STM32F103 PWM控制与应用：电机驱动与调光技术


# 摘要
本文系统地阐述了STM32F103微控制器的PWM控制技术，涵盖了PWM的基础知识、技术原理、配置方法、电机控制应用、调光技术应用，以及高级技巧与未来展望。首先介绍了PWM信号的基本概念和工作原理，及其在STM32F103中的配置过程。随后，文章深入探讨了PWM在电机调速和LED调光领域的应用，包括电路设计和代码实现。最后，文章提出了一些高级PWM调制技术的应用案例，并展望了PWM技术的发展趋势，强调了技术进步对于提高PWM控制精度和效率的重要性。本文旨在为工程师提供全面的STM32F103 PWM控制技术指南，并促进其在各类应用场景中的深入应用。

# 关键字
STM32F103；PWM控制；电机调速；LED调光；调制技术；电路设计

参考资源链接：[STM32F103系列微控制器数据手册：ARM Cortex-M3与丰富特性详解](https://wenku.csdn.net/doc/647d4771d12cbe7ec33f9651?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103 PWM控制基础

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制模拟电路的技术，广泛应用于电机速度控制、LED亮度调节等领域。STM32F103作为一款性能出色的微控制器，其内置的定时器为用户提供了强大的PWM控制功能。掌握STM32F103的PWM控制不仅是实现精确控制的前提，也是进行复杂应用开发的基础。

## 1.1 PWM基本概念
PWM信号是一种周期性的脉冲序列，其占空比（即高电平时间与整个周期时间的比例）可以改变。在STM32F103中，定时器负责生成这些周期性的脉冲信号，开发者通过配置定时器的参数来调整PWM信号的频率和占空比，实现对输出信号的精确控制。

## 1.2 PWM的优势
相比于传统的模拟控制方法，PWM控制具有以下优势：
- **控制精确度高**：能够通过数字信号实现对模拟输出的精细控制。
- **适应性强**：PWM广泛应用于各种电子设备，易于实现设备间的兼容。
- **效率高**：与线性调节相比，PWM能够减少能量损失，提高整体系统效率。

在下一章中，我们将深入探讨STM32F103内部PWM模块的工作模式以及如何进行初始化设置，为实现复杂控制打下坚实的基础。

# 2. STM32F103 PWM技术原理与配置

## 2.1 PWM信号的生成机制

### 2.1.1 PWM的基本概念和工作原理

脉冲宽度调制（PWM）是一种通过改变脉冲信号的占空比（即在一个周期内，信号处于高电平的时间比例）来表示一个模拟信号的方法。在数字电路中，可以通过调节高电平和低电平的时间比例来模拟不同电压等级的模拟信号，实现对电机速度、灯光亮度等的控制。

PWM信号包含三个基本参数：频率、占空比和幅度。频率决定了信号的周期性，即单位时间内脉冲重复的次数；占空比决定了信号的占空情况，即高电平时间占整个周期的百分比；幅度则表示信号的电压幅度。

在STM32F103微控制器中，PWM信号的生成依赖于定时器（Timer）模块。通过配置定时器的预分频器（Prescaler）和计数器（Counter）的值，可以设定PWM信号的频率。同时，通过设置比较寄存器（Compare Register）中的值，可以确定PWM信号的占空比。

// 伪代码示例，具体实现依赖于STM32F103 HAL库或寄存器操作
void SetPWMFrequencyAndDutyCycle(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel, uint32_t frequency, float dutyCycle) {
    // 配置定时器频率
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(htim, (uint32_t)((SystemCoreClock / 2) / (frequency * 65535)) - 1); // 假设定时器的预分频器设置为达到所需频率
    // 计算并设置占空比
    uint32_t period = (SystemCoreClock / (frequency * (uint32_t)(halPrescaler + 1))) - 1;
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(htim, period); // 设置自动重装载寄存器周期值
    // 设置占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, (uint32_t)(period * dutyCycle)); // 设置占空比
}

在这个例子中，我们首先设置了定时器的预分频值和自动重装载周期值，从而定义了PWM的频率。然后，通过设置比较寄存器的值，我们定义了PWM信号的占空比。

### 2.1.2 STM32F103内部PWM模块的工作模式

STM32F103内部集成了多个定时器，每个定时器可以工作在多种模式下，其中就包括PWM模式。STM32F103支持两种主要的PWM模式：边沿对齐模式（Edge-Aligned）和中心对齐模式（Center-Aligned）。

在边沿对齐模式下，PWM信号在周期的开始处为低电平，之后根据比较寄存器的值切换至高电平，直到周期结束时再回到低电平。这种模式适用于大多数标准的PWM应用。

中心对齐模式则是在一个周期内，信号在中心位置改变电平两次，形成一个对称的波形。这种模式多用于需要精确控制的场合，例如正弦波逆变器等。

// 配置PWM模式的代码片段
htim.Init.Period = period; // 设置周期值
htim.Init.Pulse = pulse; // 设置脉冲值，即占空比
htim.Init.Mode = TIM_MODE_PWM1; // 设置PWM模式为PWM1模式
htim.Init.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 设置输出极性为高电平有效

在代码片段中，我们通过配置定时器初始化结构体成员来设置PWM工作模式、周期和占空比。

## 2.2 STM32F103的PWM初始化与设置

### 2.2.1 定时器的基本配置

为了在STM32F103上配置PWM信号，首先要正确地初始化定时器。定时器初始化包括时钟使能、模式配置、周期和频率设置等步骤。STM32F103的定时器可以被配置为向上计数或向下计数，并且可以根据需要选择不同的计数模式。

// 定时器基本配置的代码示例
void MX_TIM3_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  htim3.Instance = TIM3;
  htim3.Init.Prescaler = 6400 - 1; // 预分频器值
  htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim3.Init.Period = 10000 - 1; // 定时器周期
  htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim3) != HAL_OK)
  {
    // 初始化错误处理
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    // 配置时钟源错误处理
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim3) != HAL_OK)
  {
    // PWM初始化错误处理
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    // 主从模式配置错误处理
  }
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 5000; // 初始占空比50%
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
    // PWM通道配置错误处理
  }
}

这段代码展示了如何初始化STM32F103的TIM3定时器，将其设置为PWM模式，并配置了基本参数。通过这样的初始化过程，