PWM控制电机速度的基本原理

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。

PWM控制电机速度的基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)，也就是脉冲宽度调制。

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。

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。相关推荐：STM32中PWM的配置与应用详解。

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。

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。

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。

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：

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc){  RCC->APB1ENR|=1<<1;  //TIM3时钟使能       TIM3->ARR=arr;    //设定计数器自动重装值   TIM3->PSC=psc;    //预分频器设置  TIM3->DIER|=1<<0;   //允许更新中断          TIM3->CR1|=0x01;    //使能定时器3    MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1，子优先级3，组2                   }

RCC->APB1ENR|=1<<1

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：

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

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。

TIM3->DIER|=1<<0

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。

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

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。

PWM模式、有效电平

前面介绍完中断，再说一下PWM工作原理。相关文章：浅析PWM控制电机转速的原理。

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。

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。

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。

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。

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

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。

void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc){                //此部分需手动修改IO口设置  RCC->APB2ENR|=1<<11;   //TIM1时钟使能      GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;  //PA8清除之前的设置  GPIOA->CRH|=0X0000000B;  //复用功能输出 

  TIM1->ARR=arr;      //设定计数器自动重装值   TIM1->PSC=psc;      //预分频器设置

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

  TIM1->BDTR|=1<<15;     //MOE 主输出使能     

  TIM1->CR1=0x0080;     //ARPE使能   TIM1->CR1|=0x01;      //使能定时器1                       }

下文具体分析上面的代码。

前面4-6行是用来配置GPIO口的。

TIM1->ARR=arr; //设定计数器自动重装值TIM1->PSC=psc; //预分频器设置

这两行就是我上门提到的设置定时器的频率和重装载值。

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

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。

TIM1->CCER|=1<<1;

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。

TIM1->BDTR|=1<<15; //MOE 主输出使能

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。

TIM1->CR1=0x0080; //ARPE使能

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。

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：

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

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。

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。