占空比与死区计算详解及 STM32 实现

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本文详细介绍了占空比和死区的概念,它们在电力电子和嵌入式系统中的作用。通过STM32 HAL库,展示了如何生成PWM信号并控制占空比,以及设置死区时间防止短路。通过合理配置,可以实现精确的电力控制和保护功能。

占空比(duty cycle)和死区(dead time)是在电力电子和嵌入式系统中常用的概念,用于控制开关电路的工作方式和防止电流回流。在本文中,我将详细介绍占空比和死区的概念,并提供使用 STM32 微控制器实现相关功能的源代码示例。

  1. 占空比(Duty Cycle)
    占空比是指周期性信号中高电平(ON)所占时间与总周期的比例。在电力电子中,占空比通常用于控制开关电路的输出功率。以 PWM(脉冲宽度调制)信号为例,占空比可以通过控制信号的高电平时间来调节输出电压或电流的平均值。

占空比的计算公式如下:
占空比(%)= (高电平时间 / 总周期) * 100

在 STM32 微控制器中,可以使用定时器/计数器模块来生成 PWM 信号并控制占空比。下面是一个使用 STM32 HAL 库的示例代码,生成 50% 的占空比 PWM 信号:

#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim;

void PWM_Init
### STM32死区控制原理 在功率驱动电路中,如MOS桥电路,上下管不能同时导通,否则会出现短路现象,引发严重的电路故障。死区控制就是为了避免上下管同时导通而设置的。在上下管的驱动信号之间插入一个短暂的时间间隔,即死区时间。在这个时间间隔内,上下管都处于关断状态,从而防止了上下管同时导通的情况发生。 ### STM32死区控制实现方法 #### 硬件连接 定时器主通道(如 TIM1_CH1)连接上管驱动信号,定时器互补通道(如 TIM1_CH1N)连接下管驱动信号。驱动芯片需进行隔离,可采用光耦或专用隔离驱动 IC,以避免高压干扰 MCU [^1]。 #### 软件实现(基于HAL库) 1. **高级定时器配置要点** - **启用互补PWM输出**:配置定时器使其同时输出主通道和互补通道的PWM信号,这样可以方便地控制上下管的驱动信号。 - **配置死区时间**:通过BDTR寄存器的DTG位来配置死区时间。不同的DTG位组合对应不同的死区时间值,可以根据具体的应用需求进行设置。 - **配置PWM模式**:通常采用PWM模式1。在PWM模式1下,计数器从0开始计数,当计数值小于比较值时,输出高电平;当计数值大于等于比较值时,输出低电平。 - **使能主输出**:设置MOE位,该位用于控制互补通道的输出。只有当MOE位被使能时,互补通道才能正常输出PWM信号 [^1]。 以下是一个简单的基于HAL库的STM32定时器死区控制配置示例代码: ```c #include "stm32xxxx_hal.h" TIM_HandleTypeDef htim1; void TIM1_Init(void) { TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0}; htim1.Instance = TIM1; htim1.Init.Prescaler = 0; htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim1.Init.Period = 999; 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(); } sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 500; 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(); } sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_ENABLE; sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_ENABLE; sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF; sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 10; // 配置死区时间 sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE; sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH; sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE; if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK) { Error_Handler(); } __HAL_TIM_MOE_ENABLE(&htim1); // 使能主输出 } ```
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