电机控制基础——定时器基础知识与PWM输出原理

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发布时间： 2024-05-21 15:07 更新时间： 2024-11-05 07:00

单片机开发中，电机的控制与定时器有着密不可分的关系，无论是直流电机，步进电机还是舵机，都会用到定时器，比如Zui常用的有刷直流电机，会使用定时器产生PWM波来调节转速，通过定时器的正交编码器接口来测量转速等。

本篇先介绍定时器的基础知识，然后对照这些知识介绍一下定时器输出PWM的基本原理，以及编程实现与代码分析。

首先来看一下定时器的基础介绍。

11 定时器基础知识

1.1 定时器种类

以STM32F4为例，一共有14个定时器：

gaoji定时器（TIM1、TIM8）

通用定时器（TIM2~TIM5，TIM9~TIM14）

TIM2~TIM5（通用定时器里功能较多的）

TIM9/TIM12

TIM10/TIM11和TIM13/TIM14

基本定时器 (TIM6、TIM7)

1.2 各种定时器的特性1.2.1 gaoji定时器与通用定时器

这里列举gaoji定时器的特性，在此基础上，对比添加其与通用定时器的不同之处：

16 位递增、递减、递增/递减自动重载计数器（TIM2 和 TIM5为32位）

16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于 1 到 65536 之间。

多达 4 个独立通道（TIM9/TIM12有2个，TIM10/TIM11，TIM13/TIM14只有1个），可用于：

输入捕获

输出比较

PWM 生成（边沿和中心对齐模式）（gaoji定时器和TIM2~TIM5特有，其它是只有边沿对齐模式）

单脉冲模式输出

带可编程死区的互补输出（gaoji定时器特有）。

使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路（TIM10/TIM11，TIM13/TIM14没有）。

重复计数器，用于仅在给定数目的计数器周期后更新定时器寄存器（gaoji定时器特有）。

用于将定时器的输出信号置于复位状态或已知状态的断路输入（gaoji定时器特有）。

发生如下事件时生成中断/DMA 请求：

更新：计数器上溢/下溢、计数器初始化（通过软件或内部/外部触发）

触发事件（计数器启动、停止、初始化或通过内部/外部触发计数）（TIM10/TIM11和TIM13/TIM14没有此功能）

输入捕获

输出比较

断路输入（gaoji定时器特有）

支持定位用增量（正交）编码器和霍尔传感器电路（gaoji定时器和TIM2~TIM5特有）。

外部时钟触发输入或逐周期电流管理（gaoji定时器和TIM2~TIM5特有）。

1.2.2 基本定时器

基本定时器 (TIM6、TIM7）的功能比较单一，所具有的功能如下：

16 位自动重载递增计数器

只能定时，没有外部 IO

16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于 1 和 65536 之间

用于触发 DAC 的同步电路

发生如下更新事件时会生成中断/DMA 请求：计数器上溢

1.3 定时器使用配置

使用定时器，一般需要配置如下：

时基：也就是计数器的计数时钟

自动重装载值：每次计数的Zui大值

输出通道：当需要使用定时器输出某种波形时（如PWM）

输入通道：当需要使用定时器接收某种波形时（如电机编码器信号）

先来看一下定时器的原理框图，对定时器的内部原理有一个整体直观的感受：

1.3.1 时钟源

从上图可以看出，计数器的时钟源可以为：

由RCC的内部时钟分频得到

由定时器的TIMx_ETR引脚得到

由其他定时器通过TRGO输出得到

一般使用RCC的内部时钟CK_INT，也即定时器时钟TIMxCLK，经APB1或APB2预分频器后分频提供。

关于定时器时钟源的具体细节，可以来看一下STM32F4的时钟树：

从STM32F4的内部时钟树可知：

gaoji定时器timer1, timer8以及通用定时器timer9, timer10, timer11的时钟来源是APB2总线(84MHZ)

通用定时器timer2~timer5，通用定时器timer12~timer14以及基本定时器timer6,timer7的时钟来源是APB1总线(42MHZ)

另外：

当APB1和APB2分频数为1的时候，各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟；

如果APB1和APB2分频数不为1，那么各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟的2倍；

由于库函数中 APB1 预分频的系数默认是 2，所以，所以TIM1、TIM8~TIM11的时钟为APB2时钟的两倍即168MHz，TIM2~TIM7、TIM12~TIM14的时钟为APB1的时钟的两倍即84MHz。

1.3.2 计数器时钟

由于定时器时钟的提供的可以频率较高，计数器不需要这么高的频率来计数，所以会进行降频，使用一个合适的低频时钟来计数。

定时器时钟经过PSC 预分频器之后，即 CK_CNT，用来驱动计数器计数。PSC 是一个16 位的预分频器，可以对定时器时钟TIMxCLK 进行 1~65536 之间的任何一个数进行分频。

具体计算方式为：CK_CNT=TIMxCLK/（PSC+1）。

比如，使用STM32F4的通用定时器2（TIM2CLK为APB1的时钟的两倍即84MHz），PSC设置为83，则计数时钟为84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms计一个数。

1.3.3 计数器

计数器 CNT 是一个 16 位的计数器，只能往上计数，Zui大计数值为 65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件，并清零从头开始计数。

1.3.4 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器 ARR 是一个 16 位的寄存器，这里面装着计数器能计数的Zui大数值。当计数到这个值的时候，如果使能了中断的，定时器就产生溢出中断。

2定时器输出PWM原理

如下图是PWM输出的原理示意图：

假设定时器工作模式设置为向上计数 PWM模式，且当 CNT

当 CNT 值小于 CCRx 的时候， IO 输出高电平 (1)

当 CNT 值大于等于 CCRx 的时候，IO 输出低电平 (0)

当 CNT 达到 ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。

因此，改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 输出的占空比，改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 输出的周期（频率），这就是利用定时器输出PWM 的基本原理。

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