STM32通过PWM控制电机速度

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' l' v8 ]6 p' S" ]/ I- q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。

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PWM控制电机速度的基本原理
9 p' }$ H& o/ C4 F( v    PWM(Pulse Width Modulation)，也就是脉冲宽度调制。
; }# d6 }  r% g% S; [    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。
: @0 _' S+ L0 v. Q7 E( s

1 v1 ]1 k; n' d    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。
& O' f3 |' `5 a2 C' f0 t; @. K: p

    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。
2 q% U2 W  A; y5 C
! A$ `' h: [- @5 e- C# t7 s
STM32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。
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    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。
$ P2 n% l3 k) q9 D. W  M; p* R原理简介
/ q  M& b3 r2 J4 x* Y# \1 u, X    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：
! k* a) h( `2 G, F/ s' y) Q

1. 
   : u! S3 h! e0 [
2. void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
   * X/ w; G, O, X9 O; s) b1 X
3. {
   ! Z  [9 W7 Z; r# r  S7 z/ j
4.   RCC->APB1ENR|=1<<1;  //TIM3时钟使能   
   4 W" k" w/ T; o7 r. t' A
5.    TIM3->ARR=arr;    //设定计数器自动重装值
   
6.   TIM3->PSC=psc;    //预分频器设置
   + U$ \" a) A* j2 o% ?/ z' ]3 q. \
7.   TIM3->DIER|=1<<0;   //允许更新中断        
   - |. E+ r, I1 ^7 |; _7 W
8.   TIM3->CR1|=0x01;    //使能定时器3
   ) `+ H' D  H9 \" {/ P* ]- P
9.     MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1，子优先级3，组2                  
   
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：

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。
3 ^( g2 z# q1 g1 a) `+ X9 |' r

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。
4 g! {7 b2 _$ A7 z& q' E) P4 \

PWM模式、有效电平
5 e4 x7 I2 ?0 X$ Q
' w) f& M! W+ c- N  k0 R
' z3 ?5 ?4 c) _7 ?3 ~    前面介绍完中断，再说一下PWM工作原理。
; _$ m  f3 k# D5 ~; d: p9 ]8 n
5 e" T( V+ G) {6 y
    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。
4 p8 U( P. ]9 R) p1 A
; x% r9 R3 W3 S
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。
( G9 D+ p/ h5 h7 Q% Q5 K4 P: q

' W0 T3 x# ]" T6 d1 h& M9 C/ h' A+ i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。

! _% n2 ^# L, B6 Y9 f+ @  R0 h
    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。
# l3 r2 @# F9 X6 X( ^! {$ \

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。

1. 
   2 _. }$ ]8 r- Q' d3 ^
2. void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
   
3. {               
   
4.   //此部分需手动修改IO口设置
   & [2 c, m' q, T: n- {
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
   9 v4 N: X6 E: t1 \5 J! v. ?
8.   
   
9.   TIM1->ARR=arr;      //设定计数器自动重装值
   ! P' Y! {' A- B
10.   TIM1->PSC=psc;      //预分频器设置
    ! u2 b, ?# H5 Q1 h4 C6 p
11.   
    0 }! L2 J" S6 a- R6 e4 F$ K- P# D
12.   TIM1->CCMR1|=7<<4;    //CH1 PWM2模式     
    # y  N( g- x) [7 e. m
13.   TIM1->CCMR1|=1<<3;     //CH1预装载使能   
    & `$ `$ S; n9 j+ B; B# S, O
14.    TIM1->CCER|=0<<1;     //OC1 输出使能     
    , d: z* p) G3 i* p, R3 I# m
15.   //TIM1->CCER|=1<<1;
    
16.   
    
17.   
    5 {, p+ D2 V! C" b% F$ _+ K0 m/ G
18.   TIM1->BDTR|=1<<15;     //MOE 主输出使能     
    
19. 
    ' c5 n7 C4 s. z/ K3 i9 q, I  M. C
20.   TIM1->CR1=0x0080;     //ARPE使能
    
21.   TIM1->CR1|=0x01;      //使能定时器1                       
    
22. }

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下文具体分析上面的代码。
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
   + E, m" x5 X+ b/ \/ `* F/ {! Y
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。

1. TIM1->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式
   
2. TIM1->CCMR1|=1<<3; //CH1预装载使能
   : ~! R5 P* s/ Y: N& Q; I: `
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。

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。

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。

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。
6 g, J+ S) T% t+ `2 D6 O, m
8 Z$ {! U; x0 J$ v
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：

1. 
   & M- H3 G( j6 K5 }0 y& ?
2. for(i=0;i<300;i++){
   4 q" W- N8 s- q" W% s4 e
3.   TIM1->CCR1=i;
   ! Q, w1 `" F/ N
4.   if(i==300){
   - N! F. J  E, g5 K2 o4 b
5.     i=0;
   & @6 H  x  ?1 F5 u# H8 z
6.   }
   
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。


6 m1 _, N! ?8 [5 |& y9 |    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。
) h/ c; t" ?% b7 k  ^9 ?3 C



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