PWM控制電機(jī)速度的基本原理

做STM32智能小車(chē)的實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到定時(shí)器PWM輸出，來(lái)改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。分享本文了解如何通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

PWM控制電機(jī)速度的基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)，也就是脈沖寬度調(diào)制。

PWM中有一個(gè)比較重要的概念，占空比：是一個(gè)脈沖周期內(nèi)有效電平在整個(gè)周期所占的比例。

為了實(shí)現(xiàn)IO口上電壓的持續(xù)性變化，可以調(diào)節(jié)PWM的占空比。這也能夠使外設(shè)的功率進(jìn)行持續(xù)性變化，最終控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。如何調(diào)節(jié)PWM波形的輸出就是重點(diǎn)。相關(guān)推薦：STM32中PWM的配置與應(yīng)用詳解。

上圖中的ARR是我們給定時(shí)器的一個(gè)預(yù)裝載值，CCRx的上下變化是產(chǎn)生PWM波的關(guān)鍵。我們假設(shè)ARR大于CCRx的部分輸出為高電平（即t1-t2、t3-t4、t5-t6），ARR小于CCRx的部分輸出為低電平（即0-t1、t2-t3、t4-t5），則改變CCRx的值就能改變輸出PWM的占空比。因此，想要控制PWM的輸出波形，重要的就是如何設(shè)置ARR與CCRx這兩個(gè)寄存器的值了。

STM32定時(shí)器中斷

為了便于理解接下來(lái)關(guān)于PWM應(yīng)用的內(nèi)容，先插一段定時(shí)器中斷的知識(shí)。

產(chǎn)生定時(shí)中斷是定時(shí)器的用法之一，與定時(shí)器用來(lái)進(jìn)行PWM輸出和輸入捕獲相比，定時(shí)器中斷更容易理解、掌握。
原理簡(jiǎn)介
使用通用定時(shí)器進(jìn)行中斷的原理，其實(shí)和開(kāi)發(fā)板Systick定時(shí)器進(jìn)行中斷延時(shí)很相似（Stm32入門(mén)——Systick定時(shí)器），即：用psc(預(yù)分頻系數(shù))設(shè)置好定時(shí)器時(shí)鐘后，arr（預(yù)裝載值）在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)減1，當(dāng)arr減為0時(shí)觸發(fā)中斷然后進(jìn)入中斷處理程序進(jìn)行中斷處理。以下代碼為例：

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc){  RCC->APB1ENR|=1<<1;  //TIM3時(shí)鐘使能       TIM3->ARR=arr;    //設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值   TIM3->PSC=psc;    //預(yù)分頻器設(shè)置  TIM3->DIER|=1<<0;   //允許更新中斷          TIM3->CR1|=0x01;    //使能定時(shí)器3    MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//搶占1，子優(yōu)先級(jí)3，組2                   }

RCC->APB1ENR|=1<<1

解釋一下上面這行代碼，由于定時(shí)器3（TIM3）是掛在APB1上的外設(shè)，所以要打開(kāi)APB1，這里的預(yù)分頻器值psc是來(lái)設(shè)置TIM3的時(shí)鐘頻率的，如果系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSTICK）頻率為72MHz、psc為7199，則TIM3的時(shí)鐘頻率就為：

72MHz/(7199+1)Hz = 10KHz    //這里的“+1”是手冊(cè)中規(guī)定的。

10KHz是什 么意思呢？就是一秒鐘會(huì)產(chǎn)生10K個(gè)周期，那么一個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)度就是1/10KHz，如果你想將定時(shí)器中斷的時(shí)間間隔設(shè)置為0.5秒，那么你將arr設(shè)置為5000即可，因?yàn)閍rr每減1就需要一個(gè)周期的時(shí)間，減5000次就經(jīng)過(guò)了5000*（1/10KHz）=0.5秒。

TIM3->DIER|=1<<0

再解釋下上面這一行，設(shè)置允許更新中斷，即arr減到0以后可以觸發(fā)更新中斷，還有其他類(lèi)型的中斷。

MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//搶占1，子優(yōu)先級(jí)3，組2

看上面這行代碼，中斷優(yōu)先級(jí)有搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)（即子優(yōu)先級(jí)）優(yōu)先級(jí)兩種，搶占優(yōu)先級(jí)即：若程序1正在使用CPU，這時(shí)如果程序2要求使用CPU，并且程序2的搶占優(yōu)先級(jí)高，則CPU被程序2搶占；若兩者搶占優(yōu)先級(jí)相同，則就算程序2的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高于程序1，CPU也不能被搶占；若程序1正在使用CPU，程序2和程序3的搶占優(yōu)先級(jí)等于或低于程序1，且程序2的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高于程序三，則待CPU空出后，程序2先運(yùn)行，程序3最后運(yùn)行。TIM3_IRQn是指定將要運(yùn)行的中斷處理程序號(hào)?！敖M2”是設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組的，這是因?yàn)榧拇嫫魈峁┝怂奈粊?lái)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，組2代表的是前兩位給搶占優(yōu)先級(jí)，后兩位給響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。

PWM模式、有效電平

前面介紹完中斷，再說(shuō)一下PWM工作原理。相關(guān)文章：淺析PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理。

假設(shè)上圖中ARR大于CCRx時(shí)輸出為高電平，ARR小于CCRx時(shí)輸出為低電平，但在實(shí)際運(yùn)用中可能并非如此，有可能是相反的情況——ARR大于CCRx時(shí)輸出為低電平，ARR小于CCRx時(shí)輸出為高電平，至于到底是哪種情況，還要看PWM是哪種模式、有效電平又設(shè)置的是何種極性了。

模式1：ARR小于CCRx時(shí)輸出為“有效”電平，ARR大于CCRx時(shí)輸出為“無(wú)效”電平。

模式2：ARR小于CCRx時(shí)輸出為“無(wú)效”電平，ARR大于CCRx時(shí)輸出為“有效”電平。

這里說(shuō)的是“有效”和“無(wú)效”，而不是“高”和“低”，也就是說(shuō)有效電平可高可低，并非一定就是高電平。PWM模式、效電平極性，需要程序員自己配置相關(guān)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)下面的代碼來(lái)講解。

TIM1_PWM_Init(899,0);//不分頻。PWM頻率=72000/(899+1)=80Khz

上一小節(jié)講過(guò)關(guān)于定時(shí)器參數(shù)的設(shè)置。使用定時(shí)器1的通道1來(lái)輸出一路PWM波，這里的899設(shè)置的就是ARR的值，至于那個(gè)0是用來(lái)設(shè)置TIM1的頻率的，不分頻就代表TIM1的時(shí)鐘頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘相同，這里假設(shè)為72MHz。

void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc){                //此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置  RCC->APB2ENR|=1<<11;   //TIM1時(shí)鐘使能      GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;  //PA8清除之前的設(shè)置  GPIOA->CRH|=0X0000000B;  //復(fù)用功能輸出 
  TIM1->ARR=arr;      //設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值   TIM1->PSC=psc;      //預(yù)分頻器設(shè)置
  TIM1->CCMR1|=7<<4;    //CH1 PWM2模式       TIM1->CCMR1|=1<<3;     //CH1預(yù)裝載使能      TIM1->CCER|=0<<1;     //OC1 輸出使能     //TIM1->CCER|=1<<1;
  TIM1->BDTR|=1<<15;     //MOE 主輸出使能     
  TIM1->CR1=0x0080;     //ARPE使能   TIM1->CR1|=0x01;      //使能定時(shí)器1                       }

下文具體分析上面的代碼。

前面4-6行是用來(lái)配置GPIO口的。

TIM1->ARR=arr; //設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值TIM1->PSC=psc; //預(yù)分頻器設(shè)置

這兩行就是我上門(mén)提到的設(shè)置定時(shí)器的頻率和重裝載值。

TIM1->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式TIM1->CCMR1|=1<<3; //CH1預(yù)裝載使能TIM1->CCER|=0<<1; //OC1 輸出使能

這三行是用來(lái)設(shè)置PWM輸出模式和設(shè)置通道的，通道是什么呢？簡(jiǎn)單地講就是輸出PWM波的GPIO口，代碼一開(kāi)始不是設(shè)置了PA8這個(gè)GPIO口嘛，這個(gè)PA8就是通道1。使用通道的話(huà)要先進(jìn)行輸入輸出方向、通道使能的設(shè)置。

TIM1->CCER|=1<<1;

這行代碼是用來(lái)設(shè)置“有效電平”極性的，根據(jù)手冊(cè)，當(dāng)TIM1->CCER[1]這位置1時(shí)，有效電平為低電平，置0時(shí)有效電平為高電平，而默認(rèn)情況下置0。

TIM1->BDTR|=1<<15; //MOE 主輸出使能

這行代碼只要對(duì)高級(jí)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，普通定時(shí)器無(wú)需設(shè)置。

TIM1->CR1=0x0080; //ARPE使能

這行代碼是用來(lái)使能ARPE，ARPE是什么呢，就是當(dāng)它被置1時(shí)，你自己設(shè)置的CCRx會(huì)立即生效，如果它被置為0，那么你自己設(shè)置的CCRx值不會(huì)立即生效（可能之前ARPE已經(jīng)有值了），而是當(dāng)之前設(shè)置的CCRx生效后才會(huì)使用你最新設(shè)置的CCRx值。

上面的代碼里沒(méi)有對(duì)CCRx進(jìn)行設(shè)置，這是因?yàn)镃CRx常常是一個(gè)變化的值，你可以在主函數(shù)中用一個(gè)for循環(huán)+if判斷語(yǔ)句對(duì)它進(jìn)行++或–的操作，從而達(dá)到連續(xù)改變CCRx值得目的，例如：

for(i=0;i<300;i++){  TIM1->CCR1=i;if(i==300){    i=0;  }}

PWM波的周期是由定時(shí)器時(shí)鐘頻率和預(yù)裝載值兩者決定的，預(yù)裝載值就是ARR。

預(yù)裝載值PSC設(shè)置為899，那么，當(dāng)定時(shí)器的當(dāng)前值val從0增加到899時(shí)，一共經(jīng)過(guò)了900個(gè)時(shí)鐘周期，這900個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PWM波形，也就是說(shuō)900個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期才相當(dāng)于一個(gè)PWM周期，那么PWM的頻率就為72MHz/900=80KHz，周期為1/80KHz。

審核編輯 ：李倩