📚 课程目录第4章 STM32基础外设实战（二）

第4章：定时器PWM输出——控制舵机/直流电机的基础

各位同学，今天我们来啃一块硬骨头——定时器的PWM输出。说实话，PWM这东西在嵌入式里太常见了，调光、调速、控制舵机，哪哪都离不开它。我刚开始学的时候，总觉得不就是个方波嘛，有啥难的？结果第一次调舵机，电机死活不转，查了半天发现是频率设错了。嗯，这种坑，咱们今天一次性填平。

4.1 PWM到底是什么？

PWM，全称Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。说白了，就是通过调节一个方波里高电平占的比例，来模拟一个模拟量。你想想看，数字IO只能输出0或1，但电机需要的是连续的速度，怎么办？用PWM。

一个PWM信号有四个关键参数：

参数	含义	典型值（舵机）	典型值（直流电机）
频率	每秒多少个周期	50 Hz	1k~20k Hz
周期	一个完整脉冲的时间	20 ms	1 ms ~ 50 μs
占空比	高电平时间占周期的比例	5%~10%	0%~100%
分辨率	占空比可调节的精细度	8~16 bit	8~16 bit

这里有个关键点：舵机对频率非常敏感，必须是50 Hz左右。直流电机则宽泛得多，但频率太低会听到明显的嗡嗡声，太高了MOS管开关损耗又上去了。我个人习惯，直流电机PWM频率取10 kHz左右，既听不到噪音，效率也还行。

4.2 STM32定时器怎么产生PWM？

STM32的定时器，本质上是一个不断递增的计数器。它跟一个预设的"比较值"做对比，当计数值小于比较值时，输出高电平；大于等于时，输出低电平。这样，一个PWM波形就出来了。

我画了一张图，帮你理解这个流程：

你看，整个过程其实就三步：计数器跑、比较器判断、IO口翻转。STM32的硬件帮你做了全部，你只需要设置好ARR和CCR两个寄存器就行。

4.3 实战：用PWM控制舵机

舵机控制是PWM最经典的应用之一。我当年做六足机器人，18个舵机同时控制，PWM频率和相位稍微没调好，机器人直接原地抽搐。那场面，真是又好笑又心疼。

舵机的控制协议很简单：

周期：20 ms（频率50 Hz）
高电平时间：0.5 ms ~ 2.5 ms
对应角度：0° ~ 180°

换算成占空比就是：2.5% ~ 12.5%。中间值1.5 ms对应90°。

下面是一个完整的HAL库配置代码，我加了详细的注释：

// 定时器2，通道1，PA0输出PWM控制舵机
void Servo_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef oc = {0};
    TIM_HandleTypeDef htim2 = {0};
    
    // 1. 使能时钟
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 2. 配置GPIO为复用推挽输出
    gpio.Pin = GPIO_PIN_0;
    gpio.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    gpio.Pull = GPIO_NOPULL;
    gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);
    
    // 3. 配置定时器基础参数
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;        // 84 MHz / 84 = 1 MHz
    htim2.Init.Period = 20000 - 1;         // 1 MHz / 20000 = 50 Hz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    
    // 4. 配置PWM通道
    oc.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    oc.Pulse = 1500;                       // 初始占空比：1.5 ms → 90°
    oc.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    oc.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &oc, TIM_CHANNEL_1);
    
    // 5. 启动PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

// 设置舵机角度
void Servo_SetAngle(uint8_t angle)
{
    // 角度范围：0~180
    // 脉宽范围：500~2500 μs
    uint16_t pulse = 500 + (uint16_t)angle * 2000 / 180;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}

关键点：预分频器Prescaler和周期Period的计算。我的STM32主频84 MHz，先分频到1 MHz（精度1 μs），再计数20000次得到50 Hz。这样CCR的值直接就是微秒数，非常直观。

4.4 实战：用PWM控制直流电机

直流电机控制比舵机简单，但有个坑——电机启动瞬间电流很大。我记得有一次调试四驱小车，直接上100%占空比，结果电源指示灯闪了一下就黑了。后来学乖了，软启动。

直流电机PWM控制要点：

频率选择：1 kHz ~ 20 kHz。低于1 kHz能听到电机啸叫，高于20 kHz驱动管损耗增大。我一般取10 kHz。
死区处理：如果使用H桥驱动，上下管切换时必须插入死区时间，否则会直通烧管子。
软启动：占空比从0逐渐增加到目标值，避免电流冲击。

下面是一个带软启动的直流电机控制代码：

// 定时器3，通道2，PB5输出PWM控制直流电机
void Motor_Init(void)
{
    // ... GPIO和定时器配置类似，略 ...
    // 关键参数：10 kHz
    htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;        // 1 MHz
    htim3.Init.Period = 100 - 1;           // 1 MHz / 100 = 10 kHz
    // ...
}

// 软启动到目标占空比
void Motor_SoftStart(uint8_t target_duty)
{
    // target_duty: 0~100
    for(uint8_t i = 0; i <= target_duty; i++)
    {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, i);
        HAL_Delay(10);  // 每步延时10 ms
    }
}

// 直接设置占空比（紧急停止用）
void Motor_SetDuty(uint8_t duty)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, duty);
}

我的经验：调试电机时，先用一个LED代替电机，观察PWM波形是否正确。波形对了再上电机，能省很多烧驱动管的时间。

4.5 常见故障与定位

这部分是我最想跟你分享的。PWM出问题，症状千奇百怪，但根因就那么几个。

故障现象	可能原因	排查方法
舵机不动	频率不是50 Hz	用示波器测周期，确认是20 ms
舵机抖动	占空比不稳定或电源纹波大	检查CCR是否被意外修改；加电容滤波
电机不转	占空比太低或驱动管没导通	先设50%占空比，测电机两端电压
电机嗡嗡响	PWM频率太低	提高到10 kHz以上
驱动管发烫	频率太高或死区不够	降低频率；检查死区时间设置

⚠️ 曾经有个血的教训：我在调试一个机械臂时，舵机线序接反了，信号线和电源线短路。结果PWM引脚直接烧了，换了两块STM32才找到原因。所以，上电前一定要用万用表量一遍线序！

4.6 本章小结

PWM控制说难不难，说简单也不简单。核心就三点：频率算对、占空比算对、线序接对。掌握了这三条，舵机和直流电机你都能玩得转。

我个人建议，初学者先用逻辑分析仪或者示波器看波形，亲眼看到PWM的变化，比看一百遍代码都管用。等你对波形有感觉了，再回头调代码，会发现很多问题迎刃而解。