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简介：PWM（脉冲宽度调制）是电机控制中的核心技术，通过调节占空比实现电机速度和方向的精确控制。本文以“pwm.C”源代码为例，深入讲解PWM控制电机正反转的实现流程，涵盖初始化配置、PWM信号生成、方向切换、调速逻辑及安全保护机制。通过实践学习，可掌握嵌入式系统中电机控制的完整开发流程，提升硬件驱动与实时控制编程能力。
1. PWM控制技术原理
1.1 PWM的基本概念与作用
PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过调节脉冲宽度来控制输出能量的技术，广泛应用于电机控制、电源管理、LED调光等领域。其核心思想是通过周期性方波信号中高电平时间的占比（即占空比）来调节输出的平均功率。
在电机控制中，PWM通过调节占空比可以实现对电机转速的精确控制。其优势在于效率高、响应快、控制精度高，同时便于与嵌入式系统集成。
接下来将深入解析PWM的参数、波形特征及其在现代控制系统中的关键作用。
2. PWM信号的生成与调速机制
在现代电机控制与嵌入式系统中，PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号的生成与调速逻辑是实现高效、精确控制的关键技术之一。本章将围绕PWM信号生成的硬件与软件实现方式，以及其在电机调速中的核心作用展开深入探讨。我们将从基本的PWM生成方法入手，逐步分析占空比与电机转速之间的关系，并最终深入探讨加速与减速过程中PWM调制的逻辑设计。通过本章内容，读者将能够理解并掌握PWM信号的生成机制、调速逻辑的设计方法以及在实际系统中的应用技巧。
2.1 PWM信号的基本生成方法
PWM信号的生成方式可以分为硬件PWM和软件PWM两大类。它们各有优劣，适用于不同的应用场景。在嵌入式系统中，通常优先使用硬件PWM，因为它能提供更高的精度和更低的CPU占用率。但在资源受限或需要灵活控制的情况下，软件PWM也常被采用。
2.1.1 硬件PWM与软件PWM的区别
硬件PWM由微控制器（MCU）内部的定时器模块直接生成，具有精确的周期与占空比控制能力。它通常由专用的PWM模块实现，无需CPU干预，适合用于高精度、高频率的控制任务，如电机驱动、LED调光等。
软件PWM则是通过程序控制GPIO的高低电平切换来模拟PWM信号。其优势在于灵活性强，可以动态调整参数，但受限于CPU时钟频率和程序执行效率，难以实现高频率的PWM信号，且容易造成CPU负载过高。
特性 硬件PWM 软件PWM 实现方式 MCU内部定时器模块 程序控制GPIO切换 频率精度 高 中等 CPU占用率 极低 高 可配置性 固定配置，部分可调 完全可编程，灵活性高 应用场景 电机控制、电源管理、音频合成等 低频控制、教学演示、资源受限场景
2.1.2 基于定时器的PWM信号生成
大多数MCU都集成了定时器模块，支持PWM输出功能。以STM32系列为例，其通用定时器（如TIM2~TIM5）和高级定时器（如TIM1、TIM8）均可配置为PWM输出模式。
下面是一个基于STM32 HAL库配置PWM信号的代码示例：
#include "stm32f4xx_hal.h"
TIM_HandleTypeDef htim2;
void MX_TIM2_Init(void)
{
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 83; // 预分频系数，84MHz / (83+1) = 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999; // 自动重载值，周期为1ms（1kHz）
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}
void set_pwm_duty_cycle(uint32_t duty)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
}
代码逻辑分析
MX_TIM2_Init() 函数 ： - 启用TIM2时钟： __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); - 配置定时器为向上计数模式（ TIM_COUNTERMODE_UP ）。 - 设置预分频器（Prescaler）为83，使得系统时钟（84MHz）被除以84，得到1MHz的计数频率。 - 设置周期（Period）为999，即计数器从0到999，共1000个计数单位，对应1ms周期，即频率为1kHz。 - 启动PWM通道1。
set_pwm_duty_cycle() 函数 ： - 使用 __HAL_TIM_SET_COMPARE() 函数设置比较寄存器的值，该值决定了PWM的占空比。例如，若比较值为500，则占空比为50%。
2.1.3 常见MCU中的PWM模块使用
不同MCU厂商提供的PWM模块略有差异，但其核心原理一致。以Arduino为例，使用 analogWrite(pin, value) 函数即可实现PWM输出，其中 value 取值范围为0~255，对应0%~100%的占空比。
以STM32为例，其PWM模块支持多种模式，包括边缘对齐、中心对齐模式等，还可配置死区时间（Dead Time）以用于H桥驱动保护。
下图展示了基于定时器的PWM生成流程：
graph TD
A[系统时钟] --> B{预分频器}
B --> C[定时器计数]
C --> D{比较寄存器}
D -->|匹配| E[触发PWM输出翻转]
D -->|未匹配| F[保持原状态]
E --> G[PWM输出]
F --> G
2.2 占空比与电机转速的关系
PWM信号通过调节占空比来控制电机的平均电压，从而影响其转速。理解占空比与转速之间的关系是实现电机精确控制的关键。
2.2.1 占空比对平均电压的影响
PWM信号的平均电压由占空比决定。设电源电压为 $ V_{cc} $，占空比为 $ D $，则平均电压 $ V_{avg} $ 为：
V_{avg} = D \times V_{cc}
例如，若 $ V_{cc} = 12V $，占空比为50%，则平均电压为6V。
2.2.2 转速与电压之间的非线性关系
尽管平均电压与占空比成正比，但电机的转速并不完全与电压成线性关系。电机的机械特性、负载变化、摩擦力等因素都会导致实际转速曲线呈现非线性。
下表展示了某直流电机在不同占空比下的实测转速（单位：RPM）：
占空比 (%) 平均电压 (V) 实测转速 (RPM) 0 0 0 20 2.4 300 40 4.8 800 60 7.2 1200 80 9.6 1450 100 12.0 1500
从表中可以看出，随着占空比增加，转速增长速度逐渐变缓，呈现饱和趋势。
2.2.3 实际调速曲线的拟合与校准
为了实现更精确的转速控制，通常需要对实际转速进行采样，并进行曲线拟合。例如，使用最小二乘法拟合出一个近似函数：
RPM = a \times D^2 + b \times D + c
通过实验数据拟合出系数 $ a, b, c $，可以在控制时根据目标转速反推所需的占空比值。
以下是一个简单的C语言函数示例，用于根据目标转速计算占空比：
float rpm_to_duty(int target_rpm)
{
float a = -0.0002;
float b = 0.15;
float c = 50;
float duty = (-b + sqrt(b*b - 4*a*(c - target_rpm))) / (2*a);
if(duty < 0) duty = 0;
if(duty > 100) duty = 100;
return duty;
}
代码逻辑分析
使用二次方程拟合转速与占空比关系。 使用求根公式计算占空比值。 增加边界判断，防止占空比超出0~100%范围。
2.3 加速与减速调速逻辑设计
在电机控制中，平稳的加速与减速过程不仅提升用户体验，还能延长电机寿命。常见的调速逻辑包括线性加速、S型加速等。
2.3.1 线性加速与S型加速对比
类型 特点 优点 缺点 线性加速 占空比随时间线性增加 简单易实现 起始冲击大 S型加速 占空比变化速率先慢后快再慢 起停平稳，适合高精度场合 实现复杂，计算量较大
下图展示了线性加速与S型加速的占空比变化曲线对比：
graph LR
A[时间] --> B[占空比]
A --> C[S型加速]
B --> D[(线性加速)]
C --> D
2.3.2 时间间隔控制与占空比递增
为了实现平滑的加速过程，通常采用定时中断方式逐步增加占空比。例如，每10ms增加1%的占空比，直到达到目标值。
示例代码如下：
#define TARGET_DUTY 80
#define STEP 1
#define INTERVAL_MS 10
void smooth_accelerate()
{
uint8_t current_duty = 0;
while(current_duty < TARGET_DUTY)
{
set_pwm_duty_cycle(current_duty);
HAL_Delay(INTERVAL_MS);
current_duty += STEP;
}
set_pwm_duty_cycle(TARGET_DUTY);
}
代码逻辑分析
定义目标占空比、每次增加的步长和时间间隔。 使用循环逐步增加占空比。 每次更新后延时指定时间，实现平滑过渡。
2.3.3 速度变化的平滑过渡算法
对于S型加速，通常采用Sigmoid函数或多项式函数来模拟加速度的变化趋势。例如：
D(t) = \frac{D_{max}}{1 + e^{-k(t - t_0)}}
其中： - $ D(t) $：当前占空比 - $ D_{max} $：最大占空比 - $ k $：控制加速陡峭程度 - $ t_0 $：加速中点时间
在嵌入式系统中，可以通过查表法或实时计算实现该函数。
总结 ：本章详细讲解了PWM信号的生成方法、占空比与电机转速的关系，以及加速与减速调速逻辑的设计。通过硬件与软件PWM的对比、占空比与转速的非线性关系分析，以及多种调速逻辑的实现方式，读者可以掌握PWM信号在电机控制中的核心应用方法。下一章将继续深入探讨电机正反转控制机制与实现方式。
3. 电机正反转控制机制与实现
电机的正反转控制是电机控制领域中一个基础而关键的部分。在工业自动化、机器人、电动车以及各类自动化设备中，电机的方向控制直接关系到系统的运行效率和安全性。本章将围绕电机正反转的电气原理、相位差控制逻辑以及C语言实现PWM控制流程展开，通过原理分析、电路设计、代码实现与逻辑说明，系统性地讲解如何实现对电机方向的精准控制。
3.1 电机正反转的电气原理
3.1.1 H桥驱动电路的工作原理
电机的正反转本质上是通过改变电机两端电压的极性来实现的。实现这一功能的关键电路是 H桥（H-Bridge） 。H桥由四个开关元件（通常是MOSFET或晶体管）组成，排列成“H”形结构，电机位于中间的横梁上，如图所示：
graph TD
A[电源+] --> B(M1)
C[电源+] --> D(M3)
B --> E(电机A)
D --> F(电机B)
E --> G(M2)
F --> H(M4)
G --> I[地]
H --> J[地]
当M1和M4导通时，电流从电源+ → M1 → 电机A → 电机B → M4 → 地，形成正向电流，电机正转。 当M3和M2导通时，电流从电源+ → M3 → 电机B → 电机A → M2 → 地，形成反向电流，电机反转。
因此，通过控制这四个开关的导通状态，可以实现电机的正转、反转、刹车或自由停止。
3.1.2 方向控制引脚的逻辑关系
现代电机驱动芯片（如L298N、TB6612、DRV8825等）通常将H桥集成在芯片内部，并通过方向控制引脚（如IN1、IN2）来控制电机方向。以L298N为例，其方向控制逻辑如下：
IN1 IN2 动作 0 0 电机停止 1 0 正转 0 1 反转 1 1 刹车
通过MCU（如STM32、Arduino等）控制这两个引脚的高低电平，即可控制电机的运行状态。在实际应用中，通常将IN1和IN2连接到GPIO引脚，并结合PWM信号控制电机速度与方向。
3.2 相位差控制实现方向切换
3.2.1 双路PWM信号的相位差设置
在某些高级电机控制方案中，使用 双路互补PWM信号 来控制电机方向，常见于有刷直流电机或步进电机控制中。双路PWM信号的相位差决定了电机的运行方向。
以STM32为例，其定时器支持 互补PWM输出模式 （如TIM1、TIM8），可以生成具有死区时间控制的互补信号。例如：
// 伪代码示例：配置互补PWM输出
TIM_OCInitTypeDef OC_InitStruct;
OC_InitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
OC_InitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
OC_InitStruct.TIM_Pulse = 500; // 占空比
OC_InitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
OC_InitStruct.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
OC_InitStruct.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;
OC_InitStruct.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
OC_InitStruct.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Set;
TIM_OC1Init(TIM1, &OC_InitStruct);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);
通过控制PWM1和PWM2的相位差，可以改变电机的运行方向。例如：
PWM1领先于PWM2：电机正转 PWM2领先于PWM1：电机反转
3.2.2 正反转切换的同步控制
在切换电机方向时，必须保证两个方向控制信号的同步性，避免出现短暂的 双高或双低 状态，造成电机失控或电流冲击。因此，通常采用以下策略：
软件延时 ：在切换方向前加入短暂延时，确保电机完全停止。 硬件保护 ：利用H桥的刹车功能，快速将电机动能耗散。 PWM软切换 ：逐步减小当前方向PWM占空比，再切换方向并逐步增大。
3.2.3 避免死区时间与短路风险
在使用互补PWM信号时，必须设置 死区时间（Dead Time） ，防止上下桥臂同时导通造成短路。死区时间可以通过定时器寄存器配置，例如：
TIM_BDTRInitTypeDef BDTR_InitStruct;
BDTR_InitStruct.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
BDTR_InitStruct.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
BDTR_InitStruct.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;
BDTR_InitStruct.TIM_DeadTime = 0xA0; // 设置死区时间值
BDTR_InitStruct.TIM_BDTPolarity = TIM_BDTPolarity_High;
BDTR_InitStruct.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;
TIM_BDTRConfig(TIM1, &BDTR_InitStruct);
TIM_DeadTime ：死区时间参数，单位取决于系统时钟。 设置合理死区时间可防止MOSFET短路，提高系统安全性。
3.3 C语言实现PWM控制流程
3.3.1 初始化PWM模块与GPIO配置
在嵌入式系统中，控制电机方向与PWM输出通常需要配置以下模块：
GPIO ：用于控制方向引脚（IN1、IN2）。 定时器 ：用于生成PWM信号。 中断或任务调度 ：用于动态调整占空比与方向。
以STM32为例，初始化PWM与GPIO的代码如下：
// 初始化方向控制GPIO
void InitDirectionGPIO(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
// 初始化PWM定时器
void InitPWM(void) {
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 999; // 周期
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 71; // 分频
TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);
TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 500; // 初始占空比50%
TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCStruct);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);
}
3.3.2 方向控制函数的编写
方向控制函数通过设置IN1和IN2引脚的电平来控制电机方向：
void SetMotorDirection(uint8_t direction) {
switch (direction) {
case 0: // 正转
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
break;
case 1: // 反转
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
break;
case 2: // 停止
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
break;
}
}
3.3.3 动态调整占空比与方向的综合示例
在实际应用中，常需要动态调整电机方向与速度。以下是一个综合示例：
void AdjustMotor(uint8_t direction, uint16_t duty_cycle) {
SetMotorDirection(direction); // 设置方向
TIM_SetCompare1(TIM2, duty_cycle); // 设置占空比
}
int main(void) {
InitDirectionGPIO();
InitPWM();
while (1) {
AdjustMotor(0, 700); // 正转，70%占空比
Delay_ms(2000);
AdjustMotor(1, 700); // 反转，70%占空比
Delay_ms(2000);
AdjustMotor(2, 0); // 停止
Delay_ms(1000);
}
}
逻辑分析：
AdjustMotor 函数封装了方向与速度的控制，便于模块化开发。 TIM_SetCompare1() 用于设置当前PWM通道的比较值，从而改变占空比。 系统在循环中依次执行正转、反转、停止操作，形成周期性动作。
通过本章的学习，读者可以掌握电机正反转控制的电气原理、方向切换的实现方式以及基于C语言的PWM控制流程。下一章将深入讲解如何在嵌入式系统中初始化和配置PWM模块，为实际工程开发打下坚实基础。
4. 嵌入式系统中的PWM初始化与配置
在现代嵌入式系统中，PWM（脉宽调制）信号的生成与配置是实现精确电机控制、LED调光、电源管理等任务的核心手段。本章将围绕PWM在嵌入式系统中的初始化与配置流程展开，涵盖从硬件引脚设置、开发环境搭建到实际系统开发的完整路径。我们将以STM32系列MCU为例，深入剖析PWM模块的配置方法，帮助开发者构建高效的控制逻辑。
4.1 PWM引脚的初始化配置
PWM信号的生成依赖于微控制器中的定时器模块。为了使PWM信号能够输出到具体的引脚，必须完成引脚的复用功能配置、定时器通道选择以及初始频率与占空比的设定。
4.1.1 引脚复用功能设置
在STM32等MCU中，GPIO引脚通常具有多个复用功能（Alternate Function）。要使用某个引脚作为PWM输出，需要将其配置为复用推挽输出模式，并映射到对应的定时器通道。
// 配置PB6为TIM4_CH1的复用功能
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOB时钟
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽模式
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM4; // 映射到TIM4
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
逐行解释：
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() ：启用GPIOB的时钟，否则无法操作该端口。 GPIO_MODE_AF_PP ：设置为复用推挽输出模式，适用于高频信号输出。 GPIO_AF2_TIM4 ：将PB6引脚映射到定时器4的通道1。 HAL_GPIO_Init() ：调用HAL库初始化函数完成配置。
4.1.2 定时器通道与PWM模式选择
在STM32中，PWM通常使用定时器的通道（Channel）来生成。以TIM4为例，它支持4个通道的PWM输出。我们需选择一个通道，并设置为PWM模式1或模式2。
// 初始化TIM4定时器
TIM_HandleTypeDef htim4;
TIM_OC_InitTypeDef sConfig = {0};
__HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE(); // 启动TIM4时钟
htim4.Instance = TIM4;
htim4.Init.Prescaler = 83; // 84MHz / (83+1) = 1MHz
htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim4.Init.Period = 999; // 1MHz / 1000 = 1kHz
htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
参数说明：
Prescaler ：预分频器，用于降低定时器时钟频率。 Period ：自动重载寄存器值，决定PWM周期。 TIM_COUNTERMODE_UP ：计数器向上计数模式。 ClockDivision ：用于滤波设置，通常设为 TIM_CLOCKDIVISION_DIV1 。
4.1.3 初始占空比与频率设定
PWM的频率由定时器的时钟频率、预分频器和自动重载值共同决定，而占空比则由比较寄存器（TIMx_CCRx）控制。
sConfig.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfig.Pulse = 500; // 初始占空比为50%
sConfig.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfig.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim4, &sConfig, TIM_CHANNEL_1);
逻辑分析：
OCMode = TIM_OCMODE_PWM1 ：选择PWM模式1，即在递增计数时比较匹配时输出低。 Pulse = 500 ：设置比较寄存器值，对应占空比为 500 / 1000 = 50%。 OCPolarity ：输出极性，HIGH表示高电平有效。 OCFastMode ：快速比较模式，一般关闭。
4.2 嵌入式开发环境的搭建
构建一个稳定的开发环境是嵌入式PWM控制项目的第一步。它包括开发板的选择、调试工具的连接、驱动库的引入以及编译环境的配置。
4.2.1 开发板与调试工具的选择
选择开发板时应考虑以下因素：
项目 推荐 微控制器 STM32F407 / STM32F103 / STM32G474 开发板 STM32 Nucleo-64 / STM32F4 Discovery 调试器 ST-Link V2 / J-Link IDE STM32CubeIDE / Keil uVision / IAR
开发板选择建议：
初学者推荐使用STM32 Nucleo系列开发板，因其支持多种扩展模块。 对性能有要求的项目可选用STM32G4系列，其支持高级PWM功能（如死区控制、互补输出等）。
4.2.2 驱动库与编译环境配置
STM32官方提供了STM32CubeMX工具，用于图形化配置外设并生成初始化代码。同时，HAL库提供了丰富的API，简化开发流程。
配置流程：
使用STM32CubeMX选择MCU型号并配置GPIO和定时器； 设置时钟树（Clock Tree）； 生成初始化代码； 导出为STM32CubeIDE工程； 添加PWM控制逻辑代码； 编译并下载至开发板。
示意图（使用mermaid绘制）：
graph TD
A[STM32CubeMX] --> B[选择MCU型号]
B --> C[配置GPIO与TIM]
C --> D[设置时钟源]
D --> E[生成代码]
E --> F[STM32CubeIDE导入]
F --> G[编写PWM控制代码]
G --> H[编译/下载/调试]
4.3 嵌入式电机控制系统开发实践
在实际应用中，PWM常用于电机调速。为了构建一个完整的电机控制项目，我们需要从项目结构设计、主程序逻辑到任务调度进行系统性开发。
4.3.1 项目结构与代码模块划分
一个典型的嵌入式电机控制项目结构如下：
/project
│
├── /Core
│ ├── main.c
│ ├── pwm_control.c/h
│ ├── motor_control.c/h
│ └── system_init.c/h
│
├── /Drivers
│ └── stm32f4xx_hal.c
│
├── /Inc
│ └── main.h
│
└── Makefile
模块说明：
main.c ：主程序入口，负责初始化和任务调度。 pwm_control.c ：封装PWM初始化、占空比设置等操作。 motor_control.c ：实现电机方向控制、加减速逻辑等。 system_init.c ：系统时钟、GPIO、定时器等基础配置。
4.3.2 主程序逻辑与PWM任务调度
主程序通常采用轮询或中断方式调度PWM任务。以下是一个简单的主循环结构：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_TIM4_PWM_Init();
// 启动PWM通道
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
while (1)
{
for(uint16_t duty = 0; duty <= 1000; duty += 10)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, duty);
HAL_Delay(50);
}
}
}
逻辑分析：
HAL_Init() ：初始化HAL库。 SystemClock_Config() ：配置系统时钟。 MX_TIM4_PWM_Init() ：调用CubeMX生成的PWM初始化函数。 __HAL_TIM_SET_COMPARE() ：动态修改比较寄存器值，从而改变占空比。 HAL_Delay() ：延时函数，用于控制占空比变化的节奏。
4.3.3 实际测试与波形观测方法
在实际调试中，使用示波器或逻辑分析仪观察PWM波形是验证配置是否正确的重要手段。
测试步骤：
连接示波器探头到PWM输出引脚； 设置示波器为“自动测量”模式； 观察周期、频率、占空比是否符合预期； 调整 htim4.Init.Period 和 Pulse 值进行验证。
示波器截图示例描述：
参数 测量值 频率 1kHz 占空比 50% 高电平时间 0.5ms 低电平时间 0.5ms
通过上述方法，可以验证PWM配置的准确性，确保电机控制系统的稳定性。
总结：
本章系统性地介绍了嵌入式系统中PWM信号的初始化与配置流程，包括引脚复用设置、定时器通道选择、占空比与频率设定、开发环境搭建以及电机控制项目的开发实践。通过对STM32平台的详细配置示例与代码分析，帮助开发者构建起完整的PWM控制逻辑框架。下一章将围绕PWM控制的安全保护机制展开，进一步提升系统的鲁棒性与安全性。
5. PWM控制系统的安全保护机制
在实际的嵌入式PWM控制系统中，电机、驱动电路以及电源等环节都可能面临各种异常情况，如过流、过热、短路等。这些异常如果不及时处理，不仅会导致硬件损坏，还可能引发安全事故。因此，在PWM控制系统中引入完善的安全保护机制是至关重要的。
5.1 过流保护机制实现
过流是电机控制系统中最常见的故障之一，通常由于电机堵转、负载突变或驱动电路短路引起。为防止电流过大损坏系统，需要设计可靠的过流检测与响应机制。
5.1.1 电流检测电路的设计
常见的电流检测方法包括使用采样电阻配合运算放大器（如INA219、ACS712等）或霍尔传感器进行非接触式测量。以下是一个基于采样电阻和运算放大器的基本电流检测电路：
+Vcc
|
[R_sense]
|
+-----> Amplifier Output (to ADC)
|
GND
R_sense ：采样电阻，通常选择低阻值（如0.1Ω）以减少功耗。 放大器 ：将微弱的电压信号放大后送入MCU的ADC引脚进行采样。
5.1.2 电流阈值的设定与比较
通过ADC采集到的电压值可换算为实际电流值。设定一个安全阈值（如2A），当检测电流超过该值时触发保护。
#define CURRENT_THRESHOLD 2000 // 单位：mA
int read_current() {
int adc_value = ADC_Read(CURRENT_ADC_CHANNEL);
float voltage = (adc_value * VREF) / ADC_MAX;
float current = voltage / SENSE_RESISTANCE; // 单位：A
return (int)(current * 1000); // 转换为mA
}
if (read_current() > CURRENT_THRESHOLD) {
trigger_overcurrent_protection();
}
ADC_Read() ：读取ADC通道的原始值。 VREF ：参考电压（如3.3V）。 ADC_MAX ：ADC最大值（如12位ADC最大值为4095）。 SENSE_RESISTANCE ：采样电阻阻值（如0.1Ω）。
5.1.3 触发过流时的PWM暂停与恢复机制
一旦检测到过流，应立即暂停PWM输出并记录故障状态，待电流恢复到安全范围内后再重新启用PWM。
void trigger_overcurrent_protection() {
pwm_stop(); // 停止所有PWM输出
system_state = SYSTEM_OVERCURRENT;
while (read_current() > CURRENT_THRESHOLD) {
delay_ms(100); // 等待电流恢复
}
system_state = SYSTEM_NORMAL;
pwm_resume(); // 恢复PWM输出
}
pwm_stop() ：关闭PWM输出。 system_state ：用于记录系统状态。 delay_ms() ：延时函数，用于等待电流下降。
5.2 过热保护机制实现
过热是电机和驱动芯片常见的问题，特别是在长时间高负载运行时。为防止过热损坏，需引入温度传感器和过热保护逻辑。
5.2.1 温度传感器的接入与数据读取
常用的温度传感器包括DS18B20、LM35、NTC热敏电阻等。以下为使用LM35的温度采集示例：
float read_temperature() {
int adc_value = ADC_Read(TEMP_ADC_CHANNEL);
float voltage = (adc_value * VREF) / ADC_MAX;
float temperature = voltage * 100.0; // LM35每10mV对应1°C
return temperature;
}
TEMP_ADC_CHANNEL ：温度传感器连接的ADC通道。 VREF ：参考电压。 ADC_MAX ：ADC最大值。
5.2.2 温度阈值判断与PWM输出限制
设定一个安全温度阈值（如85°C），超过该值时限制PWM输出或完全关闭输出。
#define TEMP_THRESHOLD 85.0f
void check_temperature() {
float temp = read_temperature();
if (temp > TEMP_THRESHOLD) {
system_state = SYSTEM_OVERHEAT;
pwm_limit_output(50); // 限制PWM输出为50%
log_temperature_error(temp);
} else if (temp > TEMP_THRESHOLD - 10.0f) {
pwm_limit_output(80); // 接近阈值时限制为80%
} else {
pwm_limit_output(100); // 正常运行
}
}
pwm_limit_output(percent) ：限制PWM占空比输出。 log_temperature_error(temp) ：记录温度异常日志。
5.2.3 故障状态的反馈与处理逻辑
过热状态下应通过LED、蜂鸣器或通信接口反馈给用户，并在恢复后恢复正常运行。
void handle_overheat() {
if (system_state == SYSTEM_OVERHEAT) {
turn_on_led(LED_RED); // 红色LED亮起
beep_alert(); // 蜂鸣器报警
while (read_temperature() > TEMP_THRESHOLD) {
delay_ms(500); // 等待降温
}
turn_off_led(LED_RED); // 关闭LED
system_state = SYSTEM_NORMAL;
}
}
turn_on_led() ：控制LED亮起。 beep_alert() ：蜂鸣器报警函数。
5.3 安全机制的集成与测试
为确保系统稳定运行，需要将多种安全机制集成并进行优先级设计与综合测试。
5.3.1 多重保护条件的优先级设计
在系统中可能存在多个安全事件同时发生的情况，因此需要设定优先级来决定响应顺序。
安全事件 优先级 动作描述 过流保护 高 立即停止PWM输出 过热保护 中 限制PWM输出并反馈 编码器丢失 中 报警并进入低速模式 电压异常 低 记录日志并提示
说明：在程序中应使用状态机或中断优先级机制来实现上述优先级控制。
5.3.2 异常状态下的系统响应策略
系统应具备多种响应策略，包括：
立即停机 ：适用于严重故障（如过流、短路）。 降频运行 ：适用于温度过高或电压下降。 报警反馈 ：通过LED、显示屏或串口发送错误码。 自动恢复 ：在故障解除后尝试自动重启。
graph TD
A[系统运行] --> B{异常检测}
B -->|过流| C[立即停机]
B -->|过热| D[限制PWM]
B -->|正常| E[继续运行]
C --> F[等待恢复]
F --> G{恢复条件满足?}
G -->|是| H[重启PWM]
G -->|否| F
5.3.3 实际系统中保护机制的验证与优化
在实际部署前，应进行充分的测试与验证：
负载测试 ：模拟不同负载下的电流变化，验证过流保护的灵敏度。 温升测试 ：长时间运行高负载任务，观察温度变化和系统响应。 故障注入测试 ：人为制造异常情况，测试系统是否按预期响应。 波形观测 ：使用示波器观察PWM波形在故障发生时的变化。
测试建议 ： - 使用逻辑分析仪或示波器捕获PWM输出和电流波形。 - 在代码中加入调试日志输出，记录异常发生时间与系统状态。 - 在不同环境温度下测试系统稳定性。
（本章节内容至此，未包含总结性语句）
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简介：PWM（脉冲宽度调制）是电机控制中的核心技术，通过调节占空比实现电机速度和方向的精确控制。本文以“pwm.C”源代码为例，深入讲解PWM控制电机正反转的实现流程，涵盖初始化配置、PWM信号生成、方向切换、调速逻辑及安全保护机制。通过实践学习，可掌握嵌入式系统中电机控制的完整开发流程，提升硬件驱动与实时控制编程能力。
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