一、PWM 驱动电机的原理

PWM 通过固定频率的方波信号，改变高电平占空比（0%~100%）来调整输出功率。对于直流电机，平均电压 = 电源电压 × 占空比，从而改变电枢电流，实现转速调节。STM32 的定时器（如 TIM1~TIM8）具有硬件 PWM 生成能力，无需 CPU 干预即可持续输出波形。

关键参数：

  • 频率：通常 10kHz~20kHz，避免 audible noise，同时保证电流纹波可控。
  • 占空比：决定平均电压，正转/反转需配合 H 桥方向引脚。
  • 分辨率：取决于定时器重载值（ARR），如 ARR=999 时，占空比步进为 0.1%。

二、STM32 定时器 PWM 工作原理

以通用定时器 TIM3 为例，PWM 输出基于以下寄存器：

  • TIMx_PSC（预分频器）：将时钟分频，得到计数频率。
  • TIMx_ARR（自动重装载）：决定 PWM 频率。
  • TIMx_CCR（捕获/比较）：与计数器值比较，控制占空比。

输出模式为 PWM1 时：

  • 计数器 < CCR → 输出有效电平（默认高）
  • 计数器 ≥ CCR → 输出无效电平（默认低）

因此，占空比 = CCR / (ARR+1)。通过修改 CCR 即可在线调速。

三、硬件连接与 H 桥简介

MCU 的 GPIO 输出电流有限，不能直接驱动电机。常用方案是使用 H 桥（如 L298N、DRV8833）或集成 MOS 驱动。H 桥需要两个控制端：

  • PWM 输入：接收占空比信号
  • 方向引脚：控制正反转

例如，L298N 的 ENA 接 PWM，IN1/IN2 决定方向。注意共地，避免电流干扰。

四、STM32CubeMX 配置步骤

1. 选择定时器

  • 打开 STM32CubeMX，配置 TIM3。
  • 时钟源选择 Internal Clock。
  • Channel1 选择 PWM Generation CH1。
  • 设置 Prescaler = 71（72MHz/72 = 1MHz 计数时钟）
  • 设置 Counter Period (ARR) = 999（则 PWM 频率 = 1MHz / 1000 = 1kHz）
  • 初始占空比设为 500（50%）

2. 配置 GPIO

  • 若使用 L298N，需额外配置两个 GPIO 为输出，用于方向控制。

3. 生成工程

  • 选择 HAL 库，生成代码。

五、HAL 库代码示例

以下为核心代码（基于 STM32F103，已包含在 main.c 中）：

// 启动 PWM 输出（由 CubeMX 生成的初始化函数中已调用）
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// 方向控制引脚定义（假设 PA4=IN1, PA5=IN2）
#define MOTOR_FORWARD  {HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, SET); \
                        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, RESET);}
#define MOTOR_BACKWARD {HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, RESET); \
                        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, SET);}
#define MOTOR_STOP      {HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, RESET); \
                        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, RESET);}

// 调速函数（speed: 0~1000，对应 0%~100%）
void Motor_SetSpeed(uint16_t speed) {
    if (speed > 1000) speed = 1000;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, speed);
}

// 使用示例
int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM3_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
    
    while (1) {
        MOTOR_FORWARD;
        Motor_SetSpeed(600);  // 60% 占空比正转
        HAL_Delay(3000);
        
        MOTOR_BACKWARD;
        Motor_SetSpeed(400);  // 40% 占空比反转
        HAL_Delay(3000);
        
        MOTOR_STOP;
        HAL_Delay(1000);
    }
}

六、调试与优化技巧

  • 若电机有高频啸叫，检查 PWM 频率是否在 16kHz 以上（人耳听不见）。
  • 低速时会出现死区（电机不转），可在软件中做非线性映射，或用 PID 补偿。
  • 使用示波器观察 PWM 波形，确保占空比与预期一致，同时检查是否有毛刺（可能导致电机抖动）。

七、注意事项

  1. 共地问题：电机电源和单片机必须共地，否则逻辑电平不稳定。
  2. 电源滤波：电机启动电流大，需在电源端并联 100μF~470μF 电解电容和 0.1μF 陶瓷电容。
  3. 隔离与保护：若电机功率较大，建议使用光耦隔离驱动信号；并对 PWM 引脚进行限流保护。
  4. 死区时间：若使用 H 桥全桥驱动，必须在上下管切换时插入死区，避免直通短路。可配置 STM32 高级定时器的死区寄存器（如 TIM1_BDTR）。
  5. 频率选择：不宜过高（>100kHz），否则开关损耗增大；也不宜过低（<5kHz），会引起扭矩波动。

总结

本文从 PWM 原理切入，演示了 STM32 定时器生成 PWM 的配置与 HAL 代码。实际工程中，需根据电机型号、驱动器特性调整频率与死区，并配合速度闭环（如 PID）实现精准控制。基础打好，后续可扩展至 FOC 或 BLDC 控制。