STM32单片机PWM控制实现电机调速度（小车运动，STM32F103C8T6&TB6612&TT电机）

06-01 1117阅读

STM32单片机的PWM(脉冲宽度调制)电机控制

作者：公子易平

时间：2023/6/6

前段时间做一个智能小车的相关项目时，发现很少有人能够将STM32的PWM控制讲清楚，故而书此文，希望对后来的学习者有所帮助。

文章目录

STM32单片机的PWM(脉冲宽度调制)电机控制
- 1.硬件介绍
- 2.PWM控制原理
- - 2.1PWM控制的三个关键参数
  - 2.2定时器关键参数
  - 2.3PWM参数联系定时器参数
  - 3.软件设计
  - - 3.1定时器配置
    - 3.2电机端口初始化
    - 3.3小车运动封装
      1.硬件介绍
      - STM32F103C8T6最小系统板
        
        
        直流TT电机
        
        
        电机驱动芯片(TB6612)
        
        杜邦线若干
        
        
        接线情况：
        
        TB6612引脚说明:
        
        STM32主控芯片与TB6612接线：
        
        STM32F103C8T6 TB6612
        PA6 PWMA
        PA7 PWMB
        PB12 AIN1
        PB13 AIN2
        PB14 BIN1
        PB15 BIN2
        TB6612其余接口：
        
        TB6612 接口
        VM 7.4V
        VCC 3.3V
        GND GND
        AO1&AO2 A路电机正负极
        BO1&BO2 B路电机正负极
        STBY 3.3V
        电路原理图如下，仅供参考：
        
        2.PWM控制原理
        
        PWM即脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)，常用PWM实现LED呼吸灯、直流电机调速以及舵机控制，本文重点介绍如何使用STM32单片机对直流电机进行调速控制。
        
        2.1PWM控制的三个关键参数
        
        PWM控制的三个关键参数为频率(Freq)、占空比(Duty)以及分辨率(Reso),其相关定义如下式所示。
        
        式中，Freq、Duty以及Reso分别表示PWM的频率、占空比和分辨率。Ts为一个PWM控制周期的总时间，Ton为一个PWM控制周期中高电平时间。式中分辨率和频率的定义一样但是单位不同，频率的单位是Hz，分辨率的单位是%。
        
        需要重点关注的是占空比和分辨率两个参数。
        
        占空比:
        高电平的工作时间占一个周期的比例，可以理解高电平时间越长则电机转速越快，反之越慢。
        
        (理想的认为占空比和电机的转速成正比例关系)
        
        eg：
        
        Duty=0% 电机不转
        
        Duty=100% (在供电电压满足电机的额定电压时)电机达到最大转速
        
        Duty=50%的电机转速大于Duty=30%的电机转速
        
        分辨率:
        表征PWM控制的精度的一个参数，即可以电机速度调节的步距(Step)的大小，分辨率越大，能够控制的占空比也就精度越高。
        
        eg：
        
        Reso=1%（1/100）则电机的占空比可以为1% 2% 3%…100%,但是不能为3.5%；
        
        Reso=0.1% （1/1000）则电机的占空比可以为0.1%、8.9%…，但是不能是90.678%。
        
        2.2定时器关键参数
        
        使用STM32单片机实现PWM控制时需要用到单片机上的TIM定时器外设，使用定时器的输出比较功能。
        
        需要配置的定时器的关键参数亦有三个：预分频值PSC(Prescalar)、自动重装值ARR(AutoReload Register)以及输出比较值CCR(Capture /Compare Register)。
        
        PSC
        对输入到定时器中的时钟进行分频，如果默认的输入时钟信号为72MHz，则PSC=0时，时钟信号不分频，定时器输入时钟信号为72MHz；PSC=1时，系统分频，定时器输入时钟信号为36MHz…
        
        定时器的输入时钟信号=默认的输入时钟信号➗(PSC+1)
        
        ARR
        当使用定时器时，每经过单位时间（时基单元决定），定时器中CNT计数单元就会加1，其上限值由寄存器的位数决定，为防止其无限增加，需要配置ARR值。ARR的作用是在CNT计数单元增加到ARR值时，CNT的值自动停止增加并返回到初始值。
        
        实际上可以将这个过程看作给多个杯子加水的过程，每过一段时间就给一个杯子加固定体积的水，当一个杯子中的水装满之后，就给另一个新的杯子加水，而ARR自动重装值就相当于每个杯子的高度。
        
        CCR
        其实CCR输出比较值可以简单的理解为一个分界线。
        
        依旧是上面的例子，这次我们将杯子更具CCR分界线分成了上下两部分。下部分空间在遇到水之后会变成绿色，而上部分空间在遇到水之后会变成红色。
        
        在单片机中将绿色想象成高电平，红色为低电平。则在一个计数的周期内，如果定时器的计数值CNT未到达CCR分界线，则水是绿色的，输出高电平给电机；当计数值CNT到达分界线CCR，则此时再向水杯中加水，颜色就会变成红色，即输出低电平给电机，而当水杯装满后，又需要给下一个水杯进行加水重复上述过程。
        
        2.3PWM参数联系定时器参数
        
        上文中已然描述了定时器的三个参数以及PWM控制的三个参数，最终的目的是将定时器的三个参数的配置和PWM控制的三个参数的控制联系起来。
        
        其相互之间的联系的公式可以由下述公式进行描述：
        
        其中ARR值和CCR的值决定了PWM控制的占空比和分辨率。
        
        下图所示为其原理图，PWM控制的工作过程为：
        
        定时器工作，计数器值增加。
        当计数器值N小于CCR时，输出电平V为高电平1。
        当计数器值到达CCR时，输出电平V翻转为低电平0。
        当计数器值大于CCR小于ARR时，输出电平持续为低电平0，计数值N继续增加。
        当计数器值达到ARR时，计数值N回到初始状态，同时电平翻转，一个周期结束。
        所以，PWM控制实际上就是通过不断的改变定时器的CCR值来改变占空比，从而实现对电机的调速。
        
        3.软件设计
        
        TB6612电机驱动芯片可以驱动两路电机，本次使用单片机定时器3的两个通道产生两路PWM波实现对电机的调速控制。以下是代码部分，使用Keil软件进行编写。
        
        3.1定时器配置
        
        #include "stm32f10x.h"//头文件 //初始化定时器TIM3 并配置PWM初始化参数 void PWM12_Init(void) { //开启TIM3和GPIOA的时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //初始化GPIO口 PA6 PA7 用于产生PWM信号 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //复用推挽输出模式因为复用了TIM3外设 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO A6 A7 //使用内部时钟 TIM_InternalClockConfig(TIM3); //配置时基单元参数 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//定时器不分频 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数模式 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;//ARR自动重装值 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;//PSC预分频值 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//到达ARR触发一次中断停止计数 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);//初始化单元 //输出比较结构体配置 TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);//补全结构体中未配置参数 TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//选择PWM模式1 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//输出比较极性选择 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//输出使能 TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);//初始化 TIM3 OC1 TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//使能CCR1自动重装 TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);//初始化 TIM3 OC2 TIM_OC2PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);//使能CCR2自动重装 TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);//开启预装载 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);//开启定时器3 TIM3->CCR1 = 0;//设置输出比较值 TIM3->CCR2 = 0; } //设置PWM1比较值为Compare 即输出比较值 void PWM12_SetCompare1(uint16_t Compare) { TIM_SetCompare1(TIM3, Compare); } //设置PWM2比较值为Compare void PWM12_SetCompare2(uint16_t Compare) { TIM_SetCompare2(TIM3, Compare); }
        
        3.2电机端口初始化
        
        /******************************Motor电机模块************************** 电机初始化设置以及电机PWM设置 *********************************************************************/ #include "stm32f10x.h" // Device header #include "Timer.h" void MotorAll_Init(void) { //开启电机驱动口的四个GPIO RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); PWM12_Init();//开启定时器 } //设置右路电机速度 PWM void MotorR_SetSpeed(int8_t Speed) { if (Speed >= 0)//Speed值为正 { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//电机正转 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13); PWM12_SetCompare1(Speed);//设置Speed转速 } else//Speed值为负 { GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//电机反转 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13); PWM12_SetCompare1(-Speed);//设为-Speed转速 } } //设置左路电机PWM 速度 void MotorL_SetSpeed(int8_t Speed) { if (Speed >= 0) { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14); GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_15); PWM12_SetCompare2(Speed); } else { GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14); GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_15); PWM12_SetCompare2(-Speed); } }
        
        3.3小车运动封装
        
        /******************************模块简介******************************* 模块功能：小车运动模块函数封装 *********************************************************************/ #include "stm32f10x.h" // Device header #include "Motor.h" #include "Delay.h" void Car_Stop()//小车停止 { MotorR_SetSpeed(0); MotorL_SetSpeed(0); } void Car_Up()//小车前进 { MotorR_SetSpeed(80); MotorL_SetSpeed(80); } void Car_Down()//小车后退 { MotorR_SetSpeed(-80); MotorL_SetSpeed(-80); } void Car_TurnRight()//小车右转 { MotorR_SetSpeed(-50); MotorL_SetSpeed(100); } void Car_TurnLeft()//小车左转 { MotorR_SetSpeed(100); MotorL_SetSpeed(-50); } void Car_Spin()//小车旋转 { MotorR_SetSpeed(-100); MotorL_SetSpeed(100); }
        
        在主函数中分别调用上述封装函数，即可实现电机的调速运动。
        
        上述内容仅为作者个人看法，受限于水平和经验原因，部分描述可能存在问题。希望读者可以指出错误的地方，一起交流学习。毕竟读他人的东西只有做到双眼自将秋水洗，才能一生不受古人欺。
        
        更新日期：2023/6/8
        
        作者：公子易平