STM32 定时器输出比较深度解析：从原理到电机控制应用 (详解)

定时器输出比较

定时器通道结构

• 通道组成：定时器有四个通道，以通道一为例，中间是 CCR x 寄存器（x 对应通道编号），左边是输入捕获，右边是输出比较。

• 输入捕获功能：用于测量外部输入信号的时间参数，如周期、占空比等。

• 输出比较功能：通过定时器产生精确定时的方波信号，经引脚输出，可驱动外部设备。

输出比较通道(高级)

左面为CNT计数器 和 CCR1输出捕获比较寄存器

• 高级定时器比较电路
  • 电路理解方式：将左面部分去掉后与通用定时器电路一样，右面电路用途需结合外部电路理解。
  • 外部推挽电路：通常接大功率开关管（MOS 管）组成推挽电路，上管导通下管断开输出高电平，反之输出低电平，上下管都导通会短路，都断开输出高阻态。
  • 死区生成与互补输出：OC1 和 OC1N 是互补输出端口，死区生成电路可避免上下管同时导通，防止功率损耗和器件发热。

PWM 信号原理

• PWM 概念：PWM 即脉宽调制信号，由 pulse（脉冲）、width（宽度）、modulation（调制）英文缩写组成，周期恒定，可调整占空比。

• 占空比定义：一个周期里高电压占整个周期的比例，用高电压时间 TH 除以整个周期时间 t 得到，可等效调节输出电压幅度。

• PWM 波形介绍

  • 定义：英文全称 Pulse width modulation，即脉冲宽度调制，是数字输出信号，由高低电平组成。
  • 原理：在惯性系统中，通过调制脉冲宽度等效获得模拟产量，如控制 LED 亮度和电机调速，利用点亮熄灭频率和时间比例实现调控。
  • 参数：频率等于 ts 分之一，PWM 频率越快等效模拟信号越平稳但性能开销越大，一般在几千到几十千赫兹；占空比等于 ton 比上 TS，决定等效模拟电压大小；分辨率等于占空比变化步距，由实际项目需求决定。

• 产生 PWM 信号过程：启动计时单元，计数器 CNT 每来一个脉冲值增加一，计数到与自动重装计算器 ARR 值相等时溢出并重新计数。输出比较模块对比计数器 CNT 值和 CCR 寄存器值，当 CNT 值小于 CCR 值时输出高电压，大于时输出低电压，由此产生 PWM 信号。其周期由 ARR 寄存器值决定，高电压时间由 CCR 值决定，改变 CCR 值可调整占空比。

输出比较 8 种工作模式

• 模式分类：包括 frozen（冻结）、active on match（相等有效）、inactive on match（相等无效）、toggle（翻转）、false inactive（强制无效）、false active（强制有效）、PWM1、PWM2 共 8 种。
• 常用模式：前六种模式使用较少，简单了解即可。PWM1 是常用模式，当计数器 CNT 值小于 CCR 值时，OCX REF 输出高电压，否则输出低电压；PWM2 模式与 PWM1 相反，CNT 小于 CCR 值时输出低电压，大于等于时输出高电压。
  

互补输出概念

• 引脚连接：定时器前三个通道的输出比较连接两个引脚，如通道一连接 CH1 和 CH1N，CH1 等表示正常输出，CH1N 等表示互补输出。

• 输出原理：正常输出直接输出模式选择产生的参考信号，与 OCX REF 信号相同；互补输出是参考信号经过反向器输出，与 OCX REF 信号相反。
  

• 实际应用：在同步 buck 电路（降压电源）、电机控制电路等中，两个开关交替导通，控制逻辑相反，需用到正常输出和互补输出信号。

极性选择内容

• 极性选择作用：决定是否对输出信号取反。
• 正常输出极性选择：选择高级性时，参考信号直接与正常输出相连，两者相等；选择低级性时，参考信号经反向器后与正常输出相连，两者相反。
• 互补输出极性选择：选择高级性时，参考信号经反向器与互补输出相连，互补输出与参考信号相反；选择低级性时，两个反向器作用抵消，互补输出与参考信号相同 。

PWM硬件部分

舵机

• 舵机相关知识
  • 工作方式：根据输入 PWM 信号占空比控制输出角度，内部由直流电机驱动，有控制电路板，执行逻辑是 PWM 信号给控制板目标角度，电位器检测当前角度，电机正反转使输出轴固定在指定角度。
  • PWM 信号要求：周期 20 毫秒（50 赫兹），高电平宽度 0.5 毫秒到 2.5 毫秒，对应输出角度为 -90 度到正 90 度（或 0 到 180 度），中间线性分配。
  • 硬件电路：舵机有三根线，分别对应电源正负极和信号线，电源正接 5 伏，电源负接 GND，信号线接 STM32 引脚（如 PA0），供电可单独提供或用 USB 的 5 伏供电。

舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置

输入PWM信号要求：周期为20ms，高电平宽度为0.5ms~2.5ms

舵机的工作原理，输入信号规定的角度给内部电路板，有电位器，会比较当前位置与设置位置的差距，然后控制直流电机运动（正转或者反转）。

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硬件电路

直流电机及驱动简介

直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，有两个电极，当电极正接时，电机正转，当电极反接时，

电机反转直流电机属于大功率器件，GPIO口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作

TB6612是一款双路H桥型的直流电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机并且控制其转速和方向

• 直流电机及驱动
  • 电机特性：将电能转化为机械能，电极正接正转，反接反转，属于大功率器件，GPIO 口无法直接驱动。
  • 驱动芯片：选用 TB6612 双路 h 桥型直流电机驱动芯片，可驱动两个直流电机并控制转速和方向，集成度高，外围只需三个滤波电容。
  • 硬件电路连接：VM 接电机电源正极（4.5 - 10 伏，与电机额定电压一致），VCC 接控制器电源（2.7 - 5.5 伏，与控制器电源一致），GND 接系统负极，AO1、AO2 和 BO1、BO2 分别接电机，控制端 PWM 接 PWM 信号输出端，AIN1、AIN2 和 BIN1、BIN2 接普通 GPIO 口，STBY 引脚控制待机状态。
  • 正反转及速度控制：IN1 和 IN2 全高或全低电机不转，IN1 低 IN2 高且 PWM 高电机反转，速度取决于 PWM 信号占空比；IN1 高 IN2 低且 PWM 高电机正转，速度也取决于 PWM 信号占空比。

硬件电路