3. GPIO与PWM输出：定时器配置、PWM频率与占空比计算、电机正反转控制逻辑

这一章，我们开始真正让电机动起来。很多初学者一上来就调PID，结果电机根本不转，或者转得乱七八糟——其实问题往往出在最基础的PWM配置上。我个人习惯先把底层驱动调稳了，再谈控制算法。你想想看，连占空比都输出不准，PID算得再好也没用。

3.1 定时器与PWM的基本原理

STM32F407的定时器资源非常丰富，有高级定时器（TIM1/TIM8）、通用定时器（TIM2~TIM5、TIM9~TIM14）和基本定时器（TIM6/TIM7）。做电机控制，我们最常用的是高级定时器和通用定时器，因为它们支持PWM输出。

PWM的本质，说白了就是定时器在计数过程中，比较输出引脚的电平翻转。定时器从0计数到ARR（自动重装载值），中间有个比较值CCR。当计数值小于CCR时，输出高电平；大于CCR时，输出低电平——这就是PWM的生成原理。

举个例子，我用TIM2做电机PWM输出。TIM2挂载在APB1总线上，时钟频率84MHz。我想要20kHz的PWM频率，分辨率达到0.1%左右，怎么算？

先定ARR。分辨率0.1%意味着ARR+1至少1000，我取ARR=999。那么PSC = 84MHz / (20kHz × 1000) - 1 = 3.2，取整PSC=3。实际频率 = 84MHz / 4 / 1000 = 21kHz，误差只有5%，完全够用。

3.2 定时器配置实战

下面我给出一个完整的TIM2 PWM初始化代码。这段代码我用了很多年，基本改改引脚和参数就能复用。

void Motor_PWM_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置GPIO为复用功能
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource0, GPIO_AF_TIM2);  // PA0 -> TIM2_CH1
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource1, GPIO_AF_TIM2);  // PA1 -> TIM2_CH2

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. 配置PWM模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比0

    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  // CH1
    TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  // CH2

    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

这里有几个坑，我当年都踩过：

• GPIO复用功能要配置对——每个定时器通道对应的引脚是固定的，查数据手册别想当然。
• 高级定时器需要额外使能主输出——TIM1和TIM8要调用TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE)，否则没输出。
• 初始占空比设为0——防止上电瞬间电机猛转，安全第一。

3.3 占空比与频率的实时调整

实际调试中，我们经常需要动态改变占空比和频率。改变占空比很简单，直接写CCR寄存器：

// 设置TIM2_CH1占空比，范围0~arr
void Motor_SetDuty(uint16_t duty)
{
    TIM_SetCompare1(TIM2, duty);
}

// 设置TIM2_CH2占空比
void Motor_SetDuty2(uint16_t duty)
{
    TIM_SetCompare2(TIM2, duty);
}

改变频率稍微麻烦一点，需要重新配置ARR和PSC。注意：改变ARR会影响占空比，因为占空比 = CCR / (ARR+1)。所以改变频率后，要重新计算CCR值。

3.4 电机正反转控制逻辑

直流有刷电机的正反转，靠的是H桥电路。我常用的方案是两路PWM控制：一路控制正转，一路控制反转，但同一时刻只能有一路有效。

控制逻辑其实很简单：

控制状态	PWM1 (正转)	PWM2 (反转)	电机行为
停止	0%	0%	电机不转
正转	占空比D	0%	正向旋转，速度与D成正比
反转	0%	占空比D	反向旋转，速度与D成正比
刹车	100%	100%	电机急停（短接制动）

代码实现：

typedef enum {
    MOTOR_STOP = 0,
    MOTOR_FORWARD,
    MOTOR_BACKWARD,
    MOTOR_BRAKE
} MotorState_t;

void Motor_Control(MotorState_t state, uint16_t speed)
{
    // speed范围0~arr，arr=999
    switch(state) {
        case MOTOR_STOP:
            Motor_SetDuty(0);
            Motor_SetDuty2(0);
            break;
        case MOTOR_FORWARD:
            Motor_SetDuty(speed);
            Motor_SetDuty2(0);
            break;
        case MOTOR_BACKWARD:
            Motor_SetDuty(0);
            Motor_SetDuty2(speed);
            break;
        case MOTOR_BRAKE:
            Motor_SetDuty(999);  // 100%占空比
            Motor_SetDuty2(999);
            break;
    }
}

3.5 知识体系总览

这一章的内容，我用一张图帮你理清思路：

3.6 调试要点与常见问题

最后，我总结几个调试中一定会遇到的问题：

• PWM没输出？先查GPIO复用功能配置，再用示波器看定时器时钟引脚有没有波形。我遇到过好几次，都是GPIO的AF配置错了。
• 电机抖动？大概率是PWM频率太低，或者占空比变化太快。加个低通滤波或者软件平滑处理。
• 电机只能一个方向转？检查H桥使能引脚，或者看另一路PWM的CCR是不是被意外改写了。
• 发热严重？PWM频率太高，或者死区时间没设置。高级定时器可以配置死区插入，这个后面讲。