pwm

PWM简介

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种常用的数字信号调制技术，通过改变脉冲波形的占空比（即高电平时间相对于整个周期的比例）来模拟或控制模拟量输出，如电压、电流、亮度、速度等。在STM32微控制器中，PWM功能通常由定时器模块提供，可以用于电机控制、LED调光、电源管理、音频调制等多种应用场景。以下是关于STM32 PWM的基本概念、工作原理、功能特性、应用示例以及编程配置的详细介绍。

基本概念与工作原理

占空比：PWM信号的占空比定义为其高电平时间与整个周期时间之比。例如，占空比为50%意味着在一个周期内，高电平持续时间为总周期的一半，低电平持续时间也为一半。

频率：PWM信号的频率是指单位时间内脉冲重复的次数，决定了PWM信号的周期长度。对于电机控制等应用，频率的选择应考虑系统的机械共振特性及电磁兼容性等因素。

方波输出：典型的PWM信号是一个矩形波，其波形由一系列等幅的高电平和低电平组成，通过改变高电平的持续时间（占空比）来表示不同的模拟值。

数字到模拟转换：尽管PWM信号本质上是数字的（只有高低两种电平），但当其输出到一个电容或电感负载（如电机绕组、LED灯珠等）时，由于负载的滤波效应，平均电压或电流近似等于占空比乘以电源电压，从而实现了数字信号到模拟信号的转换。

STM32 PWM功能特性

STM32微控制器的PWM功能通常由定时器模块提供，具有以下主要特点：

多种定时器类型：STM32包含通用定时器、高级定时器、基本定时器等，不同类型的定时器支持的PWM通道数量、特性略有差异。
多路输出：每个定时器可生成多个独立的PWM信号，每个通道对应一路PWM输出。
灵活的占空比设置：通过设置定时器的比较寄存器（Capture/Compare Register，CCR）的值，可以精确控制PWM信号的占空比。
可编程频率：通过设置定时器的预分频器（Prescaler）和自动重载值（Auto Reload Register，ARR），可以设定PWM信号的频率。
互补输出：某些定时器通道支持互补输出（例如CH1与CH1N），便于驱动H桥电路等。
死区时间：对于电机控制等应用，可以设置PWM通道间的死区时间，避免上下桥臂直通导致的短路风险。
刹车功能：部分高级定时器支持PWM刹车模式，用于快速停止电机等负载。

应用示例

电机控制：通过改变PWM信号的占空比，控制直流电机、步进电机或无刷电机的速度和方向。
LED调光：调节LED灯的亮度，通过改变PWM信号占空比实现亮度的无级调节。
电源管理：用于开关电源、电池充电系统中的电压或电流控制。
音频调制：在某些低成本音响设备中，PWM可用于简单地生成音频信号。
加热、风扇控制：调整加热元件功率或风扇转速，实现恒温控制或风速调节。

编程与配置

在STM32中配置和使用PWM功能，一般涉及以下步骤：

时钟使能：通过RCC寄存器或库函数开启相关定时器的时钟源。
GPIO配置：将定时器对应的PWM输出引脚配置为复用推挽输出模式，并连接到相应的定时器通道。
定时器初始化：设置定时器的工作模式为PWM模式，配置预分频器、自动重载值（ARR）以确定PWM频率，选择适当的时钟源。
PWM通道配置：设置比较寄存器（CCR）的初始值以设定初始占空比，配置通道 polarity（极性，高电平有效还是低电平有效）、输出模式（如互补输出、刹车功能等）、死区时间（如有必要）。
启动PWM：使能定时器和选定的PWM通道，开始产生PWM信号。
占空比动态调整：在运行过程中，可以通过修改比较寄存器（CCR）的值来动态改变PWM信号的占空比。

注意事项

电气隔离：在某些应用中，如电机控制，可能需要考虑电气隔离以保护MCU免受高电压或电流影响。
散热管理：高占空比或大电流PWM输出可能导致发热，需注意散热设计。
频率选择：PWM频率应考虑负载特性和EMI（电磁干扰）限制，过低可能导致可见闪烁，过高可能增加功耗和电磁干扰。