📚 课程目录第4章定时器与PWM

4. 定时器与PWM：基本定时器配置、高级定时器特性、PWM输出驱动舵机/电机

定时器，说白了就是STM32的“心脏节拍器”。

我刚开始做嵌入式那会儿，总觉得定时器不就是个计数器嘛，有啥好研究的。直到有一次做四轴飞行器，电机死活抖得跟筛糠似的……嗯，从那以后我才真正明白，定时器和PWM玩不转，电机控制就是纸上谈兵。

4.1 基本定时器：最简单的节拍

基本定时器（TIM6、TIM7）功能最单一，就俩活儿：计时和触发DAC。没有外部引脚，没有捕获/比较通道。

它的核心逻辑就一个公式：

溢出频率 = 定时器时钟 / (预分频器值 + 1) / (自动重装载值 + 1)

举个例子，STM32F4的APB1定时器时钟通常是84MHz。我想要一个1ms的定时中断：

// 1ms = 1/1000 秒
// 84MHz / (83+1) / (999+1) = 84,000,000 / 84 / 1000 = 1000 Hz = 1ms

TIM_HandleTypeDef htim6;
htim6.Instance = TIM6;
htim6.Init.Prescaler = 83;       // 预分频，84MHz / 84 = 1MHz
htim6.Init.Period = 999;         // 自动重装载，1MHz / 1000 = 1kHz
HAL_TIM_Base_Init(&htim6);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);   // 开启中断

我的习惯：预分频器值我一般先算到让计数器频率为1MHz（1us一格），这样Period值直接写想要的微秒数，调试时脑子不用转。

4.2 通用定时器：功能大爆发

通用定时器（TIM2~TIM5，TIM9~TIM14）在基本定时器基础上，加了：

4个独立通道：可配置为输入捕获、输出比较、PWM生成
编码器接口：直接接正交编码器测转速
霍尔传感器接口：无刷电机换相专用

我做过一个项目，用TIM2的编码器模式读电机转速，同时用TIM3输出PWM控制电机。一个定时器读，一个定时器写，互不干扰。

4.3 高级定时器：电机控制的王牌

高级定时器（TIM1、TIM8）才是重头戏。它比通用定时器多了几个杀手级功能：

功能	说明	我遇到的场景
互补输出	一对通道输出互补PWM，带死区插入	H桥驱动，上下管不能同时导通
刹车输入	紧急停止信号，强制PWM输出为安全状态	电机堵转时，刹车脚拉低立刻停
重复计数器	N次溢出后才触发更新事件	精确控制PWM脉冲个数，步进电机专用
霍尔/编码器接口	硬件自动换相	无刷电机FOC控制

我曾经踩过的坑：高级定时器的死区时间设置不当，导致H桥上下管直通，MOS管直接冒烟。死区时间要根据MOS管的关断延迟来算，别偷懒抄网上的值。

4.4 PWM输出：从原理到实战

PWM（脉冲宽度调制），说白了就是“开关开关开关”，通过调节高电平占整个周期的比例（占空比）来模拟不同的电压。

占空比 = CCR / ARR，其中CCR是捕获/比较寄存器值，ARR是自动重装载值。

配置一个PWM通道的步骤：

初始化定时器：设置预分频和周期
配置通道：选择PWM模式1或2，设置极性
设置占空比：写CCR寄存器
启动PWM：使能通道和主计数器

// 以TIM3通道1（PA6）输出50Hz舵机PWM为例
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 167;      // 168MHz / 168 = 1MHz
htim3.Init.Period = 19999;       // 1MHz / 20000 = 50Hz
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 1500;          // 1.5ms = 1500us，舵机中位
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

关键点：舵机PWM频率固定为50Hz（周期20ms），脉宽0.5ms~2.5ms对应0°~180°。电机PWM频率通常高得多，几kHz到几十kHz，频率太低电机会啸叫。

4.5 驱动舵机：角度控制实战

舵机控制其实就一个映射关系：角度 → 脉宽。

我习惯写一个函数，把0~180度映射到500~2500微秒：

void Servo_SetAngle(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel, uint16_t angle)
{
    // 角度范围 0~180，脉宽范围 500~2500 us
    uint16_t pulse = 500 + (uint32_t)angle * 2000 / 180;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, Channel, pulse);
}

// 使用示例：让舵机转到90度
Servo_SetAngle(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 90);

你想想看，如果直接写CCR寄存器，代码移植性差。封装成函数，换个定时器只要改参数就行。

4.6 驱动直流电机：速度与方向

直流电机控制需要两样东西：PWM调速 + H桥换向。

典型的L298N或TB6612驱动模块，用两个GPIO控制方向，一个PWM控制速度：

IN1	IN2	PWM	电机状态
0	0	X	刹车
0	1	占空比	正转（速度可调）
1	0	占空比	反转（速度可调）
1	1	X	急停

void Motor_Control(uint8_t dir, uint16_t speed)
{
    // speed范围 0~1000
    switch(dir)
    {
        case MOTOR_FORWARD:
            HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_Port, IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_Port, IN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, speed);
            break;
        case MOTOR_BACKWARD:
            HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_Port, IN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_Port, IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, speed);
            break;
        case MOTOR_STOP:
            HAL_GPIO_WritePin(IN1_GPIO_Port, IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(IN2_GPIO_Port, IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            break;
    }
}

避坑指南：电机启动瞬间电流很大，我建议用软启动——占空比从0逐渐增加到目标值，每次增加50，间隔10ms。不然电源会被拉垮，单片机直接复位。

4.7 知识结构图：定时器与PWM体系

下面这张图把本章的知识脉络串起来了，从基本定时器到高级定时器，再到舵机和电机的实际应用：

4.8 常见问题与调试技巧

PWM没输出？先检查GPIO复用功能配置，再查定时器时钟是否使能。我经常忘了开AFIO时钟。
舵机抖动？大概率是PWM频率不对，或者电源功率不够。舵机启动电流可达2A，别用开发板USB供电。
电机不转？先测PWM引脚波形，再用万用表测驱动板供电。很多时候是GND没共地。
高级定时器死区无效？检查TIM_Break和死区配置寄存器，刹车极性别搞反了。

我的调试三板斧：

逻辑分析仪看PWM波形——频率对不对？占空比变没变？
示波器看电机驱动输出——死区够不够？有没有直通？
串口打印CCR和ARR值——寄存器写进去了没？

定时器和PWM这部分，说白了就是“配参数、看波形、调细节”。配多了自然就熟了。我当年为了调一个无刷电机的启动时序，连续熬了三个晚上，最后发现是死区时间少配了0.5微秒……嗯，从那以后我再也不敢轻视定时器的配置了。