STM32 PWM 输出全解析：从舵机控制到电机调速与LED调光

1. PWM 原理：为什么能控制这么多设备？

PWM 信号本质上是固定频率的方波，通过改变高电平在一个周期内的占比（即占空比）来传递信息。对于不同负载，PWM 的作用机制略有不同：

舵机：舵机内部电路将 PWM 的脉宽（高电平时间）映射为转角。典型周期为 20ms，脉宽 0.5ms~2.5ms 对应 0°~180°。
直流电机：PWM 的平均电压决定了电机两端有效电压，从而控制转速。配合 H 桥电路，还可实现正反转。
LED：人眼感知亮度与平均功率近似线性，高频 PWM 调光无闪烁，且比线性调压效率更高。

STM32 定时器可以自动产生 PWM 波形，无需 CPU 干预，非常适合实时控制。

2. STM32 定时器 PWM 工作机制

STM32 的通用定时器（TIM2~TIM5）和高级定时器（TIM1、TIM8）均具备 PWM 生成功能。其核心原理如下：

计数寄存器 CNT：从 0 计数到自动重载值 ARR，然后清零重新计数。
比较寄存器 CCRx：当 CNT < CCRx 时，输出高电平；当 CNT >= CCRx 时，输出低电平（PWM 模式 1）。
占空比 = CCRx / (ARR+1)，频率 = 定时器时钟 / ((ARR+1) * (PSC+1))。

通过配置 ARR 和 PSC 可设定频率，通过修改 CCRx 即可调节占空比。

3. 硬件连接与配置步骤

3.1 硬件准备

STM32F103 开发板（或其他系列）
舵机（SG90）连接 PA8（TIM1_CH1）
直流电机驱动模块（L298N）连接 PA6（TIM3_CH1）
LED 串联电阻连接 PA7（TIM3_CH2）

3.2 配置步骤（以 HAL 库为例）

启用定时器时钟，并配置 GPIO 为复用推挽输出。
设置定时器时基：PSC 和 ARR 决定频率。
配置 PWM 通道：模式、极性、初始占空比。
使能 PWM 输出，并启动定时器。
修改 CCRx 寄存器或使用 __HAL_TIM_SET_COMPARE 来更新占空比。

4. 完整代码示例（HAL 库）

以下代码同时演示舵机、电机和 LED 的控制。使用 TIM1_CH1（PA8）驱动舵机，TIM3_CH1（PA6）驱动电机，TIM3_CH2（PA7）驱动 LED。

/* 定时器句柄 */
TIM_HandleTypeDef htim1, htim3;  

void MX_TIM1_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 7199;          // 72MHz/7200 = 10kHz
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 199;              // 10kHz/200 = 50Hz（20ms周期）
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 15;                 // 初始占空比 15/200=7.5%（对应90°）
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

void MX_TIM3_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 71;            // 72MHz/72 = 1MHz
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 999;              // 1MHz/1000 = 1kHz
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
    
    /* 通道1：电机 */
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;                 // 初始停止
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
    
    /* 通道2：LED */
    sConfigOC.Pulse = 500;               // 初始50%亮度
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
}

/* GPIO 复用配置 */
void MX_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    /* PA8: TIM1_CH1, PA6: TIM3_CH1, PA7: TIM3_CH2 */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

/* 应用：设置舵机角度（0~180） */
void set_servo_angle(uint8_t angle) {
    uint32_t pulse = 10 + (angle * 10) / 180;  // 脉宽：0.5ms~2.5ms，按10kHz计数，即5~25
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}

/* 应用：设置电机转速（-100~100，负值需配合H桥） */
void set_motor_speed(int16_t speed) {
    if (speed >= 0) {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, speed * 10); // 0~1000
    }
    // 如需反转，通过GPIO控制H桥方向引脚
}

/* 应用：设置LED亮度（0~255） */
void set_led_brightness(uint8_t brightness) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, brightness * 4); // 0~1020
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM1_Init();
    MX_TIM3_Init();
    
    set_servo_angle(90);
    set_motor_speed(50);
    set_led_brightness(128);
    
    while (1) {
        // 动态调节示例：呼吸灯
        for (int i = 0; i <= 255; i++) {
            set_led_brightness(i);
            HAL_Delay(5);
        }
        for (int i = 255; i >= 0; i--) {
            set_led_brightness(i);
            HAL_Delay(5);
        }
    }
}

5. 关键细节与注意事项

频率选择：舵机必须 50Hz（周期20ms），否则会抖动或烧毁。电机一般 1kHz~20kHz（高频率可降低噪音），LED 调光建议 >1kHz 以避免闪烁。
占空比计算：先确定 ARR，再根据需要的脉宽或百分比计算 CCR。例如舵机：ARR=199，PSC=7199，计数时钟10kHz，则 0.5ms = 5，2.5ms = 25。
高级定时器注意：TIM1/TIM8 默认输出极性可能相反，且需要使能主输出 __HAL_TIM_MOE_ENABLE(&htim1)。如果使用 HAL_PWM_Start 则已包含。
死区与互补输出：若控制 H 桥或电机驱动，需注意上下桥臂的互补 PWM 和死区插入，防止直通短路。
动态调参：修改 ARR 会改变频率，建议只修改 CCR 调整占空比。若需可变频率，使用 DMA 或更新事件中断。
标准库移植：将 HAL 的 __HAL_TIM_SET_COMPARE 替换为 TIM_SetCompare1(TIMx, value) 即可，初始化部分需手动配置寄存器或参考标准库例程。

6. 总结

STM32 的 PWM 功能是连接数字世界与模拟世界的桥梁。理解定时器时基与比较寄存器之间的关系，是配置任何 PWM 应用的基础。通过本文的示例，你可以轻松拓展到多通道舵机控制板、无刷电机 ESC、RGB LED 调光等场景。建议动手在开发板上验证，并将逻辑分析和示波器测量作为调试利器，才能深刻掌握 PWM 的精髓。