电机控制基础——定时器与PWM

显示全部楼层 · 2024-2-4 13:19:22

单片机开发中，电机的控制与定时器有着密不可分的关系，无论是直流电机，步进电机还是舵机，都会用到定时器，比如最常用的有刷直流电机，会使用定时器产生PWM波来调节转速，通过定时器的正交编码器接口来测量转速等。

本篇先介绍定时器的基础知识，然后对照这些知识介绍一下定时器输出PWM的基本原理，以及编程实现与代码分析。

首先来看一下定时器的基础介绍。
11 定时器基础知识

1.1 定时器种类

以STM32F4为例，一共有14个定时器：

1.2 各种定时器的特性

1.2.1 高级定时器与通用定时器

这里列举高级定时器的特性，在此基础上，对比添加其与通用定时器的不同之处：

1.2.2 基本定时器

基本定时器 (TIM6、TIM7）的功能比较单一，所具有的功能如下：

1.3 定时器使用配置

使用定时器，一般需要配置如下：

先来看一下定时器的原理框图，对定时器的内部原理有一个整体直观的感受：

1.3.1 时钟源

从上图可以看出，计数器的时钟源可以为：

一般使用RCC的内部时钟CK_INT，也即定时器时钟TIMxCLK，经APB1或APB2预分频器后分频提供。

关于定时器时钟源的具体细节，可以来看一下STM32F4的时钟树：

从STM32F4的内部时钟树可知：

另外：

1.3.2 计数器时钟

由于定时器时钟的提供的可以频率较高，计数器不需要这么高的频率来计数，所以会进行降频，使用一个合适的低频时钟来计数。

定时器时钟经过PSC 预分频器之后，即 CK_CNT，用来驱动计数器计数。PSC 是一个16 位的预分频器，可以对定时器时钟TIMxCLK 进行 1~65536 之间的任何一个数进行分频。

具体计算方式为：CK_CNT=TIMxCLK/（PSC+1）。

比如，使用STM32F4的通用定时器2（TIM2CLK为APB1的时钟的两倍即84MHz），PSC设置为83，则计数时钟为84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms计一个数。
1.3.3 计数器

计数器 CNT 是一个 16 位的计数器，只能往上计数，最大计数值为 65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件，并清零从头开始计数。
1.3.4 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器 ARR 是一个 16 位的寄存器，这里面装着计数器能计数的最大数值。当计数到这个值的时候，如果使能了中断的，定时器就产生溢出中断。
2定时器输出PWM原理

如下图是PWM输出的原理示意图：

假设定时器工作模式设置为向上计数 PWM模式，且当 CNT<CCRx 时，输出 1，当 CNT>=CCRx 时输出 0，则：

因此，改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 输出的占空比，改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 输出的周期（频率），这就是利用定时器输出PWM 的基本原理。

3
定时器常用的寄存器

使用定时器来输出PWM时，需要对其寄存器进行相应的设置。定时器的寄存器有好多个，这里先介绍几个与输出PWM相关的几个寄存器，其它是寄存器以后用到时再介绍。
3.1 控制寄存器CR1

控制寄存器，就是来设置定时的工作模式：

3.2 捕获/比较模式寄存器CCMR1

这些通道可用于输入（捕获模式）或输出（比较模式）模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位

因此，必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。

这里仅先介绍输出模式下的功能：

3.3 计数器CNT

计数器的功能很单一，就是计数：

3.4 预分频器PSC

预分频器的功能也很单一，就是分频：

3.5 自动重装载寄存器ARR

自动重装载寄存器的功能也很单一，就是保存一个数，在计数满的时候，重新开始计数

3.6 捕获/比较寄存器CCR

自动重装载寄存器的功能也很单一，也是保存一个数，用于与当前的CNT进行比较，注意 TIM2 和 TIM5是32位计数。

以CCR1寄存器（一共有CCR1~CCR4这4个通道）为例：

44代码实现与分析

上面介绍了定时器的基础知识与PWM的输出原理，下面就来实际看一下，如何编写对应的代码（以STM32F407为例）。
4.1 定时器初始化

定时器的初始化，因为需要用到对应的引脚输出PWM，因此要先初始化GPIO引脚，然后，还要初始化定时器的时基（计数的时钟）以及输出通道（用于配置PWM的输出模式）。
4.1.1 复用引脚初始化

这里用到的是定时器3，根据STM32F407的数据手册“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”复用引脚说明表，可以看到定时器3通道1对应的引脚位A6:

因此程序中对A6引脚可以这样配置，注意一定要配置引脚的复用功能：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*引脚配置结构体*/
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM3);  /*GPIOA6复用为定时器3*/
/*复用引脚配置*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;          //GPIOA6GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;       /*复用功能*/GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;  //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;    //推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;       //上拉GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);             //初始化PA6
4.1.2 时基初始化

时基初始化，主要是配置定时器的计数频率（psc）和自动重装置值（每次计数的周期，arr），比如TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);

（关于psc与arr的知识点，可以再回顾一下上面1.3节的知识）

这里将arr的值设置为500，即计数器每计够500个数就会重新从0开始计数，这个500再乘以计数器计数的周期，就是PWM真正的周期，那计数器计数的频率是多少呢（频率的倒数为周期）？

这里将psc的值设置为84-1，即TIM3的输入频率为84MHz再将频率降低1/84，即使用1MHz的频率计数（1s能计1,000,000个数，也即1us计1个数），那么PWM的真正周期就是500*1us=500us(0.5ms)，通过改变占空比的值（ccr）,就可以调节PWM的输出占空比。

时基初始化配置如下：
TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure; /*时基结构体*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);    //TIM3时钟使能
/*时基初始化*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;                   /*ARR 自动重装载值(周期)，例如500*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;                /*PSC 定时器分频，例如84*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;    /*时钟分割*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*向上计数模式*/TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);          /*初始化定时器3*/
最后一句的时基初始化，起始就是对定时的寄存器进行配置，该函数的内部实现如下：
void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct){  uint16_t tmpcr1 = 0;  tmpcr1 = TIMx->CR1;
if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)|| /*高级定时器TIM和TIM8*/    (TIMx == TIM2) || (TIMx == TIM3)||(TIMx == TIM4) || (TIMx == TIM5)) /*通用定时器中的TIM2~TIM5*/  {/* 设置为计数器模式 */ tmpcr1 &= (uint16_t)(~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS)); tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_CounterMode;  }if((TIMx != TIM6) && (TIMx != TIM7)) /*基本定时器TIM6和TIM7无此功能*/  {/* 设置时钟分频 */ tmpcr1 &=  (uint16_t)(~TIM_CR1_CKD); tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_ClockDivision;  }
/* 配置CR1寄存器 */  TIMx->CR1 = tmpcr1;
/* 配置ARR寄存器，设置自动重转载值 */  TIMx->ARR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Period ;/* 配置PSC寄存器，设置预分频值 */  TIMx->PSC = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Prescaler;if ((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8))  /*高级定时器TIM和TIM8*/  { /*  配置RCR寄存器，设置重复计数值 */    TIMx->RCR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_RepetitionCounter;  }
/* 生成一个更新事件来立即重新加载预分频器和重复计数器(仅针对高级定时器TIM1和TIM8)值 */  TIMx->EGR = TIM_PSCReloadMode_Immediate;       }4.1.3 输出通道初始化

输出通道初始化，主要是配置输出的一些参数，这里主要关注TIM_OCMode（模式）与TIM_OCPolarity（极性），这两个参数是配合使用的：

这里的有效电平又是什么意思呢？怎么算有效电平？它就是通过极性来配置的：

对比着再来看这张图：

当CNT的计数值小于CCR时，即t1这个时间段，输出有效电平（TIM_OCMode_PWM1模式），而有效电平是高电平（极性为TIM_OCPolarity_High），所以PWM的IO逻辑在t1这个时间段输出了高电平。

输出通道的配置如下：
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*输出通道结构体*//*输出通道初始化，初始化TIM3 Channel1 PWM模式*/TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; /*选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1*/TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; /*输出极性:TIM输出比较极性高*/TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据指定的参数初始化外设TIM3 OC1
TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); /*使能TIM3在CCR1上的预装载寄存器*/TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);/*ARPE使能：使能控制寄存器CR的第8位：ARPR, Auto-reload preload enable*/TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /*使能TIM3：使能控制寄存器CR的第0位：CEN, counter enable*/

CCMR1:

CCER:

TIM_OC1Init函数对应于输入通道的初始化，其实就是操作CCMR1、CCER等寄存器：
void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct){  uint16_t tmpccmrx = 0, tmpccer = 0, tmpcr2 = 0;  TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;/* 关闭通道1: 复位CC1E位 */  tmpccer = TIMx->CCER;/* 获取 TIMx CCER 寄存器的值 */  tmpcr2 =  TIMx->CR2; /* 获取 TIMx CR2 寄存器的值 */
  tmpccmrx = TIMx->CCMR1;/* 获取TIMx CCMR1 寄存器的值 */  tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_OC1M; /* 复位输出比较模式OC1M位 */  tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S;  tmpccmrx |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCMode;/* 设置为输出比较模式 */  tmpccer &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1P;       /* 复位输出极性CC1P */  tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCPolarity;  /* 设置输出极性 */  tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OutputState; /* 设置输出状态 */if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高级定时器的特殊配置*/  {//省略。。。  }  TIMx->CR2 = tmpcr2;    /* 写数据到TIMx的CR2寄存器 */  TIMx->CCMR1 = tmpccmrx; /* 写数据到TIMx的CCMR1寄存器 */  TIMx->CCR1 = TIM_OCInitStruct->TIM_Pulse;/* 设置CCR1寄存器 */  TIMx->CCER = tmpccer;  /* 写数据到TIMx的CCER寄存器 */}4.2 动态改变占空比

占空比是通过修改CCR寄存器的值进行修改的，如果定时器初始化时只设置了1次CCR的值，那么会输出恒定占空比的PWM波；如果在定时器运行的时候，动态修改CCR的值，则可以实现PWM占空比的动态调整。

如下程序，实现了每隔10ms对占空比进行一次修改，每次将高电平计数值增加5，当增大道500（占空比100%）时，再逐渐减小到0（占空比0%），不断循环。
u16 led0pwmval=0; u8 dir=1;TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);  //84M/84=1Mhz的计数频率,重装载值500，所以PWM频率为 1M/500=2Khz.  while(1) //实现比较值从0-500递增，到500后从500-0递减，循环{ delay_ms(10);
if(dir) {       led0pwmval+=5;  //dir==1 led0pwmval递增 }else {       led0pwmval-=5;  //dir==0 led0pwmval递减    }if(led0pwmval>500) {       dir=0;       //led0pwmval到达500后，方向为递减 }if(led0pwmval==0) {       dir=1;       //led0pwmval递减到0后，方向改为递增 }
TIM_SetCompare1(TIM3,led0pwmval); /*CCR 修改比较值（占空比）*/}5 测试效果

将程序下载到板子，我用的一块STM32F407的板，A6引脚上接了一个LED灯，实际效果的LED逐渐变亮，再逐渐变暗，依次循环。

再通过逻辑分析仪来查看实际的输出波形，如下图，测得的pwm周期0.5ms（频率2kHz），与软件中设定的一致。

在某一时刻，脉宽55us。

在另一时刻，脉宽0.365ms，即实现了PWM脉宽的动态调整。

[西门子] 电机控制基础——定时器与PWM

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