硬件工程师手册

主题

进阶#定时器#PWM#占空比#死区#正交编码#电机

定时器与 PWM 原理 Timer & PWM ​

1. 设计动机 ​

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需要"可调能量"的地方——调 LED 亮度、控电机转速、给开关电源做控制——几乎都用 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）：一串固定频率的方波，用改变高电平占空比的方式等效出平均电压，比 DAC 省成本、效率高。

定时器是产生 PWM 的硬件引擎。硬件工程师要懂的是：PWM 频率由哪些寄存器决定、占空比怎么算、驱动电机时为什么要加续流二极管和死区。这些都不是软件细节，而是直接关系到管子会不会烧、电机会不会抖。

2. 原理图 ​

定时器内核是一个向上计数器 CNT，每个经预分频 PSC 后的时钟加 1，数到 ARR（自动重装载值）溢出归零。CNT 与 CCR（比较寄存器）比较：CNT<CCR 输出高、CNT≥CCR 输出低，就得到固定周期、占空比可调的 PWM。

定时器计数与 PWM 生成：时钟经预分频驱动向上计数器，与 ARR/CCR 比较后输出 PWM
定时器计数与 PWM 生成：时钟经预分频驱动向上计数器，与 ARR/CCR 比较后输出 PWM

3. 静态分析（DC） ​

PWM 的直流等效就是平均电压：

Vavg=D⋅VOH,D=CCRARR+1V_{avg}=D\cdot V_{OH},\quad D=\frac{CCR}{ARR+1}

  • 占空比 D=CCR/(ARR+1)。ARR=999、CCR=300 时 D=30%。
  • 直流看：PWM 经电感/电容平滑后，输出约 D×电源电压；这就是开关电源和电机调速的原理。

4. 动态分析（AC / 瞬态） ​

PWM 频率由时钟、预分频、周期共同决定：

fPWM=fCK(PSC+1)(ARR+1)f_{PWM}=\frac{f_{CK}}{(PSC+1)(ARR+1)}

  • 例：fCK=72MHzf_{CK}=72\text{MHz}、PSC=0、ARR=999 → fPWM=72kHzf_{PWM}=72\text{kHz}。
  • 频率选择：太高开关损耗大、EMI 重；太低电机有可闻噪音、LED 有频闪。电机常用 16~25kHz，LED 调光 >20kHz 避免频闪。

5. 环路分析 ​

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PWM 的等效电压分辨率 = log2(ARR+1)。ARR=999 约 10bit；但 fPWM=fCK/ARRf_{PWM}=f_{CK}/ARR，要更高分辨率就得拉大 ARR、降低频率。高频与高分辨率不可兼得——这是 PWM 设计的核心折中。电机控制常取 16kHz + 10~12bit 分辨率。

6. 元件取值与工程权衡 ​

  • PWM 频率：电机 16~25kHz（避开可闻噪音）；LED >20kHz；开关电源按磁性元件设计。
  • 栅极电阻：PWM 经 10~100Ω 串到 MOSFET 栅极，抑制振铃。
  • 续流二极管：感性负载（电机/继电器）必须并续流二极管，否则关断瞬间反电动势打穿 MOSFET。
  • 死区：半桥上下管互补时必须插死区，防直通。

7. 完整设计示例 ​

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  1. 需求：MCU 时钟 72MHz，PWM 25kHz、占空比 0~100%。
  2. 算 ARR：ARR=72MHz/25kHz−1=2879ARR=72\text{MHz}/25\text{kHz}-1=2879，PSC=0。
  3. 分辨率：约 11.5bit。
  4. 调光：CCR=1440 得 50% 占空。
  5. 驱动：LED 串限流电阻（见 GPIO）。
  6. 验算：f=72M/2880=25kHzf=72\text{M}/2880=25\text{kHz}，>20kHz 无频闪。

8. 仿真与实验 ​

  • 示波器量 PWM 脚，核对频率与占空比是否等于 fCK/((PSC+1)(ARR+1))f_{CK}/((PSC+1)(ARR+1))。
  • 改 CCR，观察平均亮度/转速随占空比变化。
  • 电机不带续流二极管关断，观察漏极尖峰电压。

扩展与变种电路 ​

扩展1：PWM 经 MOSFET 低边驱动电机 Low-Side Drive ​

定位：PWM 直接驱动不了电机电流，要靠 MOSFET 做功率开关。

PWM 经栅极电阻驱动 N-MOSFET 低边开关，电机接 VM，反并联续流二极管
PWM 经栅极电阻驱动 N-MOSFET 低边开关，电机接 VM，反并联续流二极管
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  • PWM 高 → MOSFET 通 → 电机两端加 VM，电流上升。
  • PWM 低 → MOSFET 关 → 电感电流不能突变，经续流二极管续流。
  • 平均电压 = D×VM，占空比调速。栅极电阻 10~100Ω 抑制栅极振铃。

取值对比：

栅极电阻开关速度EMI/振铃
10Ω快振铃大
47Ω中折中
100Ω慢损耗大
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  • 现象：MOSFET 反复击穿。
  • 原因：关断瞬间电机电感反电动势产生高压尖峰，超过 MOSFET 耐压。
  • 解决：电机两端反并联快恢复续流二极管（或用带体二极管/内置的 MOSFET 模块）。

扩展2：互补 PWM 与死区 Complementary PWM ​

定位：半桥/全桥驱动，上下管交替导通。

半桥上下 MOSFET 互补 PWM，插入死区防止上下管同时导通直通
半桥上下 MOSFET 互补 PWM，插入死区防止上下管同时导通直通
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  • 上管 PWMH、下管 PWML 反相。若两管同时导通，VM 经两管直通到地，瞬间大电流烧管。
  • 死区（Dead Time）：先关一个、延时几十~几百 ns 再开另一个，保证任一时刻只有一管导通。
  • 现代高级定时器自带死区生成硬件，无需软件插入。

取值对比：

死区风险说明
0直通烧管不可接受
100~500ns折中按开关速度取
过大波形畸变低速时失真明显
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  • 现象：管子发烫、电源电流大。
  • 原因：MOSFET 关断拖尾，死区内未真正关断就开另一只。
  • 解决：加大死区或选开关更快的管子；用带死区的互补输出定时器。

扩展3：正交编码器接口 Quadrature Encoder ​

定位：测位置/转速，免 CPU 扫描。

正交编码器 A/B 两相接到定时器编码器模式，硬件自动加减计数
正交编码器 A/B 两相接到定时器编码器模式，硬件自动加减计数
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  • 编码器输出 A、B 两相，相位差 90°。正转时 A 超前 B，反转时相反。
  • 定时器编码器模式在 A 沿根据 B 电平决定加/减计数，硬件自动完成，CPU 只定期读 CNT。
  • 无需软件消抖，倍频（×2/×4）提高分辨率。

取值对比：

方案CPU 占用精度
外部中断逐沿高一般
定时器编码器模式极低高（可倍频）
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  • 现象：计数乱跳。
  • 原因：长线噪声、接触抖动被当成沿。
  • 解决：A/B 加合适上拉、短线缆，必要时 RC 滤波。

9. 常见坑与故障现象 ​

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  • 频率算错：忘了 PSC 或 ARR+1，PWM 频率差几倍。按 f=fCK/((PSC+1)(ARR+1))f=f_{CK}/((PSC+1)(ARR+1)) 核对。
  • 感性负载无续流：击穿开关管。加续流二极管。
  • 半桥直通：无死区或死区太小烧管。用互补输出+死区。
  • 频率太低可闻噪音/频闪：电机嗡嗡响、LED 闪。提到 16~25kHz 以上。

10. 自测题 ​

时钟 72MHz、PSC=0、ARR=999，PWM 频率和 30% 占空比的 CCR 是多少？

f=72M/(1×1000)=72kHzf=72\text{M}/(1\times1000)=72\text{kHz}；30% 占空 → CCR=0.3×1000=300。

为什么驱动电机这种感性负载要并联续流二极管？

关断时电感电流不能突变，会产生高压尖峰试图维持电流；续流二极管给电流提供回路，把尖峰钳位，保护开关管。

半桥上下管为什么要加死区？

防止上下管同时导通造成 VM 到地的低阻直通大电流。死区保证先关后开，任一时刻只有一管导通。

11. 参考资料 ​

  • STM32 定时器/高级定时器应用笔记
  • TI 电机驱动与 PWM 设计指南
  • 功率电子半桥死区设计资料