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STM32逆变器设计:SPWM源码+原理图PCB+VB上位机
一、项目概述与设计思路
逆变器作为直流转交流的核心装置，在新能源、工业控制、应急供电等领域应用广泛。本设计以STM32F103系列单片机为核心，采用SPWM（正弦脉冲宽度调制）技术实现纯正弦波输出，搭配VB上位机构成完整的逆变控制系统。系统主要包含三大模块：STM32主控单元、功率逆变电路、VB监控上位机，具有输出稳定、谐波失真小、可远程调控等特点。
核心设计原理
SPWM技术基于冲量等效原理，通过控制开关管的导通时间，使输出脉冲序列的面积与目标正弦波在对应区间的面积相等，从而等效出正弦波电压。具体实现时，将正弦调制波与三角载波比较，生成等幅不等宽的脉冲序列，驱动全桥逆变电路输出交流电。
二、硬件电路设计（原理图与PCB）
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1. 主控单元电路
主控芯片选用STM32F103RCT6，该芯片具备丰富的定时器资源，可轻松实现SPWM信号生成。核心外围电路包括：
- 电源模块
通过LM1117-3.3将5V输入转换为3.3V，为单片机供电； - 晶振电路
8MHz外部晶振配合内部PLL，提供72MHz系统时钟； - 调试接口
SWD下载调试电路，支持程序烧录与在线调试。
2. 功率逆变电路
采用全桥逆变拓扑，由4个MOS管组成H桥结构，通过IR2104驱动芯片实现高低侧管的隔离驱动。关键电路设计包括：
- 死区时间控制
通过STM32定时器的互补输出功能，设置死区时间避免上下管直通； - LC滤波电路
采用π型LC滤波器滤除SPWM波中的高频分量，输出平滑正弦波； - 保护电路
集成过流、过压、欠压保护，通过采样电阻和比较器实现故障检测，触发单片机快速关断输出。
3. PCB设计要点
- 分层布局
将模拟地与数字地分离，单点连接减少干扰； - 功率路径优化
增大铜箔宽度（≥2mm）降低导通电阻，减少发热； - 隔离设计
驱动电路与功率电路通过光耦隔离，提高系统抗干扰能力。
三、STM32软件设计（SPWM源码解析）
1. 系统初始化配置
通过STM32CubeMX完成定时器、GPIO等外设的初始化配置，关键代码如下：
#include “stm32f1xx_hal.h“
#include “spwm.h“
// 定义SPWM相关参数
#define SPWM_FREQ 50 // 输出正弦波频率50Hz
#define CARRIER_FREQ 10000 // 载波频率10kHz
#define TABLE_SIZE 200 // SPWM查找表长度
// SPWM查找表（预计算正弦值）
uint16_t spwm_table[TABLE_SIZE];
// 定时器句柄
TIM_HandleTypeDef htim1;
// 初始化函数
void SPWM_Init(void)
{
// 计算SPWM查找表
for(int i=0; i<TABLE_SIZE; i++)
{
// 正弦值计算：sin(2πi/TABLE_SIZE)，放大后转换为比较值
float sin_val = sin(2 * PI * i / TABLE_SIZE);
spwm_table[i] = (uint16_t)((sin_val + 1) * 0.5 * TIM1->ARR);
}
// 定时器初始化（配置为PWM互补输出模式）
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = (SystemCoreClock / CARRIER_FREQ) – 1;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period=(SystemCoreClock/(CARRIER_FREQ * (TABLE_SIZE/SPWM_FREQ))) – 1;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
// 配置PWM通道1与互补通道
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) {
Error_Handler();
}
// 启动PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}
2. SPWM输出控制
通过定时器中断更新PWM比较值，实现SPWM波形输出
// 定时器中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
static uint16_t index = 0;
if(htim->Instance == TIM1) {
// 更新比较寄存器值，输出SPWM脉冲
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, spwm_table[index]);
index = (index + 1) % TABLE_SIZE;
}
}
// 调节输出电压（通过修改调制度实现）
void SPWM_SetVoltage(float voltage) {
float modulation = voltage / 311.0; // 311V为220V交流峰值
for(int i=0; i<TABLE_SIZE; i++){
spwm_table[i] = (uint16_t)((sin(2 * PI * i / TABLE_SIZE) + 1) * 0.5 * TIM1->ARR * modulation);
}
}
3. 保护功能实现
通过ADC采样输出电流与电压，在主循环中进行故障检测：
// 过流检测函数
uint8_t Overcurrent_Detect(void)
{
uint16_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
float current = adc_val * 3.3 / 4096 / 0.01; // 0.01Ω采样电阻
if(current > 10.0) { // 10A过流阈值
SPWM_Stop(); // 关闭SPWM输出
return 1;
}
return 0;
}
四、VB上位机设计（远程监控与调控）
1. 上位机功能模块
VB上位机通过串口与STM32通信，实现以下功能：
- 实时监控
显示输出电压、电流、频率等参数； - 参数设置
远程调节输出电压、频率； - 故障报警
接收单片机发送的故障信息，弹出报警提示。
2. 核心代码实现
vb
Private Sub Form_Load()
MSComm1.CommPort = 1 // 选择串口1
MSComm1.Settings = “9600,N,8,1” // 波特率9600，无校验，8位数据位，1位停止位
MSComm1.PortOpen = True // 打开串口
End Sub
// 发送调节命令
Private Sub cmdSetVoltage_Click()
Dim voltage As Integer
voltage = Val(txtVoltage.Text)
MSComm1.Output = “V” & CStr(voltage) & vbCrLf // 发送电压设置命令
End Sub
// 接收单片机数据
Private Sub MSComm1_OnComm()
Dim recvData As String
If MSComm1.CommEvent = comEvReceive Then
recvData = MSComm1.Input
// 解析数据并更新界面
If Left(recvData, 1) = “V” Then
lblVoltage.Caption = Mid(recvData, 2) & “V”
ElseIf Left(recvData, 1) = “I” Then
lblCurrent.Caption = Mid(recvData, 2) & “A”
End If
End If
End Sub
五、系统测试与优化
1. 性能测试指标
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2. 优化方向
- 谐波抑制
增加LC滤波器阶数或采用多重化逆变技术； - 动态响应
优化PI控制器参数，提高电压调整速度； - EMC设计
增加共模电感与电磁屏蔽，提升电磁兼容性。
六、总结
本设计通过STM32单片机与SPWM技术的结合，实现了高性能纯正弦波逆变器，软硬件资源开放且易于二次开发。系统在保证输出质量的同时，兼顾了可靠性与可维护性，可广泛应用于太阳能逆变、不间断电源、电机调速等领域。通过VB上位机的引入，进一步提升了系统的智能化与远程操控能力，为工业与民用场景提供了完整的逆变解决方案。
