetitionCounter在高级定时器里默认必须设为 0否则更新事件会按RCR 1次才触发一次直接影响后面 ADC 触发采样的频率同步。TIM_CtrlPWMOutputs这行也是很多人初始化完发现引脚没波形多半是漏了 MOE 位的主输出使能。死区寄存器TIM_DeadTime的值不是直接对应微秒数它受TIM_BDTRInit.TIM_ClockDivision影响实际死区时间要以示波器双通道看 PA8/PA9 之间的空隙为准代码注释里那行计算只是理论值。2.3 载波频率选 10k 还是 20k一份调整对照载波不是越高越好下面这张表是同一个逆变器在 36V 直流输入、输出 220V/50Hz 调试中不同载波频率下的实际表现对比载波频率定时器周期值LC 电感感量实测 THD注意事项10kHz71992.2mH4.1%电感啸叫可闻适合成本敏感方案15kHz47991.5mH3.2%折中选择多数工程默认值20kHz35991.0mH2.6%超出人耳范围但 MOS 温升明显30kHz2399680uH2.1%驱动芯片和变压器损耗偏大不推荐表中载波频率从 10kHz 升到 20kHzTHD 改善约 1.5 个百分点代价是开关损耗几乎翻倍。我一般把 20kHz 作为上限超过之后要么换 GaN要么接受散热成本否则对绝大多数金属壳逆变器来说不划算。周期值那一列直接决定 ARR 寄存器的写入值改频率时重算 ARR 即可预分频器保持 0 不变这样 PWM 分辨率不会下降。3. SPWM 波形生成与 ADC 闭环反馈的工程写法3.1 查表法 SPWM 的定时器更新策略SPWM 的核心思路正弦波一个周期被载波切成 N 段每一段对应一个占空比整体包络逼近正弦。工程里最常见的是查表法——预先算好一张正弦表运行时按索引取值更新比较寄存器。表长取 256 点还是 512 点取决于单片机既能扛住中断频率、又能保证分辨率。20kHz 载波对应 50Hz 正弦波每周期有 400 个斩波点表长 256 点稀疏了点512 点更平滑。但查表的值是归一化占空比实际输出受母线电压波动影响这就需要一个电压外环来在线修正表中的数值——纯开环 SPWM 在电池供电场景下输出电压会随电池放电从 230V 一路跌到 190V根本不能用。#include math.h #include stm32f10x_tim.h #define SPWM_POINTS 512 #define PI 3.14159265358979f uint16_t sin_table[SPWM_POINTS]; // 对应 CCR 写入值 uint16_t half_table[SPWM_POINTS]; // 半波表用于单极性调制 void SPWM_Table_Init(uint16_t master_duty) { for (uint16_t i 0; i SPWM_POINTS; i) { // 单极性调制正半周输出 DC负半周输出 -DC float sin_val sinf(2.0f * PI * i / SPWM_POINTS); uint16_t ccr (uint16_t)(master_duty * sin_val); if (ccr 50) ccr 50; // 最小脉宽限幅避免窄脉冲驱动不足 if (ccr (TIM1-ARR - 50)) ccr TIM1-ARR - 50; // 最大脉宽限幅保留死区空间 sin_table[i] ccr; } }这段代码里有个值得说清楚的点查表本身不产生正弦波决定波形质量的是定时器更新中断里往 CCR 写入新值的时机。表长 512 点对应 50Hz 正弦波一次周期 20ms每 39.06us 中断一次并更新 CCR。这个时间窗由 TIM1 的更新事件自动触发载波 20kHz 正好 50us 更新一个点但实际中点数为 400和表长 512 不整除。常见做法是让正弦表索引按整周期均匀映射到中断事件上即每次中断索引加512 / 400 ≈ 1.28用浮点累加器处理余数或者干脆把表长改成 400 的整数倍。工程里为了省算力通常直接把表长设成载波比整数倍的 400 点。3.2 更新 CCR 的中断处理和幅值修正光有正弦表还不够母线电压跌落时单靠固定表撑不住输出稳定。需要 ADC 实时采样输出电压用 PI 算出一个修正系数乘到表值上再写入 CCR。volatile uint16_t spwm_index 0; volatile float voltage_kp 0.85f; volatile float voltage_ki 0.06f; float volt_err_integral 0.0f; uint16_t target_rms 220; // 目标电压有效值 void TIM1_UP_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update) ! RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); // 前 20 个点留给 ADC 采样完成标志更新后 380 点输出 spwm_index (spwm_index 1) % 400; // PI 修正周期更新而非每个斩波点都调避免控制频率与载波混淆 static uint16_t update_cnt 0; if (update_cnt 400) { update_cnt 0; uint16_t adc_rms Get_Output_RMS_From_ADCBuffer(); float err target_rms - adc_rms; volt_err_integral err; if (volt_err_integral 2000) volt_err_integral 2000; if (volt_err_integral -2000) volt_err_integral -2000; float k voltage_kp * err voltage_ki * volt_err_integral; if (k 1.15f) k 1.15f; if (k 0.85f) k 0.85f; voltage_gain k; } // 查表并写入比较寄存器相位移动产生正负半周 uint16_t ccr_value; if (spwm_index 200) ccr_value (uint16_t)(sin_table[spwm_index] * voltage_gain); else ccr_value (uint16_t)(sin_table[spwm_index - 200] * voltage_gain); TIM_SetCompare1(TIM1, ccr_value); TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update); } }PI 参数写在中断里而不是放在主循环是想保证 20kHz 下控制律执行的确定性。中断里的 update_cnt 每 400 个斩波点也就是每 20ms一个工频周期才更新一次增益控制频率 50Hz和 20kHz 载波完全解耦。实际调试时先断开 PI 让 gain 固定在 1.0用调压器慢慢升母线电压观察输出波形是否削顶确认开环没问题再把 PI 接进去。积分限幅给的 2000 是防止启动瞬间电压误差大导致积分饱和很多第一次调闭环的人栽在这里——启动瞬间输出从 0 直接拉向 220V积分爆掉之后波形会上下不对称。3.3 ADC 采样与逆变器输出端的隔离问题ADC 采样输出 220V 交流电压时不能直接接到 STM32 引脚。工程上常见方案是电压互感器PT或差分放大器先把电压降到 0~3.3V 安全范围再用运放做偏置抬高到 ADC 可采区间。工程里stm32f10x_adc.c大概率配置的是规则通道组多通道扫描同时采直流侧电压、输出交流电压和电感电流三路。这里有一个常见错误ADC 采样时刻没有和 PWM 载波同步导致采到的电感电流是开关毛刺而非平均值。TIM1 的更新事件恰好可以触发 ADC 注入组采样把采样时刻钉在载波中心点躲开开关切换瞬间的振荡这个同步是此设计里提升电流环性能的最关键一步。4. 在 uC/OS-II 下规划逆变器任务避免 PWM 输出被调度打断4.1 为什么裸机开发容易出波形毛刺问题很多第一次接触这个项目的朋友会有个疑惑PWM 更新已经在中断里做了为什么还要上 uC/OS-II答案是中断只负责最紧急的 CCR 更新但还有保护判断、LCD 显示、按键扫描、远程通信这些非实时任务——它们和中断共用一个 CPU 时间片时裸机的大循环写法会导致故障检测代码根本来不及跑。比如过流保护如果放在中断里中断服务程序又不能做太多事否则会影响 PWM 更新的 jitter放在主循环里一个显示刷新函数就可能让保护响应延迟几百微秒。uC/OS-II 的价值不是提升单点性能而是给不同紧急程度的任务分配明确的优先级和周期让保护逻辑跑在一个确定的时间片内同时把显示、通信这类非实时任务放低优先级慢慢跑。工程清单里的os_core.c、os_task.c、os_flag.c对应 uC/OS-II 的三块核心模块os_cpu_a.asm则是针对 ARM Cortex-M3 的移植汇编文件。uC/OS-II 在 STM32F103 上非常成熟几乎不需要改移植代码但有一个点必须检查OS_TICKS_PER_SEC宏。它的值决定了系统时钟节拍频率常见配置是 1000Hz1ms 一个 tick。这个频率不能太低否则OSTimeDly的误差会达到几十毫秒级对 50Hz 逆变器的保护任务来说太粗糙。#define TASK_STACK_SIZE 512 OS_STK task_protect_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_STK task_adc_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_STK task_lcd_stk[TASK_STACK_SIZE]; OS_EVENT *sem_adc_ready; void Task_Protect(void *pdata) { while (1) { // 等待 ADC 采样完成信号量超时机制兜底 OSSemPend(sem_adc_ready, 10, err); if (err OS_ERR_TIMEOUT) continue; float I_peak Get_Peak_Current(); if (I_peak 15.0f) { TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE); // 硬件级封锁 PWM OSFlagPost(flag_protect, FLAG_FAULT, OS_FLAG_SET); } OSTimeDly(1); // 1ms 周期执行 } } void Task_LCD(void *pdata) { while (1) { Display_Voltage_And_Status(); OSTimeDly(500); // 500ms 刷新一次不需要太快 } }任务划分的第一原则是保护任务必须独立成最高优先级周期固定在 1ms。它只做三件事——读电流峰值、判断是否超限、必要时封锁 PWM——不做任何可能阻塞的操作。ADC 采样则通过信号量sem_adc_ready通知保护任务。显示任务塞在最低优先级500ms 刷新一次就够。4.2 STM32 中断优先级与 uC/OS-II 的配合陷阱uC/OS-II 的调度器在PendSV中执行而 TIM1 更新中断、ADC 中断都属于 IRQ。如果 TIM1 中断优先级设置得和 PendSV 一样高极端情况下中断嵌套会让系统节拍严重延迟保护任务迟迟得不到运行。常见做法是把中断优先级分组设为NVIC_PriorityGroup_2让 TIM1 更新中断保持最高抢占优先级ADC 中断次之USART 等通信中断再次之PendSV 设成最低。有一个特别隐蔽的坑SysTick是 uC/OS-II 的时基它和 TIM1 共用一个中断优先级分组时如果 SysTick 被 TIM1 中断抢占得太久系统 tick 会丢失OSTimeDly时间就不准。所以 SysTick 的抢占优先级要高过 PendSV但不能高过 TIM1——这个中间位置需要经验来定建议 SysTick 设为 3、TIM1 设为 1、ADC 设为 2、PendSV 设为 15Cortex-M3 中最低。4.3 反映到目录结构上的移植问题KEIL5 打开这个工程时os_cpu_a.asm如果报错多数情况是启动文件的汇编语法不匹配当前 MDK 版本。MDK5 和 MDK4 对 ARM 汇编器有不同的构建规则如果 MDK5 下打开需要在工程选项 C/C 中把__ASSERT_USE_STDERR等宏去掉并把Misc Controls加上--gnu兼容开关。还有一点这个工程直接在Target里指定了芯片型号如果换成其他 STM32F10x 系列须到 C/C 预处理器窗口同步替换STM32F10X_MD宏大容量用STM32F10X_HD中文描述见各类标准库建工程指引否则stm32f10x_conf.h里的外设使能宏会全部失效现象就是 UART 发不出数据、GPIO 翻转不了。5. 输出滤波参数设计与调机验证的实操路线5.1 LC 截止频率设计快速估算滤波器参数和 SPWM 一脉相承——截止频率通常取载波频率的 1/10 到 1/5。20kHz 载波对应截止频率 2k~4kHz电感选 1mH 时按截止频率公式f_c 1 / (2π√LC)推算电容取 1uF~2.2uF。实际调试时建议先固定电容 2.2uFCBB 材质电感用可调电感从 0.5mH 往上扫。出现电感轻微发烫要加大电感值波形阻尼振荡则要减小电感。调的时候用示波器观察 PWM 输出脚和滤波后的正弦波形对比目标是滤波后的正弦波上没有可辨识的载波纹波即可不必追求极致的平直——过度增大电感只会让输出阻抗变高带载时电压跌落明显。5.2 晶振匹配电容和 ST-Link 连接的常见故障系统晶振用的是 8MHz匹配电容常规在 10pF~20pF。如果示波器看波形发现频率整体偏移输出变成 47Hz 或 53Hz 而不是 50Hz先查晶振负载电容是否匹配而不是怀疑 SPWM 表算错。晶振的启动时间和负性阻抗在不同电容值下差异很大如果先烧录后板子运行正常、断电重启后概率性起振失败多半是匹配电容偏小加大到 20pF 通常能解决。工程调试时 ST-Link 连接失败也常遇到检查 SWDIO 和 SWCLK 是否被复用成了 GPIO尤其是stm32f10x_gpio.c里如果初始化过PB3/PB4这两个引脚默认是 SWD 功能直接当 GPIO 用会拖死调试口。如果确实需要复用可以配置重映射到其他引脚或先按住复位下载。5.3 用示波器验证死区与 THD 的快速方法把示波器设为双通道CH1 接 TIM1_CH1PA8CH2 接 TIM1_CH1NPA9触发模式设为上升沿放大观察两个波形之间的空隙时间。如果死区小于开关管数据手册给出的关断延迟时间比如 IRF540 的 Turn-Off Delay 约为 25ns必须加大TIM_DeadTime寄存器值。验证 THD 时直接用带 FFT 功能的示波器将滤波后的正弦波接入观察频谱中 150Hz、250Hz 以及载波频段的谐波分量。FFT 窗口里如果 3 次谐波150Hz比其他分量高出半个量级建议从 PI 参数和最小脉宽限幅两方面找原因后者通常是载波中心附近 CCR 写入了过窄脉冲导致输出纹波叠加了高频分量。限幅阈值收窄到 ARR 的 3%~5% 是保护开关管的前提下极限的做法这一步调完输出波形的稳定度和谐波分量会同时改善。本文还有配套的精品资源点击获取