零基礎制作平衡小車【連載】3---STM32生成PWM控制電機旋轉

ID:223481 · 發表于 2020-11-27 14:12

制作平衡小車肯定會用到電機，那么怎么控制呢？最簡單的就是直接加電壓，這樣電機就能轉動，但是至于轉多少圈，轉的快慢是不能控制的。這就不符合我們平衡小車的控制要求。這就需要用到PWM模式來控制電壓的大小，從而控制轉的快慢。至于轉了多少圈，就要用到編碼器了。今天先來看看怎么控制小車轉的快慢吧，一步一步來。

直流有刷電機的原理

簡單說下有刷電機的工作原理，其實很簡單，稍微懂點物理的就能看懂吧。

上面這張圖應該都見過吧（因為你現在就在看著它呢，手動滑稽）。小時候四驅賽車的那種黃色小馬達也都見過吧，是不是只要將電壓加載電刷的兩極上，電機就會轉了。那個電機的內部結構就是上圖這樣。這一種里面帶有電刷的電機叫有刷電機，又因為是用的直流電，所以叫直流有刷電機。
我們只需要將電壓加到AB端，電機就能轉，電機轉動的速度和電壓有關，電壓越大，轉速越高。具體電機旋轉不懂的百度吧。我就不搬運了，重點是都后面的PWM。

有一點需要注意的是，直流有刷電機的驅動頻率的問題，過高或者過低都不好，網上找了資料說是根據電機的不同頻率有所不同，一般10k-20k。我暫且信了吧。

PWM是什么？

既然知道了電壓和轉速成正比，那我們是不是只需要控制電壓就能控制轉速了。這就需要用到PWM技術了。PWM又名脈沖寬度調制，從名字上來看是調節脈沖寬度的。到底是怎么調節的呢？我是這樣理解的。
本來我們直接給電壓，電機就會轉，現在我們通過控制電壓，讓他一會有輸出，一會不輸出。假設占空比為50%，也就是說，在一定時間內，電壓有一半的時間是閉合的，一半的時間是打開的，這樣求出來的平均電壓值應該是原電壓值的一半。（不相信的同學可以一會試試，我后面把代碼傳上來）這樣我們就能控制電壓了。但是只控制電壓還不行呀，單片機引腳不能直接接到電機上呀，這就需要電機驅動器了。

TB6612直流有刷電機驅動

從淘寶截了一張圖，上面有引腳和使用說明，接線也很簡單。原理的話我沒細看，大致應該是通過PWM來控制VM的電壓值，之后會有一個像H橋一樣的電路來控制正反轉，當然了都是集成到芯片內部了。

STM32F103ZET6生成PWM代碼/*使用通用定時器2 通道1 PA0引腳輸出PWM------------ PWM信號周期和占空比的計算 --------------- ARR ：自動重裝載寄存器的值 CLK_cnt：計數器的時鐘，等于 Fck_int / (psc+1) = 72M/(psc+1) PWM 信號的周期 T = ARR * (1/CLK_cnt) = ARR*(PSC+1) / 72M 占空比P=CCR/(ARR+1) 時鐘分頻71，系統總線時鐘72M，可以算出定時器時鐘為72/（71+1）=1M在這里我們需要設定PWM頻率為10Khz=0.1ms，因此自動重裝載的值ARR=100.因為定時器時鐘為1M=0.001ms，因此只需要累加100次，就等于0.1ms=10Khz了。占空比我們設定50%因此我們配置如下TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_Prescaler = 71; //定時器時鐘分頻TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_Period = (100 - 1); //自動重裝載的值 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_Pulse = 50; //設置占空比大小*/void PWM_Init(void){ //定義結構體變量 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitTypeStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitTypeStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitTypeStructure; //使能引腳時鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //使能引腳時鐘 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE); //引腳配置 GPIO_InitTypeStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //復用推挽輸出模式 GPIO_InitTypeStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //PA0 GPIO_InitTypeStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //速度為50M GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitTypeStructure); //寫入到寄存器中 //定時器基本配置 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitTypeStructure); //恢復默認值 //自動重裝載寄存器的值，當TIM_Period+1個頻率后產生一個更新或者中斷 TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_Period = (100 - 1); //自動重裝載的值 //驅動CNT計數器的時鐘 = Fck_int/(psc+1) TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_Prescaler = 71; //定時器時鐘分頻 //時鐘分頻因子，配置死區時間時需要用到 TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //時鐘分割 //向上計數模式 TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //計數器模式 //重復計數器的值，沒用到不用管 TIM_TimeBaseInitTypeStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重復計數器的值. //寫入到寄存器 TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitTypeStructure); //PWM模式配置 TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitTypeStructure); //恢復默認值 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //選擇PWM1模式 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set; //空閑時間的引腳電平 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //指定輸出極性 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //輸出比較使能 TIM_OCInitTypeStructure.TIM_Pulse = 80; //設置占空比大小 //初始化通道1 TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitTypeStructure); //啟用CCR1上的TIMx外設預加載寄存器。 TIM_OC1PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable); //使能定時器 TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);}

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示波器測量

1.當占空比為50%時

測量電壓值

2.占空比為80%時

測量值

總結

1.PWM配置過程
①配置GPIO引腳，用的哪個引腳就配置哪個引腳，注意別忘了開啟時鐘使能
②配置完引腳，配置定時器基本參數
注意：
在配置TIM_Period的值的時候一定不要忘記最終計算的值是TIM_Period+1；
TIM_Prescaler在最終計算的值也是TIM_Prescaler+1。

TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitTypeStructure); //恢復默認值
上面這個函數可要可不要，規范化代碼最好是寫上去。
③配置PWM輸出通道
④啟用CCR1上的TIMx外設預加載寄存器
⑤使能定時器

特別特別注意

下面這個函數

//啟用CCR1上的TIMx外設預加載寄存器。
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable);

進入到函數主題

void TIM_OC1PreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload){ uint16_t tmpccmr1 = 0; /* Check the parameters */ assert_param(IS_TIM_LIST8_PERIPH(TIMx)); assert_param(IS_TIM_OCPRELOAD_STATE(TIM_OCPreload)); tmpccmr1 = TIMx->CCMR1; /* Reset the OC1PE Bit */ tmpccmr1 &= (uint16_t)~((uint16_t)TIM_CCMR1_OC1PE); /* Enable or Disable the Output Compare Preload feature */ tmpccmr1 |= TIM_OCPreload; /* Write to TIMx CCMR1 register */ TIMx->CCMR1 = tmpccmr1;}