TIM输出比较之PWM驱动直流电机应用案例

news2024/10/1 17:33:31

文章目录

  • 前言
  • 一、应用案例演示
  • 二、电路接线图
  • 三、应用案例代码
  • 四、应用案例分析
    • 4.1 初始化PWM模块
      • 4.1.1 RCC开启时钟
      • 4.1.2 配置时基单元
      • 4.1.3 配置输出比较单元
      • 4.1.4 配置GPIO
      • 4.1.5 运行控制
    • 4.2 PWM输出模块
    • 4.3 电机模块
      • 4.3.1 Motor初始化模块
      • 4.3.2 电机调速模块
    • 4.4 主程序

前言

提示：本文主要用作在学习江科大自化协STM32入门教程后做的归纳总结笔记，旨在学习记录，如有侵权请联系作者
本案例实现了一个利用输出占空比可调的PWM信号来驱动直流电机的功能。每按一次按键电机按照增量或减量的速度正反转动，比如按一下，OLED上显示当前的速度值为+20，再按一下，+40，以此类推。其中正转显示为+，反转显示为-。

一、应用案例演示

TIM输出比较之PWM驱动直流电机

二、电路接线图

这里红色的模块是TB6612电机驱动模块，它的第一个引脚VM为电机电源，同样的我们可以把它接到STLINK的5V引脚上。第二个VCC逻辑电源，接面包板3.3V正极。第三个GND电源负极，接面包板的负极。之后AO1、AO2电机输出端，接电机的两根线。STBY待机控制脚，不需要待机，直接接逻辑电源3.3V正极。剩下的三个是控制引脚，AIN1和AIN2是方向控制，任意接两个GPIO就行了，这里我接的是PA4和PA5两个引脚。PWMA是速度控制，需要接PWM的输出脚，这里我接的是PA2这个引脚。最后在PB1接了一个按键用于控制电机。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

三、应用案例代码

PWM.h文件：

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H

void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare);

#endif

PWM.c实现文件：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void PWM_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;		//ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;		//PSC
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;		//CCR
	TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare3(TIM2, Compare);
}

电机头文件Motor.h：

#ifndef __MOTOR_H
#define __MOTOR_H

void Motor_Init(void);
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed);

#endif

电机实现文件Motor.c：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"

void Motor_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	PWM_Init();
}

void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
	if (Speed >= 0)
	{
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		PWM_SetCompare3(Speed);
	}
	else
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		PWM_SetCompare3(-Speed);
	}
}

主程序main.c：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;
int8_t Speed;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	Motor_Init();
	Key_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "Speed:");
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();
		if (KeyNum == 1)
		{
			Speed += 20;
			if (Speed > 100)
			{
				Speed = -100;
			}
		}
		Motor_SetSpeed(Speed);
		OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 3);
	}
}

完整工程：TIM输出比较之PWM驱动直流电机应用案例

四、应用案例分析

整体思路与LED呼吸灯那一章节基本是一致的，在那一章里已经讲得非常详细了，这里就不再累述了，不懂的可以回过头去看一看。

文章传送门在此：TIM输出比较之PWM驱动LED呼吸灯应用案例

在这里插入图片描述

这里需要注意的是，本案例换了一个GPIO口，所以对应的定时器的通道也要更换。如下表所示，可以看到PA2对应的是TIM2的CH3通道。

在这里插入图片描述

4.1 初始化PWM模块

4.1.1 RCC开启时钟

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

4.1.2 配置时基单元

TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;		//ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;		//PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

TIM_InternalClockConfig(TIM2);//选择时基单元的时钟源，选择内部时钟。若不调用这个函数，系统上电后默认也是内部时钟。

计算公式如下：
PWM频率：Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
PWM占空比：Duty = CCR / (ARR + 1)
PWM分辨率：Reso = 1 / (ARR + 1)
换算公式：1 MHz = 1,000 KHz = 1,000,000 Hz

假设我要输出一个频率为1KHz，占空比为50%，分辨率为1%的PWM波形，时钟源选择内部时钟，也就是说CK_PSC=72MHz。

代入公式计算可得：
Freq =1000 = 72000000 / 720 / 100
那么可以推算出PSC为719，ARR为99
同样的道理，Duty = 50% = CCR / 100，推算出CCR为50。
同样也可以推算出周期 T = 1 / 1000 = 0.001秒，也就是1毫秒。（频率是周期的倒数 f = 1 / T）

输出频率为1KHz，占空比为50%(CCR设置为50)，分辨率为1%(受占空比变化影响)的PWM波形代码如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;		//ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720- 1;		//PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

那如果我们设置频率为1KHz的话就会出现一个问题，就是这个电机会发出蜂鸣器的响声，在堵转的时候很明显。因为电机里面也是线圈和磁铁，所以在PWM的驱动下会发出蜂鸣器的声音，这是正常现象。那有什么办法可以避免呢？研究表明，人耳能听到的范围是20Hz到20KHz，那这样的话我们可以把频率调到人耳能接受的范围就可以了。

加大频率我们可以通过减小预分频器来完成，这样不会影响占空比。所以我们给这个预分频器去掉一个0，那就是10KHz了。再减半为36，那就是20KHz了。

那么输出频率为20KHz的PWM波形代码如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;		//ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;		//PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

4.1.3 配置输出比较单元

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;		//CCR
TIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

4.1.4 配置GPIO

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

4.1.5 运行控制

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

4.2 PWM输出模块

void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare3(TIM2, Compare);
}

4.3 电机模块

4.3.1 Motor初始化模块

void Motor_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	PWM_Init();
}

电机模块的初始化包括两个部分，分别是控制电机正反转的两个GPIO（PA4和PA5）以及PWM模块。

4.3.2 电机调速模块

void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
	if (Speed >= 0)
	{
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		PWM_SetCompare3(Speed);
	}
	else
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
		PWM_SetCompare3(-Speed);
	}
}

GPIO_SetBits()和GPIO_ResetBits()用于设置电机正反转，PWM_SetCompare3函数用于设置电机速度。

在这里插入图片描述

4.4 主程序

主程序在while(1)主循环里通过获取按键按下的状态对电机进行调速，当速度超过100的时候反方向运行。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;
int8_t Speed;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	Motor_Init();
	Key_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "Speed:");
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();
		if (KeyNum == 1)
		{
			Speed += 20;
			if (Speed > 100)
			{
				Speed = -100;
			}
		}
		Motor_SetSpeed(Speed);
		OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 3);
	}
}

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