PWM 与电机控制原理

✅ 舵机实证已补：SG90 上板跑通，见 同一只舵机的两代驱动：延时法 vs 定时器 PWM（2026-09-17 实测：三点标定、容限上限 2500µs 静默拒收、单帧断粮、TIM2 重映射送回 PA15）。本页仍为原理梳理，套件 demo38_SERVO 的自测小节待补。姊妹篇：定时器与中断：从 1 秒心跳到五阶段状态机——本文所有 PWM 都建立在定时器之上。

#一、元信息

#二、PWM 硬件逻辑：CNT / ARR / CCR

PWM 输出只涉及三个角色：

• CNT：自增计数器，从 0 数到 ARR 后回 0，循环往复；
• ARR：自动重装载值，决定周期（数多少个数算一圈）；
• CCR：比较值，决定翻转点——CNT < CCR 输出高电平，CNT ≥ CCR 输出低电平。

txtCNT（计数器）  0 ──── 1 ──── … ──── CCR ──── … ──── ARR ──┐
               ▲                                        │
               └──────────── 计满回 0，重新数 ↺─────────┘

OUT（输出引脚）┌─────── 高电平 ──────┬─────── 低电平 ─────┐
               │      CNT < CCR      │      CNT ≥ CCR     │
               └─────────────────────┴────────────────────┘
               ◄─────── 一个 PWM 周期 = ARR + 1 个计数 ──────►

频率   f = 72MHz ÷ ((PSC + 1) × (ARR + 1))
占空比 D = CCR ÷ (ARR + 1)

最关键的一点：CPU 只写 CCR 一个寄存器，波形由硬件自动生成。主循环再忙、中断再多，波形一个沿都不会抖——"数时间、翻电平"这种专业活交给硬件，这正是定时器的价值。

#三、直流电机：占空比就是油门

• 占空比 = 平均电压 ≈ 转速：PWM 高电平时电机通电、低电平断电，绕组电感把电流"抹平"，等效平均电压 = 电源电压 × 占空比。CCR 调大 → 占空比变大 → 转速升高。
• 单片机引脚带不动电机：GPIO 只能输出几~几十 mA，电机动辄几百 mA 到几 A，必须经驱动芯片（L298N / MOS 管放大电路）中转。
• H 桥换向：IN1 / IN2 两个方向脚决定电流流向——IN1=1、IN2=0 正转，IN1=0、IN2=1 反转；PWM 接在使能脚（EN）上做调速。
• 调速只需一行：

cTIM_SetCompare1(TIM2, 新CCR);   /* CCR 变大 → 占空比变大 → 电机加速 */

#四、舵机：50Hz 与 0.5~2.5ms 脉宽（待实证）

舵机看的是周期 20ms（50Hz）的 PWM 里高电平脉宽：

72MHz 下常用配置（理论示例）：PSC = 71（计数频率 1MHz，1 个计数 = 1µs），ARR = 19999（20ms 周期）；则 CCR = 500 / 1500 / 2500 对应 0° / 90° / 180°——改 CCR 就是"掰"角度。

⚠️ 套件 demo38_SERVO 待实证：实测角度与脉宽的对应关系、驱动代码与波形截图，待硬件到货后在本节追加。

#五、步进电机：脉冲频率就是转速

• 步进电机不看占空比、看脉冲：脉冲频率 = 转速（拍数固定时），脉冲个数 = 转过的角度；
• 定时器中断发节拍：每进一次中断翻一拍相序表（四相八拍等），节拍越密转得越快——和本站定时器与中断里的状态机是同一套写法；
• 加减速 = 改 ARR：启动时 ARR 大（节拍慢），逐渐减小 ARR 提速，停车前再反向放大——软件上就是每隔 N 步调整一次 ARR / 预分频。

#六、三相电机：互补 PWM 与死区

• 无人机 / 电调的三相电机需要三路相位错开的 PWM：高级定时器 TIM1 / TIM8 一次输出三对互补通道（CH1/CH1N、CH2/CH2N、CH3/CH3N），配合换相逻辑驱动三个桥臂；
• 硬件死区（DTG）：同一桥臂的上下管绝不能同时导通（直通 = 电源对地短路）。高级定时器能在互补对之间自动插入死区时间，一个寄存器配置搞定，比软件延时插空可靠得多。

#七、闭环：编码器 + PID，进出都是定时器

• 开环的弱点：负载一重，直流电机转速往下掉、步进电机失步——PWM 给得再准也架不住"看不见实际效果"；
• 闭环链路：编码器 → 定时器输入捕获 / 编码器模式测出实际转速 → PID 运算 → 修正 CCR；
• 测速的"进"、调速的"出"，两端都是定时器——进出都是定时器。

#八、结论：电机控制 ≈ 定时器应用

电机的转速（直流）、角度（舵机 / 步进）、力矩（电流环）本质都是"电平时间"的函数；而定时器正是芯片里管电平时间的专业户——PWM 输出、输入捕获、编码器接口、互补死区，全是它的技能。所以：电机控制 ≈ 定时器应用。定时器的中断玩法见姊妹篇定时器与中断，学好定时器，电机控制就只剩应用层的组合题。

#九、参考库/链接

• STM32F103 参考手册（RM0008）：TIM 定时器章节（PWM 模式、互补输出与死区 DTG、编码器接口模式）
• 洋桃1号官方例程：demo38_SERVO（舵机，待实证）
• L298N 数据手册（H 桥驱动 / 使能脚 PWM 调速）

#十、相关阅读

• 定时器与中断：1 秒心跳与五阶段状态机
• 硬件 CRC 单元：一次实验看懂循环冗余校验

#11、更新日志