STM32通过PWM控制电机速度

做STM32智能小车的实验中会用到定时器PWM输出，来改变直流电机的转速。分享本文了解如何通过PWM实现对电机速度的控制。
* K3 `  Z9 ?3 s& \# H+ x

PWM控制电机速度的基本原理
3 u+ f/ ?' U* K    PWM(Pulse Width Modulation)，也就是脉冲宽度调制。
1 ?. G. o5 B9 {- Q: x1 {    PWM中有一个比较重要的概念，占空比：是一个脉冲周期内有效电平在整个周期所占的比例。
" z9 n5 S1 k" K5 s5 Y( \( e
4 ]- @7 g; Y3 }2 U/ W3 i
    为了实现IO口上电压的持续性变化，可以调节PWM的占空比。这也能够使外设的功率进行持续性变化，最终控制直流电机转速的快慢。如何调节PWM波形的输出就是重点。
: R# A) b' T7 B

    上图中的ARR是我们给定时器的一个预装载值，CCRx的上下变化是产生PWM波的关键。我们假设ARR大于CCRx的部分输出为高电平（即t1-t2、t3-t4、t5-t6），ARR小于CCRx的部分输出为低电平（即0-t1、t2-t3、t4-t5），则改变CCRx的值就能改变输出PWM的占空比。因此，想要控制PWM的输出波形，重要的就是如何设置ARR与CCRx这两个寄存器的值了。

; d7 z3 {7 L* l# `# U; W
- k' s( |  U- H& L& VSTM32定时器中断
    为了便于理解接下来关于PWM应用的内容，先插一段定时器中断的知识。


, N6 l1 c' e$ t    产生定时中断是定时器的用法之一，与定时器用来进行PWM输出和输入捕获相比，定时器中断更容易理解、掌握。
  `" D& u0 d2 l0 y, n; a原理简介
    使用通用定时器进行中断的原理，其实和开发板Systick定时器进行中断延时很相似（Stm32入门——Systick定时器），即：用psc(预分频系数)设置好定时器时钟后，arr（预装载值）在每个时钟周期内减1，当arr减为0时触发中断然后进入中断处理程序进行中断处理。以下代码为例：
# l4 ^( v- e0 \$ T

1. 
   ) B+ N9 w% I. h: s) ^  Y" n& B* k
2. void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
   & o( }) C0 D  ^, d5 P5 f$ Y- s
3. {
   ' N) u/ v; F3 I$ B* p4 g$ j
4.   RCC->APB1ENR|=1<<1;  //TIM3时钟使能   
   
5.    TIM3->ARR=arr;    //设定计数器自动重装值
   
6.   TIM3->PSC=psc;    //预分频器设置
   
7.   TIM3->DIER|=1<<0;   //允许更新中断        
   
8.   TIM3->CR1|=0x01;    //使能定时器3
   
9.     MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1，子优先级3，组2                  
   ( a, f3 b0 M7 @% r2 X
10. }

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1. RCC->APB1ENR|=1<<1

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解释一下上面这行代码，由于定时器3（TIM3）是挂在APB1上的外设，所以要打开APB1，这里的预分频器值psc是来设置TIM3的时钟频率的，如果系统时钟（SYSTICK）频率为72MHz、psc为7199，则TIM3的时钟频率就为：
/ l' B& ^0 }6 z/ L, c! Q/ t9 G

1. 72MHz/(7199+1)Hz = 10KHz    //这里的“+1”是手册中规定的。

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10KHz是什 么意思呢？就是一秒钟会产生10K个周期，那么一个周期的时间长度就是1/10KHz，如果你想将定时器中断的时间间隔设置为0.5秒，那么你将arr设置为5000即可，因为arr每减1就需要一个周期的时间，减5000次就经过了5000*（1/10KHz）=0.5秒。

1. TIM3->DIER|=1<<0

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再解释下上面这一行，设置允许更新中断，即arr减到0以后可以触发更新中断，还有其他类型的中断。
$ X' x+ V; n2 m% I0 }: ]

1. MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1，子优先级3，组2

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看上面这行代码，中断优先级有抢占优先级和响应（即子优先级）优先级两种，抢占优先级即：若程序1正在使用CPU，这时如果程序2要求使用CPU，并且程序2的抢占优先级高，则CPU被程序2抢占；若两者抢占优先级相同，则就算程序2的响应优先级高于程序1，CPU也不能被抢占；若程序1正在使用CPU，程序2和程序3的抢占优先级等于或低于程序1，且程序2的响应优先级高于程序三，则待CPU空出后，程序2先运行，程序3最后运行。TIM3_IRQn是指定将要运行的中断处理程序号。“组2”是设置中断优先级分组的，这是因为寄存器提供了四位来设置优先级，组2代表的是前两位给抢占优先级，后两位给响应优先级。
/ U6 p- S; t8 x$ C4 \
, K( x% v, g$ K( j1 r" e7 F$ H2 K
. E" K1 j2 a) l& J( APWM模式、有效电平

* Q6 \! W" D+ X) A* ~# ?
$ o2 O4 R1 k0 y, o2 q. K$ D8 [3 [* N    前面介绍完中断，再说一下PWM工作原理。


    假设上图中ARR大于CCRx时输出为高电平，ARR小于CCRx时输出为低电平，但在实际运用中可能并非如此，有可能是相反的情况——ARR大于CCRx时输出为低电平，ARR小于CCRx时输出为高电平，至于到底是哪种情况，还要看PWM是哪种模式、有效电平又设置的是何种极性了。


6 y1 O" ~* g9 ~3 @( D( r( D2 F模式1：ARR小于CCRx时输出为“有效”电平，ARR大于CCRx时输出为“无效”电平。
2 W- j- F- ~: Z6 @3 A
4 B' ]  \( \8 e' m4 R* D* h9 q
模式2：ARR小于CCRx时输出为“无效”电平，ARR大于CCRx时输出为“有效”电平。

# w, s6 a6 O* s# z: `6 ]. A
  ]) }4 f: a& v    这里说的是“有效”和“无效”，而不是“高”和“低”，也就是说有效电平可高可低，并非一定就是高电平。PWM模式、效电平极性，需要程序员自己配置相关的寄存器来实现。通过下面的代码来讲解。

1. TIM1_PWM_Init(899,0);//不分频。PWM频率=72000/(899+1)=80Khz

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上一小节讲过关于定时器参数的设置。使用定时器1的通道1来输出一路PWM波，这里的899设置的就是ARR的值，至于那个0是用来设置TIM1的频率的，不分频就代表TIM1的时钟频率和系统时钟相同，这里假设为72MHz。
# Q+ |! _! k5 k5 L/ o7 i

1. 
   % a3 m( o2 V4 w5 _9 c& l' R
2. void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
   3 h; o  y( |( e& o
3. {               
   
4.   //此部分需手动修改IO口设置
   / k" [7 j( x2 ~0 T
5.   RCC->APB2ENR|=1<<11;   //TIM1时钟使能   
   
6.   GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;  //PA8清除之前的设置
   
7.   GPIOA->CRH|=0X0000000B;  //复用功能输出
   # i6 p8 U( G# d8 `' K$ j; g, z' m3 g
8.   
   ; u1 c4 ~5 m( ?8 V% h/ A' y, I* p
9.   TIM1->ARR=arr;      //设定计数器自动重装值
   
10.   TIM1->PSC=psc;      //预分频器设置
    
11.   
    
12.   TIM1->CCMR1|=7<<4;    //CH1 PWM2模式     
    
13.   TIM1->CCMR1|=1<<3;     //CH1预装载使能   
    
14.    TIM1->CCER|=0<<1;     //OC1 输出使能     
    2 _1 G/ }) P1 I
15.   //TIM1->CCER|=1<<1;
    # t5 t5 p) T9 M  R" T) O
16.   
    
17.   
    
18.   TIM1->BDTR|=1<<15;     //MOE 主输出使能     
    $ y1 m7 w( y* t4 D
19. 
    
20.   TIM1->CR1=0x0080;     //ARPE使能
    
21.   TIM1->CR1|=0x01;      //使能定时器1                       
    - i0 ^" }; J$ o
22. }

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下文具体分析上面的代码。
3 d4 q. H+ ~) |( n前面4-6行是用来配置GPIO口的。

1. TIM1->ARR=arr; //设定计数器自动重装值
   * _" V. k5 O6 s2 _1 Q3 u/ U
2. TIM1->PSC=psc; //预分频器设置

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这两行就是我上门提到的设置定时器的频率和重装载值。
" ]+ T9 X, c+ M' Y* Q

1. TIM1->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式
   
2. TIM1->CCMR1|=1<<3; //CH1预装载使能
   
3. TIM1->CCER|=0<<1; //OC1 输出使能

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这三行是用来设置PWM输出模式和设置通道的，通道是什么呢？简单地讲就是输出PWM波的GPIO口，代码一开始不是设置了PA8这个GPIO口嘛，这个PA8就是通道1。使用通道的话要先进行输入输出方向、通道使能的设置。
2 y. `2 |& k( @* q2 L. A% z

1. TIM1->CCER|=1<<1;

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这行代码是用来设置“有效电平”极性的，根据手册，当TIM1->CCER[1]这位置1时，有效电平为低电平，置0时有效电平为高电平，而默认情况下置0。
* I8 _  \1 }* B

1. TIM1->BDTR|=1<<15; //MOE 主输出使能

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这行代码只要对高级定时器进行设置，普通定时器无需设置。
% O/ @0 h+ M; w6 P& j1 d

1. TIM1->CR1=0x0080; //ARPE使能

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这行代码是用来使能ARPE，ARPE是什么呢，就是当它被置1时，你自己设置的CCRx会立即生效，如果它被置为0，那么你自己设置的CCRx值不会立即生效（可能之前ARPE已经有值了），而是当之前设置的CCRx生效后才会使用你最新设置的CCRx值。

9 }) a: s0 N: H6 Y: A/ ~: G. B
上面的代码里没有对CCRx进行设置，这是因为CCRx常常是一个变化的值，你可以在主函数中用一个for循环+if判断语句对它进行++或–的操作，从而达到连续改变CCRx值得目的，例如：
+ B: {4 z: ]3 V9 D

1. 
   
2. for(i=0;i<300;i++){
   
3.   TIM1->CCR1=i;
   * R% \% P; n2 M* Z0 s  D7 M* }
4.   if(i==300){
   
5.     i=0;
   $ m: ~9 U' J( ?, R+ P8 S/ t7 T7 W
6.   }
   6 ?+ u1 }: R3 H! |' h
7. }

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PWM波的周期是由定时器时钟频率和预装载值两者决定的，预装载值就是ARR。

. u$ R5 R' z( {: u4 K6 z! N! `. V! t6 i
) I, o. ^  n* n. e    预装载值PSC设置为899，那么，当定时器的当前值val从0增加到899时，一共经过了900个时钟周期，这900个时钟周期会产生一个PWM波形，也就是说900个定时器时钟周期才相当于一个PWM周期，那么PWM的频率就为72MHz/900=80KHz，周期为1/80KHz。



) T6 ?& V$ D+ p% D+ u) k

5 }  c$ P" N2 r2 r
+ k7 K7 g1 _1 V% W  M. R/ m
" P' T3 a/ N3 v" h3 [$ C