STM32通过PWM控制电机速度
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6 U S0 I! L5 p. b% |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。; B. |- F* Y7 |
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PWM控制电机速度的基本原理% G6 t$ w T5 Z! M
PWM(Pulse Width Modulation),也就是脉冲宽度调制。
3 T6 `! ~1 l2 l/ ~9 @/ W7 d 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。; S/ s6 ]" \( V& R8 }
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5 Y9 Y" y- [8 M6 f( w 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。. `2 {4 v: j# w+ P2 \! ~
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。
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, e. K* P2 U1 I: B2 o9 Z7 uSTM32定时器中断& w9 U" f0 j; z. q
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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1 k) t1 m# {7 L3 l0 s# J! N/ M* F: S" n+ h; R1 e! Z9 [& `. q
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。
5 Q" B+ K" W7 I* M$ \, K$ w* z: J原理简介( s$ J0 [: U( ]( j3 E
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:2 B; e- N7 f/ a- [$ p' F; `+ K
- 6 K9 Y5 P! x# `
- void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
/ R6 U2 D8 c4 n2 U+ O3 r, Q - {
7 [! V8 B7 }2 V6 P3 f - RCC->APB1ENR|=1<<1; //TIM3时钟使能
8 O+ z9 V( v: J; U' p3 ` Y* S8 K - TIM3->ARR=arr; //设定计数器自动重装值 ' k0 N: F0 m1 \+ C! l5 H
- TIM3->PSC=psc; //预分频器设置1 i3 C* p5 `0 ]! A7 Y" H+ |) ?
- TIM3->DIER|=1<<0; //允许更新中断 1 `5 ~2 z" x; H. i8 l0 X0 [" j
- TIM3->CR1|=0x01; //使能定时器30 b& E& v; T" w/ g4 }* H
- MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1,子优先级3,组2 S9 p( S7 w: _5 H- u" J
- }
复制代码 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:
& K+ c& ~# S5 P- 72MHz/(7199+1)Hz = 10KHz //这里的“+1”是手册中规定的。
复制代码 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。
$ Z3 `, B; a2 K d, D6 D8 D9 H 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。- s. N/ \+ D* B; m
- MY_NVIC_Init(1,3,TIM3_IRQn,2);//抢占1,子优先级3,组2
复制代码 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。
e% u* G8 R7 C! Q; z5 X$ l: t% M
$ E' E: A, W6 ~! R. e8 E
0 T% K$ m5 N8 C2 E" VPWM模式、有效电平
# c" g! k- Z/ `- M; u% E5 t% `- o4 b6 O1 |
0 ]- \: G! E) i2 [8 L 前面介绍完中断,再说一下PWM工作原理。
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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。* d' R0 G J$ S* C; b6 r: B
G2 m. ^, y' p
9 ]0 S( f) w3 {4 k+ l, J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。+ w2 E2 u5 [1 |& s
q9 V/ n1 g9 w0 r+ x, ^4 u
* o J! |6 A s; R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。
! A( g/ }3 W) y9 S4 K5 B# E% [( j+ T9 V
, C8 `0 Y: P8 |1 R8 t 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。
6 `6 Z0 f, _( V8 m' z9 H& e- TIM1_PWM_Init(899,0);//不分频。PWM频率=72000/(899+1)=80Khz
复制代码 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。- D# b! d* j+ i5 E- q7 z+ `3 O
- % ~9 w, D; m, f$ |2 [$ e4 o
- void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc); N! |- H7 a( W. F- ~6 i
- {
9 u& F2 `: b! y; f+ `0 } - //此部分需手动修改IO口设置9 R" ?) l# ?2 G5 i! ?+ x1 D4 ^& X
- RCC->APB2ENR|=1<<11; //TIM1时钟使能 4 Z2 R: X# [: K/ x( K
- GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0; //PA8清除之前的设置
4 x9 N) i; A$ D+ ~ - GPIOA->CRH|=0X0000000B; //复用功能输出
1 i3 M) @5 N0 `6 j# b9 I - 9 i! n) X$ T5 ?+ ?7 \* j
- TIM1->ARR=arr; //设定计数器自动重装值
8 H. @( R1 [7 {! O+ [* d( Q- D - TIM1->PSC=psc; //预分频器设置
9 u; h. _/ r9 g6 X$ K8 p: Q - & U1 H! d' |" {! N0 k2 ~3 V6 `3 |
- TIM1->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式
) r6 l/ e! b! b/ c. t& ] - TIM1->CCMR1|=1<<3; //CH1预装载使能
- Q' w. S) F u7 G, ?. S) _ - TIM1->CCER|=0<<1; //OC1 输出使能 / w/ p, r7 s1 p, T$ C
- //TIM1->CCER|=1<<1;
% `2 C3 o" X0 T5 C6 d6 y - & M# W4 V8 T! c; Y
- / W, W: t( p$ U: O. s+ e
- TIM1->BDTR|=1<<15; //MOE 主输出使能 $ U9 D2 I- @) ^4 |2 t/ M. T5 j
- 0 o4 t2 _$ e q" X5 q
- TIM1->CR1=0x0080; //ARPE使能 8 T& L6 u7 u! C8 t+ B
- TIM1->CR1|=0x01; //使能定时器1 # {: Y- {3 T+ n0 u8 A% O0 U+ c
- }
复制代码 下文具体分析上面的代码。
2 a0 x# G; \0 {* K- e' A' D前面4-6行是用来配置GPIO口的。: y1 I: h* H9 n# @6 l
- TIM1->ARR=arr; //设定计数器自动重装值
- K( L. A. D1 S! b% y5 p) L - TIM1->PSC=psc; //预分频器设置
复制代码 这两行就是我上门提到的设置定时器的频率和重装载值。
: S$ G+ u* z4 o7 F/ \7 O w, h2 o- TIM1->CCMR1|=7<<4; //CH1 PWM2模式- ?+ c: Q# R- p
- TIM1->CCMR1|=1<<3; //CH1预装载使能" x9 f+ S) S$ ^1 \$ A4 Z5 B! e8 L
- TIM1->CCER|=0<<1; //OC1 输出使能
复制代码 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。0 w7 q# z& v( E
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。8 n+ N D! x- k \
- TIM1->BDTR|=1<<15; //MOE 主输出使能
复制代码 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。
% P: f- [% a. @5 S9 \% S- TIM1->CR1=0x0080; //ARPE使能
复制代码 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。
- p2 G( Y4 c6 l7 I5 |
, C4 @7 Z# D G# u. o5 i% g- t. ?7 e" O
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:( l0 f# f# U* o% w
# [6 m, p" O. A I$ B- for(i=0;i<300;i++){
5 Q* V( T2 ?( \. A( k - TIM1->CCR1=i;0 X' H t2 b+ ^5 O
- if(i==300){/ ]" e, D- u* s: E. }
- i=0;
, V' x6 o, q: w% m# e - }: n: D" S" \* `5 h! z" L0 L
- }
复制代码 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。, `4 ^9 ^% T4 y3 ?
6 m. b6 O1 N/ q: o6 V, } [" c. x4 b2 Q& @2 h
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。2 D( w# y4 y5 V" z% w
; F( ?' y4 J* {: B8 O4 T$ H7 h N1 e$ R
# f. H; ?0 r0 K0 _8 _% h
$ @: S! R. [" m. b! i9 F% \
1 w+ I: Z. h; ~1 j) s! O" W
5 d6 M# K6 n5 _' h" V2 Z U7 T% @6 j( P' t6 I4 Y
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