STM32电机控制基础知识

1. 前言

        电机控制是嵌入式领域中一个前景广阔的专业方向。然而，面对繁杂的理论与实践，许多初学者常常感到无从下手。因此本篇文章将以STM32的标准库驱动直流有刷电机为例，分享一些电机控制的基础知识，希望可以给大家做一个参考。

2. 电机控制外设--高级定时器

        一般而言，电机控制都是通过定时器输出PWM来进行控制的。而在STM32中，有高级定时器和通用定时器之分，高级定时器相较于普通定时器，多了互补输出和带死区刹车控制等功能，因此电机控制通常用高级定时器来进行控制。接下来先对高级定时器的互补输出、死区、刹车输入等基础知识进行介绍。

2.1 互补输出

        在之前学习的STM32基础定时器知识中，可以通过定时器的某个通道CHX输出PWM波形。而在高级定时器中，每个CHX通道（x取1，2，3，4），存在着对应的CHXN通道，该通道称为互补输出通道，如下图所示：

        红色的波形代表CHX通道，绿色的波形代表CHXN通道。当CHX通道输出高电平时，CHXN输出低电平，这就称为互补输出。

2.2 死区

        带死区控制的互补输出指的是在CHX和CHXN输出的高低电平转换的等待时间，这段时间称为死区时间，只有死区时间过后，才能实现互补输出，如下图：

        那为什么需要这段死区时间呢？答案还需要借助电机H桥来进行说明，带死区控制的互补输出通常用于电机控制的H桥中，H桥的简化示意图如下所示：

        如上图H桥的原理表述为：Q1-Q4都是NPN型三极管。当采用互补输出时，OC1输出高电平期间，OCIN输出低电平。那么OC1输出高电平让Q1和Q4导通（原理看模电知识，此处不过多解释），那么此时电流经VCC流经Q1-->电机-->Q4-->GND，此时电机转动（假设正转）；而OC1N输出高电平时，此时OC1输出低电平，此时Q2、Q3导通，Q1和Q4截止，电流方向相反，电机反转。

        但是当没有死区时间时，在OC1和OC1N的高电平--低电平（或者是低电平--高电平）转换期间，三极管由于关断不及时（关断是需要时间的），这就会造成H桥的同一侧三极管同时导通，此时会让VCC直接与GND连接，造成短路！因此，需要在两个通道进行高低电平转换的时候插入死区时间，等待三极管到达稳定状态，再进行互补输出。

        那又出现了新的问题，如何去计算这段死区时间呢？答案就在STM32高级定时器的寄存器中，一般使用CR1的CKD位和BDTR寄存器的UTG位来进行死区时间设置的，如下图所示：

        举个例子：当UTG位的值为250时，250 的二进制数为11111010，即UTG[7:5]为111，所以选择第四条公式：DT=(32+ DTG[4:0]) * Tdtg，其中Tdtg = 16 * TDTS。而TDTS的值为CKD位的选择，如CKD=10时，此时为4分频。

2.3 刹车输入

        刹车的概念即是字面意思，当配置一个IO口为刹车输入时，如果刹车有效，此时CHX和CHXN通道就不会输出PWM信号去驱动电机转动，此时电机就会慢慢停止。这就称为刹车，它也是由BDTR寄存器来进行设置的，如下图：

        可见，当刹车输入有效时，此时MOE位会被硬件清零，此时会禁止OC和OCN输出或强制为空闲状态。

3. 编写互补输出驱动

        在了解上述原理后，接下来使用STM32F103标准库编写驱动函数，代码如下所示：

/*IO初始化函数*/
void io_set(gpioled port,u16 pin,GPIOMode_TypeDef mode)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;if(port==GPIOA) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); else if(port==GPIOB) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);else if(port==GPIOC) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);else if(port==GPIOD) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);else if(port==GPIOE) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);else if(port==GPIOF) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF, ENABLE);else if(port==GPIOG) RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = pin;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = mode;  		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(port, &GPIO_InitStructure);			//初始化GPIO
}/*
*@breif：带刹车输入的死区互补输出
*@para：u16 arr
*@para：u16 psc
*@para：u16 ccr
*@para：u16 dtg
*@return：none
*/
void TIM1_dead_pwm_init(u16 arr,u16 psc,u16 ccr,u16 dtg)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);	//使能定时器1时钟io_set(GPIOA,GPIO_Pin_8,GPIO_Mode_AF_PP);				//C1io_set(GPIOB,GPIO_Pin_13,GPIO_Mode_AF_PP);				//C1Nio_set(GPIOB,GPIO_Pin_12,GPIO_Mode_IPU);				//刹车输入io初始化，上拉输入//初始化TIM1TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV4; //CKD[1:0] = 10, tDTS = 4 * tCK_INTTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCPolarity_High; //互补输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;	//互补输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ccr;						//设置占空比TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM2 OC1TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM1在CCR上的预装载寄存器/*设置刹车*/TIM_BDTRStructInit(&TIM_BDTRInitStructure);									//填充BDTR初始默认值，初始化TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime=dtg;										//设置死区时间TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Enable;							//使能刹车输入TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_Low; 			// BKIN 低电平触发刹车TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;		//使能AOE位，刹车结束后恢复输出TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);								//BDTR初始化TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);											//使能MOE位TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  													//使能TIM1
}

        驱动编写分为以下几个步骤。首先对定时器时钟使能（此处使用的是高级定时器TIM1）；其次对CH1、CH1N以及刹车输入引脚进行初始化；设置定时器自动重装值及psc进行定时器初始化；接下来设置PWM模式，并且设置CH1、CH1N的输出极性及输出使能。

        Note：此处的CH1和CH1N的输出极性都设置成高，不能一个设置成高，另一个设置成低，否则会造成CH1和CH1N同时输出高/低电平。原因是：当CH1设置为高有效，CH1N设置成低有效时，假如在PWM1模式，此时CNT<CCR的时候CH1输出有效电平为1，此时其互补输出CH1N应该为无效电平，但CH1的无效电平还是1，即同时输出高电平（但测试的时候发现都设置成低电平有效时也会出现该问题）。

        最后，设置死区刹车。先设置刹车时间、使能刹车输入，将刹车输入设置成低电平有效；使能AOE位，即当刹车结束后可以恢复互补输出功能；TIM_CtrlPWMOutputs函数设置MOE位为1，此时才能实现互补输出，最后使能TIM1即可。

4. 直流有刷电机

        在了解高级定时器的互补输出使用基础知识之后，接下来看一下如何通过互补输出去驱动直流有刷电机转动。

        直流有刷电机BDC是一种内含电刷装置，可以将直流电能转换成机械能的电动机。 其结构由定子、转子、电刷和换向器组成。其中，定子用于产生固定的磁场，通常由永磁体或电磁绕组制成；转子由一个或多个铜线绕组构成，通电后可以在磁场中受力运动；电刷指的是将外部电流输入到转子绕组上；换向器用于改变转子绕组中电流的流向。了解结构之后来看一下直流有刷电机的工作原理。

4.1 直流有刷电机工作原理

        其原理本质上是通电导线在磁场中受力运动，因此需要通过左手定则来进行判断（是否感觉到死去的高中物理知识在攻击你）。左手定则是判断通电导线处于磁场中时，所受安培力 F (或运动)的方向、磁感应强度B的方向以及通电导体棒的电流I三者方向之间的关系的定律。 左手定则的具体内容：将左手四指并拢伸直，使拇指与其他四指在平面内垂直，手掌方向 代表磁场的方向（从N级到S级），四指代表电流的方向（从正极到负极），那拇指所指的方向就是受力的方向，如下图所示：

        知道左手定则后，来看直流有刷电机的简化示意图，如下所示：

        由图可见，当电流从C端流入，D端流出时；此时根据左手定则可知a1a2线圈往上运动，b2b1线圈往下运动；当整个线圈转动90°后，此时换向器C和D的位置交换，那么此时电流从D端流入，C端流出，导致线圈继续沿着原来的方向受力转动，这就是直流有刷电机基本工作原理。

        那么从上可知，电机想要调节速度时，即调节线圈的受力大小，也就是调节电流大小（即调节电源电压大小）；电机想要换向时即调节电流方向。了解直流有刷电机的基本工作原理之后，接下来依然使用H桥电路（见2.2章节）来进行电机驱动。

4.2 直流有刷电机方向及速度控制原理

        H桥电路可方便对电机的正反转方向及速度进行控制，具体原理如下：电机方向控制原理不再过多叙述（见2.2章节）；电机调速原理是固定一路输入信号的电平，另一路信号利用PWM波作为输入，这样即可调节驱动板输出到电机的电压，从而实现电机的速度控制。波形如下所示：

        具体来说，比如CH1固定为高电平时，CH1N输出PWM波，当CH1N为低电平周期时，此时电机会转动；这时CH1N转换为高电平周期时，由于CH1和CH1N都输出高电平，那么此时电机就会减速，但由于惯性电机不会立即停止。因此，可通过调节CH1N的PWM占空比来实现速度控制，即占空比越大，高电平周期越长，电机转动的就慢。

        综上，可通过TIM1_CH1（主通道）输出PWM波，TIM1_CH1N（互补通道）固定输出高电平（后续讲如何实现），此时只要调节主通道输出的 PWM 占空比即可调整电机上的电压，进而控制电机的速度。当电机需要换向的时候，我们就让主通道固定输出高电平，互补通道输出PWM即可。

5. 编写直流有刷电机驱动程序

        了解上述直流有刷电机的调速、换向原理之后，接下来先介绍电机调速时如何让某通道固定输出高/低电平。根据直流有刷电机调速原理，需要将一路输出固定电平，另外一路输出PWM波。为了方便同时对方向和速度进行控制，采用高级定时器的互补输出方式。但互补输出是主通道输出PWM方波时，互补通道输出相反的PWM方波。那如何做到在主通道输出PWM方波时，互补通道固定输出一个高电平或者低电平呢？

        答案还是藏在BDTR的寄存器的OSSR位和OSSI位里，如下图：

        上图中OSSR位代表的是当OSSR=1，定时器在运行模式下（计数使能的状态）如果突然关闭了互补输出中的某个通道（CCXE或CCXNE=0），那么此时被关闭通道的CH1或者CH1N将输出无效电平；同理，OSSI位代表的是定时器在空闲模式下（定时器不工作），如果设置为1，关闭对应通道时，对应通道输出空闲电平（具体看CR2寄存器，此处不过多展开）。更加具体来说，手册中表75对OSSR和OSSI的设置状态做了总结，如下图：

        知道如何做到让互补输出的通道输出固定电平之后，接下来介绍驱动程序的编写，代码如下：

*直流有刷电机驱动*/
void TIM1_dead_pwm_init(u16 arr,u16 psc,u16 ccr,u16 dtg)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);	//使能定时器1时钟io_set(GPIOA,GPIO_Pin_8,GPIO_Mode_AF_PP);				//C1io_set(GPIOB,GPIO_Pin_13,GPIO_Mode_AF_PP);				//C1Nio_set(GPIOB,GPIO_Pin_12,GPIO_Mode_IPU);				//刹车输入io初始化，上拉输入//初始化TIM1TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV4; //CKD[1:0] = 10, tDTS = 4 * tCK_INTTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCPolarity_High; //互补输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;	//互补输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ccr;						//设置占空比TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM2 OC1TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM1在CCR上的预装载寄存器/*设置BDTR*/TIM_BDTRStructInit(&TIM_BDTRInitStructure);									//填充BDTR初始默认值，初始化TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime=dtg;										//设置死区时间TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState=TIM_OSSRState_Enable;					//OSSR位设置为1TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState=TIM_OSSIState_Disable;					//OSSI位设置为0TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;						//注意在本功能中没有用到刹车TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_Low; 			// BKIN 低电平触发刹车TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;		//使能AOE位，刹车结束后恢复输出TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);								//BDTR初始化TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);											//使能MOE位TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  													//使能TIM1
}/*电机停止*/
void motor_stop(void)
{TIM_CCxCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);		//关闭CH1通道PWM输出TIM_CCxNCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable); 	//关闭CH1N通道PWM输出
}/*电机方向设置*/
void motor_dir(u8 para)
{TIM_CCxCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);		//关闭CH1通道PWM输出TIM_CCxNCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable); 	//关闭CH1N通道PWM输出if (para == 0)                /* 正转 */{TIM_CCxCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);     //开启主通道输出 } else if (para == 1)           /* 反转 */{TIM_CCxCmd(TIM1,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);     //开启互补通道输出}
}/*电机速度调节*/
void motor_speed(u16 ccr)
{if(ccr<1000)	/*限速*/{TIM_SetCompare1(TIM1,ccr);	//调节占空比}
}

        由上可见，初始化函数与定时器的互补输出驱动函数差不多，主要是增加了OSSR、OSSI的设置。此处将OSSR设置为1，OSSI设置为0。

        接下来看电机停止函数，电机停止函数主要是将CH1和CH1N两个通道进行关闭（需要注意本功能没有使用刹车输入实现电机停止），当两个通道关闭后，根据表75可知，OSSR为1，MOE=1（初始化函数中设置了），CCXE=CCXEN=0，此时禁止输出。

        电机方向设置函数：先将两个通道都进行关闭，每次只打开一个通道，关闭一个通道；根据表75可知，此时会让一方输出固定电平，一方输出PWM信号。如此轮换，即可让电机换向。

        最后是电机速度调节函数，调节PWM的占空比即可。

6. 参考文献

        [1] STM32中文参考手册V10；

        [2] DMF407电机控制_V1.0；

        [3] STM32F103开发指南；

        [4] STM32F103C8T6数据手册；