基于STM32芯片三路互补PWM输出的设计实现

冬至子 2023-07-21 10585

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描述

硬件：Stm32f103c8t6最小系统。

开发平台：MDK-Arm。

目的：使用Stm32高级定时器TIM1。配置中心对齐模式输出三路互补PWM。

（1）Stm32的高级定时器：

Stm32f103c8t6有一个高级定时器TIM1。STM32的高级定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出，重复计数器，带刹车（短路）功能。这些功能为电机控制提供了便利。其中重复计数器下篇文章单独讲。

TIM1的IO分配：

电机控制

（2）高级定时器框图分析：

电机控制

图1

图1高级定时器框图，可分为6部分，①时钟源选择，②控制器，③时基单元，④输入捕获，⑤输出比较，⑥刹车断路。

①时钟选择：

时钟源有：内部时钟（CK_INT），外部时钟模式1，外部时钟模式2，内部触发输入（ITRx）。具体可以看TIMx_SMCR寄存器SMS位和ECE位这里我们使用内部时钟64MHz（没使用外部晶振，系统时钟是64MHz）。

②控制器

控制器部分包含触发控制器，从模式控制器，编码器接口。触发控制器可以为片内外设提供触发信号。

③⑤时基单元和输出比较

时基单元的计数模式选中心对齐模式和比较输出的比较模式选PWM模式来讲解。

首先时钟源通过预分频寄存器PSC分频得到CK_CNT，得到计数器CNT计数频率，计数器开始从0向上计数，每计一次，和CCR比较一次，当CRR>CNT, 输出高电平，反之输出低电平，计数器CNT继续计数，当计数器等于ARR值时，计数器向下计数，当计数器CNT>CCR时，输出低电平，反之输出高电平。计数器周而复始向上向下计数并不断的和CRR值比较，参考图2。

电机控制

图2

实际此过程我们可以看成一个比较器，CRR作为参考电压，接到比较器同相输入端，CNT作为信号电压，接到比较器反相输入端，这样根据比较输出PWM。反之把CNT和CRR调换位置，会输出相反极性的PWM，参考图２.

计数器计数模式有：向上计数，向下计数，中心对齐计数。

比较输出比较模式：冻结，匹配时设置通道ｘ为有效电平，匹配时设置通道ｘ为无效电平，翻转，强制为无效电平，强制为有效电平，PWM１，PWM２。

死区发生器：

通过寄存器BDTR的位UTG[7:0]来配置死区时间，关于死区时间设置可以这篇文章：

⑥短路功能

断路功能用于电控的刹车功能，可以通过寄存器BDTR的BKE位使能断路功能，BKP位设置断路输入引脚的有效电平

④输入捕获

输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量 PWM 输入信号的频率和占空比这两种。

输入捕获的大概的原理就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器 CNT 的值锁存到捕获寄存器 CCR 中，把前后两次捕获到的 CCR 寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我们需要做额外的处理。

（3）程序设计

程序使用ST官方固件库，编程步骤：

①GPIO初始化；

②时基结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef 初始化；

③比较结构体 TIM_OCInitTypeDef 初始化；

④刹车和死区结构体 TIM_BDTRInitTypeDef 初始化。

程序分析：

①宏定义：

#define   RCC_TIMGPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB
#define   TIM_CHxGPIO_Pinx     GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11
#define   TIM_CHxGPIOx         GPIOA
#define   TIM_CHxNGPIO_Pinx    GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15
#define   TIM_CHxNGPIOx        GPIOB
#define   TIM_BKINGPIO_Pinx    GPIO_Pin_2
#define   TIM_BKINGPIOx        GPIOB

//TIM1 macro definition

/ PWM频率和死区时间计算 */

//电机控制载波频率一般配置在15-20KHz，频率配置低了电机噪声大，配置高了，对MOS

//管开关频率要求高，且开关损耗大，这里载波配置为20KHz。

//计数器频率计算CK_CNT = 64MHz/(PSC+1) = 64MHz/1=64MHz

//中心对齐PWM频率=CK_INT/2(ARR+1)=64M/2(1599+1)=20KHz。

//死区时间配置为2us

//64M/(CKD+1)/ UTG = 500KHz，换算成时间位2us

// TIMx_CR1寄存器CKD 位，TIMx_BDTR寄存器UTG位。

#define   TIMx                 TIM1
#define   RCC_TIM_CLK          RCC_APB2Periph_TIM1
#define   TIM_ARR              1599
#define   TIM_CK_PSC           0
#define   TIM_RCR              0
#define   TIM_CCRx             799
#define   PWM_DeadTime         128

②GPIO初始化：

static void GPIO_TIM_Config(void){
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_TIMGPIO_CLK, ENABLE);
   //TIM1_PA8CH1 PA9CH2 PA10CH3 PA11CH4
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  TIM_CHxGPIO_Pinx;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   //PB13CH1N PB14CH2N PB15CH3N PB12BKIN      
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  TIM_CHxNGPIO_Pinx; 
   GPIO_Init(TIM_CHxNGPIOx, &GPIO_InitStructure);      
   //PB12BKIN
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  TIM_BKINGPIO_Pinx; 
   GPIO_Init(TIM_BKINGPIOx, &GPIO_InitStructure);          
   GPIO_ResetBits(TIM_BKINGPIOx,TIM_BKINGPIO_Pinx);//刹车
}

③定时器时基单元，输出比较，刹车死区初始化：

static void AdvanceTIM1_Config(void){
  //开启定时器时钟,即内部时钟CK_INT=64MHz
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_TIM_CLK,ENABLE);
/*--------------------时基结构体初始化-------------------------*/
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;     
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = TIM_ARR;   //自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断      
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = TIM_CK_PSC;   //驱动CNT计数器的时钟 = Fck_int/(psc+1)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  //时钟分频因子 ，配置死区时间时需要用到             
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1; //中心对齐1             
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = TIM_RCR;  //重复计数器的值，没用到不用管      
  TIM_TimeBaseInit(TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);  //初始化定时器
/*--------------------输出比较结构体初始化-------------------*/             
  TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;     
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;                //PWM1模式
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;    //输出使能
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;  //互补输出使能       
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;        //输出通道电平极性配置
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;      //互补输出通道电平极性配置
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;       //输出通道空闲电平极性配置
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;   //互补输出通道空闲电平极性配置                  
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = TIM_CCRx;                        //设置占空比大小    
  TIM_OC1Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC1PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);
  TIM_OC2Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC2PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable); 
  TIM_OC3Init(TIMx, &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC3PreloadConfig(TIMx, TIM_OCPreload_Enable);               
/*-------------------刹车和死区结构体初始化-------------------*/
  //有关刹车和死区结构体的成员具体可参考BDTR寄存器的描述
  TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;
  //输出比较信号死区时间配置，具体如何计算可参考 BDTR:UTG[7:0]的描述
  //这里配置的死区时间为2uS
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 128;
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Enable;
  //当BKIN引脚检测到高电平的时候，输出比较信号被禁止，就好像是刹车一样
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;
  TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;
  TIM_BDTRConfig(TIMx, &TIM_BDTRInitStructure);
  TIM_Cmd(TIMx, ENABLE);      
  //主输出使能，当使用的是通用定时器时，这句不需要
  TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx, ENABLE);                  
}

（4）程序烧录验证：图3是一对PWM互补输出波形。

电机控制

图3

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