STM32F103ZET6的PWM电机控制


参考资源链接：[STM32F103ZET6原理图](https://wenku.csdn.net/doc/646c29ead12cbe7ec3e3a640?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103ZET6与电机控制基础

电机控制是嵌入式系统设计中的重要组成部分，而STM32F103ZET6微控制器因其强大的处理能力和丰富的外设接口而成为电机控制应用的优选平台。本章节将为读者介绍STM32F103ZET6的基本功能及其在电机控制方面的应用基础。

## 1.1 STM32F103ZET6的特性

STM32F103ZET6是ST公司生产的高性能32位微控制器，它属于STM32F1系列，具有丰富的外设资源和灵活的时钟系统，可支持多种通信协议，非常适合用于电机控制。其主要特性包括：
- ARM Cortex-M3处理器核心，运行频率可达72MHz。
- 丰富的I/O端口和多种定时器，支持复杂数字信号处理。
- 串行通信接口（USART、SPI、I2C）等，方便与其他模块连接。

## 1.2 电机控制的要素

在开始电机控制项目之前，需要了解几个基本概念：
- **控制信号**：微控制器生成的PWM信号等用于控制电机状态的信号。
- **反馈信号**：如电流、电压、位置传感器反馈，用于监控电机运行状态。
- **驱动器**：放大控制信号并提供电机驱动所需的高电流。

## 1.3 电机控制中的STM32F103ZET6

STM32F103ZET6在电机控制中的应用不仅限于生成PWM信号，还可以通过各种外设接口接收反馈信号，并对信号进行实时处理，实现精确控制。设计电机控制系统时，将主要关注以下几个方面：
- **定时器配置**：用于生成和控制PWM信号的定时器。
- **中断与事件**：响应外部事件和中断，实现快速反应。
- **模拟输入**：采集模拟反馈信号，如电流传感器输出。

本章节为读者提供了STM32F103ZET6在电机控制应用中的概览，并将在后续章节深入探讨PWM技术以及其在电机控制中的具体应用。

# 2. PWM技术及其在STM32中的实现

## 2.1 PWM基本概念

### 2.1.1 脉冲宽度调制的定义和原理

脉冲宽度调制（PWM）是一种利用数字信号对模拟信号进行控制的技术。它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效模拟电压的大小。PWM信号具有固定的频率和幅度，通过改变脉冲的占空比（即脉冲的高电平宽度占整个周期的比例）来控制模拟输出的平均电压。

PWM在电机控制中的应用十分广泛，因为它能够以非常高的效率来调节电机的速度和扭矩。在直流电机控制中，PWM信号可以用来控制流经电机的电流，进而控制电机的转速。而在交流电机控制中，PWM常用于变频器的开关控制，以产生可变频率的交流电，控制电机转速。

PWM信号的生成可以通过多种方式实现，例如通过软件在微控制器（如STM32）上编程生成，或者使用专门的PWM控制器。现代微控制器，如STM32系列，通常集成了多个定时器，这些定时器可以配置为PWM输出。

### 2.1.2 PWM的频率和占空比对电机控制的影响

PWM信号的两个重要参数是频率和占空比。频率决定了PWM信号每秒钟变化的次数，而占空比则是指在一个PWM周期中，输出为高电平的时间比例。这两个参数对电机控制有重要的影响：

- **频率：** 在电机控制中，PWM信号的频率不能过低，否则会导致电机的转矩波动，引起噪音和振动。过高的频率可能会导致过多的开关损耗，降低效率，并可能产生过多的电磁干扰。因此需要选择一个适当的频率，以确保电机平滑运行和设备效率。

- **占空比：** 占空比的变化直接影响到电机两端的有效电压，从而改变电机的速度和扭矩。在直流电机中，占空比越大，电机两端的平均电压越高，电机转速就越快。而在交流电机中，占空比的变化会改变供电的电压波形，从而改变电机的磁通量和转矩。

频率和占空比的适当选择对于确保电机的最优运行至关重要。在实际应用中，这两个参数需要根据电机的具体要求进行调整和优化。

## 2.2 STM32F103ZET6的PWM功能配置

### 2.2.1 定时器和PWM通道的初始化

STM32F103ZET6微控制器中的高级定时器（如TIM1）和通用定时器（如TIM3）均支持PWM功能。定时器的初始化过程包括设置定时器的工作模式、预分频器、自动重载寄存器的值等，以配置PWM的频率和占空比。

在初始化之前，我们需要了解PWM的硬件抽象层（HAL）函数，这些函数封装了对寄存器的操作，使开发者可以更简便地配置PWM。例如，使用STM32CubeMX工具可以自动生成初始化代码，简化配置过程。

以下是初始化一个PWM通道的示例代码：

// 代码示例: 初始化TIM1为PWM模式
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

在上述代码中，`htim1`是TIM1定时器的句柄，`TIM_CHANNEL_1`是我们想要初始化的通道。这个函数会完成所有必需的寄存器设置，使得TIM1的通道1开始输出PWM信号。

### 2.2.2 PWM输出模式与分辨率设置

PWM输出模式决定了信号的输出方式，常见的输出模式有边缘对齐和中心对齐。边缘对齐模式下，PWM信号在定时器的每个周期的开始处翻转状态，而中心对齐模式下，PWM信号在周期的中间翻转。

分辨率设置是指定时器计数器的位宽。例如，如果使用8位计数器，那么PWM的分辨率为256（2^8），这意味着占空比可以在0到100%之间以1/256的步长进行调节。分辨率越高，占空比的调节就越精细，但同时也会增加定时器的计算负担。

以下是如何设置PWM分辨率为10位的示例代码：

htim1.Init.Period = 1023; // 10位分辨率对应的最大值
htim1.Init.Prescaler = 0; // 预分频器值，需要根据实际情况调整
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1); // 初始化

在上述代码中，`Period`字段被设置为1023，对应10位分辨率。预分频器值`Prescaler`也需要根据具体时钟设置和期望的PWM频率进行调整。

## 2.3 PWM波形分析与调试

### 2.3.1 使用示波器观察PWM波形

PWM波形的观察通常借助示波器来完成。示波器能够捕捉定时器输出的PWM信号，显示其波形，并可以测量波形的频率、占空比、脉冲宽度等关键参数。

调试PWM时，首先需要检查PWM信号是否正常输出，并观察其频率和占空比是否符合预期。任何偏离都可能意味着配置错误或者硬件问题。

### 2.3.2 调整PWM参数以优化电机表现

电机在不同的工作条件下，可能需要不同的PWM参数来获得最佳表现。例如，对于一个直流电机，可能需要调整PWM的占空比以获得平稳的运行速度。

调试时可以逐步增加占空比，观察电机的响应和表现，直到达到一个最佳平衡点。同时，也可以适当调整PWM频率，以消除噪音和振动。如果频率过低，可以通过增加定时器的预分频器值来提高频率。

下面是一个简单的示例，说明如何在代码中调整PWM占空比来控制电机速度：

// 调整TIM1通道1的占空比
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 512); // 假设周期是1023

在这段代码中，`TIM_CHANNEL_1`代表PWM通道，`512`是占空比值。如果定时器的周期值`htim1.Init.Period`设置为1023，那么占空比大约为50%。

在调整PWM参数时，需要确保不要超过硬件的限制，例如占空比最大值不超过100%，频率要避免超过电机控制器的额定频率等。

以上内容介绍了PWM技术及其在STM32微控制器中的实现方法。了解这些基础知识对于进一步应用STM32进行电机控制是十分必要的。接下来，我们将进入更高级的应用，例如PWM控制算法和电机控制实践。

# 3. STM32F103ZET6的PWM电机控制实践

## 3.1 直流电机PWM速度控制

### 3.1.1 电路连接与硬件准备
要实现直流电机的PWM速度控制，硬件连接和准备是基础。对于STM32F103ZET6而言，首先需要确保已正确连接电机驱动器和电机。典型的直流电机控制电路包括电机驱动IC（如L298N），它通过PWM信号来调节电机的速度。

flowchart LR
    STM32F103ZET6[STM32F103ZET6] -->|PWM| L298N[L298N Motor Driver]
    L298N -->|IN1| MotorA[Motor A]
    L298N -->|IN2| MotorB[Motor B]

PWM信号由STM32F103ZET6的定时器输出，连接到电机驱动器的使能输入引脚。这里假设使用通道PWM1进行控制。同时，确保电机驱动器的地和STM32F103ZET6的地连接在一起，以保证共同的地线。

### 3.1.2 编写PWM控制程序并测试
控制程序的编写和测试是实现直流电机PWM速度控制的关键。首先需要初始化定时器和PWM通道。

// 初始化代码示例
void TIM2_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    // 使能定时器2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 定时器TIM2初始化
    TIM_TimeBaseStructu