直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)（Brushed DC motor）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、成本低等特點(diǎn)， 在一些功能簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，或者說(shuō)在能夠滿足必要的性能、低成本和足夠的可靠性的前提下， 直流有刷電機(jī)往往是一個(gè)很好的選擇。 例如便宜的電子玩具、各種風(fēng)扇和汽車的電動(dòng)座椅等。 基本的直流有刷電機(jī)在電源和電機(jī)之間只需要兩根電纜，這樣就可以節(jié)省配線和連接器所需的空間， 并降低電纜和連接器的成本。 此外，還可以使用MOSFET/IGBT開關(guān)對(duì)直流有刷電機(jī)進(jìn)行控制， 給電機(jī)提供足夠好的性能的同時(shí)，整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)也會(huì)比較便宜。

直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速快、扭矩小，在某些應(yīng)用中可能無(wú)法滿足要求。 這種情況就需要做一些改進(jìn)來(lái)降低轉(zhuǎn)速，并提高力矩。 直流減速電機(jī)就是這樣一種電機(jī)。

這種電機(jī)通常也叫齒輪減速電機(jī)，它是在普通直流有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套齒輪減速箱， 用來(lái)提供更大的力矩和更低的轉(zhuǎn)速。 齒輪減速箱可以通過(guò)配置不同的減速比，提供各種不同的轉(zhuǎn)速和力矩。 在實(shí)際使用中減速電機(jī)使用的最為廣泛，所以本章節(jié)將主要介紹直流有刷減速電機(jī)。

本章節(jié)將介紹直流有刷電機(jī)的工作原理、電機(jī)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電路，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單控制。

直流有刷電機(jī)工作原理

在分析原理前我們先復(fù)習(xí)一下左手定則。

左手定則是判斷通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，所受安培力 F (或運(yùn)動(dòng))的方向、 磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向以及通電導(dǎo)體棒的電流 I 三者方向之間的關(guān)系的定律。 通過(guò)左手定則可以知道通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向，如下圖所示。

判斷方法是：伸開左手，使拇指與其他四指垂直且在一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線從手心流入， 四指指向電流方向，大拇指指向的就是安培力方向（即導(dǎo)體受力方向）。

有刷直流電機(jī)在其電樞上繞有大量的線圈，所產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 磁極方向的跳轉(zhuǎn)是通過(guò)移動(dòng)固定位置的接觸點(diǎn)來(lái)完成的，該接觸點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上與電觸點(diǎn)相對(duì)連接。 這種固定觸點(diǎn)通常由石墨制成，與銅或其他金屬相比，在大電流短路或斷路/起動(dòng)過(guò)程中石墨不會(huì)熔斷或者與旋轉(zhuǎn)觸點(diǎn)焊接到一起， 并且這個(gè)觸點(diǎn)通常是彈簧承載的，所以能夠獲得持續(xù)的接觸壓力，保證向線圈供應(yīng)電力。 在這里我們將通過(guò)其中一組線圈和一對(duì)磁極來(lái)分析其工作原理，如下圖所示。

圖中C和D兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器，兩個(gè)彈性銅片靠在換向器兩側(cè)的A和B是電刷，電源通過(guò)電刷向?qū)Ь€框供電， 線框中就有電流通過(guò)，在線框兩側(cè)放一對(duì)磁極N和S，形成磁場(chǎng)，磁力線由N到S。 線框通有電流時(shí)， 兩側(cè)導(dǎo)線就會(huì)受到磁場(chǎng)的作用力，方向依左手定則判斷，紅色和藍(lán)色線框部分分別會(huì)受到力F1和F2 ， 這兩個(gè)力的方向相反，這使得線框會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)線框轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，換向器改變了線框電流的方向，產(chǎn)生的安培力方向不變， 于是導(dǎo)線框會(huì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

4.2. 直流有刷減速電機(jī)幾個(gè)重要參數(shù)

• 空載轉(zhuǎn)速：正常工作電壓下電機(jī)不帶任何負(fù)載的轉(zhuǎn)速（單位為r/min（轉(zhuǎn)/分））。 空載轉(zhuǎn)速由于沒(méi)有反向力矩，所以輸出功率和堵轉(zhuǎn)情況不一樣，該參數(shù)只是提供一個(gè)電機(jī)在規(guī)定電壓下最大轉(zhuǎn)速的參考。
• 空載電流：正常工作電壓下電機(jī)不帶任何負(fù)載的工作電流（單位mA（毫安））。 越好的電機(jī)，在空載時(shí)，該值越小。
• 負(fù)載轉(zhuǎn)速：正常工作電壓下電機(jī)帶負(fù)載的轉(zhuǎn)速。
• 負(fù)載力矩：正常工作電壓下電機(jī)帶負(fù)載的力矩 （N·m（牛米））。
• 負(fù)載電流：負(fù)載電流是指電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載時(shí)實(shí)際檢測(cè)到的定子電流數(shù)值。
• 堵轉(zhuǎn)力矩：在電機(jī)受反向外力使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩。 如果電機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)， 則會(huì)損壞電機(jī)，或燒壞驅(qū)動(dòng)芯片。 所以大家選電機(jī)時(shí)，這是除轉(zhuǎn)速外要考慮的參數(shù)。 堵轉(zhuǎn)時(shí)間一長(zhǎng)，電機(jī)溫度上升的很快，這個(gè)值也會(huì)下降的很厲害。
• 堵轉(zhuǎn)電流：在電機(jī)受反向外力使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電流，此時(shí)電流非常大，時(shí)間稍微就可能會(huì)燒毀電機(jī)， 在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量避免。
• 減速比：是指沒(méi)有減速齒輪時(shí)轉(zhuǎn)速與有減速齒輪時(shí)轉(zhuǎn)速之比。
• 功率：般指的是它的額定功率（單位W（瓦）），即在額定電壓下能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率， 也是指電動(dòng)機(jī)在制造廠所規(guī)定的額定情況下運(yùn)行時(shí), 其輸出端的機(jī)械功率。

4.3. 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與分析

我們先來(lái)想一個(gè)問(wèn)題，假設(shè)你手里現(xiàn)在有一個(gè)直流電機(jī)和一節(jié)電池， 當(dāng)你把電機(jī)的兩根電源線和電池的電源連接在一起時(shí)，這時(shí)電機(jī)可以正常旋轉(zhuǎn)， 當(dāng)想要電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需要把兩根電源線交換一下就可以了。 但是當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中要實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制也通過(guò)交換電源線實(shí)現(xiàn)嗎？ 顯然這樣的方法是不可行的。 這時(shí)候我們可以用一個(gè)叫做“H橋電路”來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

4.3.1. 控制電路原理設(shè)計(jì)與分析

如下圖所示，是使用4個(gè)三極管搭建的H橋電路。

上圖中，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。 根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

上圖中，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將經(jīng)過(guò)Q1從左往右流過(guò)電機(jī)， 在經(jīng)過(guò)Q4流到電源負(fù)極，這時(shí)圖中電機(jī)可以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

上圖中，當(dāng)Q3和Q2導(dǎo)通時(shí)，電流將經(jīng)過(guò)Q3從右往左流過(guò)電機(jī)， 在經(jīng)過(guò)Q2流到電源負(fù)極，這時(shí)圖中電機(jī)可以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

特別地，當(dāng)同一側(cè)的Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流將從電源先后經(jīng)過(guò)Q1和Q2 ，然后直接流到電源負(fù)極， 在這個(gè)回路中除了三極管以外就沒(méi)有其他負(fù)載（沒(méi)有經(jīng)過(guò)電機(jī)），這時(shí)電流可能會(huì)達(dá)到最大值，此時(shí)可能會(huì)燒毀三極管， 同理，當(dāng)Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相同的狀況。 這樣的情況肯定是不能發(fā)生的， 但是我們寫程序又是三分寫代碼七分在調(diào)試，這就難免會(huì)有寫錯(cuò)代碼將同一測(cè)得三極管導(dǎo)通的情況， 為此我們就需要從硬件上來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。 下面電路圖是改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路圖。

與改進(jìn)前的電路相比，在上面的改進(jìn)電路中新增加了兩個(gè)非門和4個(gè)與門，以及Q1和Q3換成了NPN三極管， 經(jīng)過(guò)這樣的組合就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)控制兩個(gè)同一側(cè)的三極管， 并且可以保證在同一側(cè)中兩個(gè)三級(jí)管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通在同一時(shí)刻只會(huì)有一個(gè)三極管是導(dǎo)通的。

我們來(lái)分析一下電信號(hào)的變化：在ENABLE腳接入高電平，在IN1腳接入高電平，在經(jīng)過(guò)第一個(gè)非門后，AND1的2腳就是低電平， 此時(shí)與門AND1的輸出（3腳）就是低電平，所以Q1截止。 而AND2的1腳和2腳都是高電平，所以AND2的3腳也是高電平， 這樣Q2就導(dǎo)通了。 在IN2接入低電平，同理分析可得，Q3導(dǎo)通Q4截止。 在IN1和IN2處分別接入低電平和高電平， 則Q1和Q4導(dǎo)通，Q3和Q2截止。 當(dāng)IN1和IN2都接入高電平或者低電平時(shí)都只會(huì)同時(shí)導(dǎo)通上面或者下面的兩個(gè)三極管， 不會(huì)出現(xiàn)同一側(cè)的三極管同時(shí)導(dǎo)通的情況。

4.3.2. 驅(qū)動(dòng)芯片分析

通常在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候我們會(huì)選擇集成H橋的IC，因?yàn)镠橋使用分立元件搭建比較麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)難度， 當(dāng)然如果集成IC無(wú)法滿足我們的功率要求時(shí)，還是需要我們自己使用MOS管、三極管等元件來(lái)搭建H橋電路， 這樣的分立元件搭建的H橋一般驅(qū)動(dòng)能力都會(huì)比集成IC要高。 當(dāng)我們?cè)谶x擇集成IC時(shí)， 我們需要考慮集成IC是否能滿足電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓要求，是否能承受電機(jī)工作時(shí)的電流等情況。

4.3.2.1. L298N驅(qū)動(dòng)芯片

L298N是ST公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專門驅(qū)動(dòng)芯片， 即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)4.5V~46V、 2A以下的電機(jī)，電流峰值輸出可達(dá)3A，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。

其工作原理與上面的講解的H橋原理一樣，這里不再贅述。 L298N引腳圖如下圖所示。

L298N邏輯功能表。

IN3，IN4的邏輯圖與上表相同。 由上表可知ENA為低電平時(shí)，INx輸入電平對(duì)電機(jī)控制不起作用， 當(dāng)ENA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。 同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)停止。 L298N的應(yīng)用電路圖將在后面硬件設(shè)計(jì)小節(jié)講解。

4.4. 直流有刷減速電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

4.4.1. 速度控制原理

脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）信號(hào)，即PWM是一種按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制， 既可改變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM通過(guò)一定的頻率來(lái)改變通電和斷電的時(shí)間， 從而控制電路輸出功率，在電機(jī)的控制周期中,通電時(shí)間決定了它的轉(zhuǎn)速。 其中， 通電時(shí)間/(通斷時(shí)間+斷電時(shí)間)=占空比，即，高電平占整個(gè)周期的百分比，如下圖所示：

上圖中：T1為高電平時(shí)間，T2為低電平時(shí)間，T是周期。

D(占空比) = T 1/T*100%

設(shè)電機(jī)的速度為V，最大速度為Vmax 。

則：V=Vmax*D

當(dāng)占空比D（0≤D≤1）的大小改變時(shí)，速度V也會(huì)改變，所以只要改變占空比就能達(dá)到控制的目的。

4.4.2. 硬件設(shè)計(jì)

主控有刷電機(jī)接口原理圖如下圖所示，有刷電機(jī)接口與無(wú)刷接口使用的是同一個(gè)接口，舍去了其中一些多余的接口， 用到了兩個(gè)定時(shí)器通道，編碼器、兩路ADC采集通道（后續(xù)章節(jié)講解）。 本節(jié)實(shí)驗(yàn)只用到了TIM1的CH1和CH2， 即PA8和PA9來(lái)輸出PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)，注意主控板需要和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供地。

4.4.2.1. L298N

驅(qū)動(dòng)板可以支持12-42V的寬電壓供電，并且?guī)л斎腚妷恨D(zhuǎn)5V的電壓芯片，所以驅(qū)動(dòng)板只需要一個(gè)電源輸入。 具體需要多大電壓需要根據(jù)電機(jī)來(lái)選擇。 電路圖見下圖所示。

在下圖電機(jī)控制接口中，ENABLEA和ENABLEB是使能輸入腳，ENABLEA用于控制A橋，可以接到單片機(jī)的引腳控制， 也是直接使用跳冒連接到5V，ENABLEB用于控制B橋，控制方式與ENABLE一樣。 INPUT1和INPUT2是A橋的控制信號(hào)，INPUT1和INPUT2是B橋的控制信號(hào)，可以接PWM控制電機(jī)。 OUTPUT1和OUTPUT2是A橋的輸出接口，OUTPUT3和OUTPUT4是B橋的輸出接口。

上圖中8個(gè)二極管用于防止電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)損壞L298N，當(dāng)E點(diǎn)反電勢(shì)為正，超過(guò)電源+0.7V時(shí)， 上端二極管導(dǎo)通，這樣輸出線就被限位在電源電壓+0.7V上，不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值； 當(dāng)E點(diǎn)反電勢(shì)為負(fù)，低于-0.7V時(shí)，下端二極管導(dǎo)通，這樣輸出線就被限位在-0.7V上， 不會(huì)低于-0.7V了。 這兩個(gè)二極管是作為鉗位使用，使得輸出線上電壓（或叫電位） 被箝位在-0.7V~+Vcc+0.7V之間。 其他二極管作用于E點(diǎn)這兩個(gè)一樣。

電機(jī)與L298N驅(qū)動(dòng)板連接見下表所示。

電機(jī)與L298N驅(qū)動(dòng)板連接

L298N驅(qū)動(dòng)板與主控板連接見下表所示。

L298N驅(qū)動(dòng)板與主控板連接

在L298N驅(qū)動(dòng)板與主控板連接中，ENA可以不接PG12，使用跳冒連接到5V。

4.4.2.2. 野火直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板-MOS管搭建板

野火有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是使用MOS管搭建的大功率H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，實(shí)物圖如下圖所示。

驅(qū)動(dòng)板可支持12V~70V的寬電壓輸入，10A過(guò)電流保護(hù)電路，超過(guò)10A可自動(dòng)禁用電機(jī)控制信號(hào)，最高功率支持700W。 實(shí)際使用輸入電壓需要根據(jù)電機(jī)進(jìn)行選擇，同時(shí)還具有電流采樣電路、編碼器接口和電源電壓檢測(cè)電路等等， 本小節(jié)主要講解電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路，其他功能將在后續(xù)章節(jié)中講解。

野火使用MOS管搭建的直流有刷驅(qū)動(dòng)板做到了信號(hào)完全隔離，其他驅(qū)動(dòng)板基本都只是使用光耦隔離了控制信號(hào)， 并沒(méi)有對(duì)ADC采樣電路進(jìn)行隔離，野火不僅使用光耦對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行了隔離， 還使用AMC1200SDUBR隔離運(yùn)放對(duì)ADC采樣電路進(jìn)行了隔離。

PWM控制信號(hào)使用了TLP2362高速光耦進(jìn)行了隔離，SD控制信號(hào)使用了EL357N光耦進(jìn)行了隔離，如下圖所示。

與門的作用是可以使單片機(jī)和過(guò)流保護(hù)電路共同控制SD腳，過(guò)流保護(hù)電路將在電流電壓采集章節(jié)講解， 與門輸入輸出與MOS管狀態(tài)真值表如下表所示。

與門輸入輸出與MOS管狀態(tài)真值表

下圖是使用MOS管搭建的H橋電路，使用兩個(gè)EG2104驅(qū)動(dòng)四個(gè)MOS管。

EG2104S主要功能有邏輯信號(hào)輸入處理、死區(qū)時(shí)間控制、電平轉(zhuǎn)換功能、懸浮自舉電源結(jié)構(gòu)和上下橋圖騰柱式輸出。 邏輯信號(hào)輸入端高電平閥值為 2.5V 以上，低電平閥值為 1.0V 以下，要求邏輯信號(hào)的輸出電流小， 可以使MCU輸出邏輯信號(hào)直接連接到EG2104S的輸入通道上。 EG2104S芯片有一個(gè)shutdown引腳， 邏輯輸入控制信號(hào)低電平有效，控制強(qiáng)行使LO、HO輸出低電平。 這樣可以直接使用這個(gè)引腳做軟件控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與停止， 還可以實(shí)現(xiàn)硬件的限流保護(hù)（后續(xù)章節(jié)分析保護(hù)電路），輸入信號(hào)和輸出信號(hào)邏輯真值表如下表所示。

EG2104S輸入信號(hào)和輸出信號(hào)邏輯真值表

從真值表可知，在輸入邏輯信號(hào)SD為“L”時(shí)，不管IN為“H”或者“L”情況下，驅(qū)動(dòng)器控制輸出HO、LO同時(shí)為“L”， 上、下功率管同時(shí)關(guān)斷； 當(dāng)輸入邏輯信號(hào)SD為“H”、IN為“L”時(shí)，HO輸出為“L”，LO輸出為“H”； 當(dāng)輸入邏輯信號(hào)SD為“H”、IN 為“H”時(shí)，HO輸出為“H”，LO輸出為“L”。

EG2104S內(nèi)部集成了死區(qū)時(shí)控制電路，死區(qū)時(shí)間波形圖如下圖所示，其中死區(qū)時(shí)間DT的典型值為640ns。

EG2104S采用自舉懸浮驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)， 只用一路電源電壓VCC即可完成高端N溝道MOS管和低端N溝道MOS管兩個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的方便。 EG2104S自舉電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，EG2104S可以使用外接一個(gè)自舉二極管和一個(gè)自舉電容自動(dòng)完成自舉升壓功能， 假定在下管開通、上管關(guān)斷期間VC自舉電容已充到足夠的電壓（Vc=VCC），當(dāng)HO輸出高電平時(shí)上管開通、下管關(guān)斷時(shí)， VC自舉電容上的電壓將等效一個(gè)電壓源作為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器VB和VS的電源，完成高端N溝道MOS管的驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)與MOS管搭建驅(qū)動(dòng)板連接見下表所示。

電機(jī)與MOS管搭建驅(qū)動(dòng)板連接

MOS管搭建驅(qū)動(dòng)板與主控板連接見下表所示。

MOS管搭建驅(qū)動(dòng)板與主控板連接

推薦使用配套的牛角排線直接連接驅(qū)動(dòng)板和主控板。

4.4.3. 軟件設(shè)計(jì)

這里只講解核心的部分代碼，有些變量的設(shè)置，頭文件的包含等并沒(méi)有涉及到，完整的代碼請(qǐng)參考本章配套的工程。 我們創(chuàng)建了四個(gè)文件：bsp_general_tim.c、bsp_general_tim.h、bsp_motor_control.c和bsp_motor_control.h 文件用來(lái)存定時(shí)器驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制程序及相關(guān)宏定義。

4.4.3.1. 編程要點(diǎn)

1. 定時(shí)器 IO 配置
2. 定時(shí)器時(shí)基結(jié)構(gòu)體TIM_TimeBaseInitTypeDef配置
3. 定時(shí)器輸出比較結(jié)構(gòu)體TIM_OCInitTypeDef配置
4. 根據(jù)定時(shí)器定義電機(jī)控制相關(guān)函數(shù)

bsp_general_tim.h-宏定義

/*宏定義*/
 #define PWM_TIM                             TIM1
 #define PWM_TIM_GPIO_AF                 GPIO_AF1_TIM1
 #define PWM_TIM_CLK_ENABLE()                                        __TIM1_CLK_ENABLE()

 #define PWM_CHANNEL_1                   TIM_CHANNEL_1
 #define PWM_CHANNEL_2                   TIM_CHANNEL_2

 /* 累計(jì) TIM_Period個(gè)后產(chǎn)生一個(gè)更新或者中斷*/
 /* 當(dāng)定時(shí)器從0計(jì)數(shù)到PWM_PERIOD_COUNT，即為PWM_PERIOD_COUNT+1次，為一個(gè)定時(shí)周期 */
 #define PWM_PERIOD_COUNT                 (5600)

 /* 通用控制定時(shí)器時(shí)鐘源TIMxCLK = HCLK=168MHz */
 /* 設(shè)定定時(shí)器頻率為=TIMxCLK/(PWM_PRESCALER_COUNT+1) */
 #define PWM_PRESCALER_COUNT               (2)

 /* 最大比較值 */
 #define PWM_MAX_PERIOD_COUNT              (PWM_PERIOD_COUNT - 100)

 /*PWM引腳*/
 #define PWM_TIM_CH1_GPIO_PORT           GPIOA
 #define PWM_TIM_CH1_PIN                 GPIO_PIN_8

 #define PWM_TIM_CH2_GPIO_PORT           GPIOA
 #define PWM_TIM_CH2_PIN                 GPIO_PIN_9

 #define PWM_TIM_CH3_GPIO_PORT           GPIOA
 #define PWM_TIM_CH3_PIN                 GPIO_PIN_10

使用宏定義非常方便程序升級(jí)、移植。 如果使用不同的定時(shí)器IO，修改這些宏即可。

定時(shí)器復(fù)用功能引腳初始化

定時(shí)器復(fù)用功能引腳初始化

static void TIMx_GPIO_Config(void)
 {
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

   /* 定時(shí)器通道功能引腳端口時(shí)鐘使能 */

   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

   /* 定時(shí)器通道1功能引腳IO初始化 */
   /*設(shè)置輸出類型*/
   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
   /*設(shè)置引腳速率 */
   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
   /*設(shè)置復(fù)用*/
   GPIO_InitStruct.Alternate = PWM_TIM_GPIO_AF;

   /*選擇要控制的GPIO引腳*/
   GPIO_InitStruct.Pin = PWM_TIM_CH1_PIN;
   /*調(diào)用庫(kù)函數(shù)，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/
   HAL_GPIO_Init(PWM_TIM_CH1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
   GPIO_InitStruct.Pin = PWM_TIM_CH2_PIN;
   HAL_GPIO_Init(PWM_TIM_CH2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
 }

定時(shí)器通道引腳使用之前必須設(shè)定相關(guān)參數(shù)，這選擇復(fù)用功能，并指定到對(duì)應(yīng)的定時(shí)器。 使用GPIO之前都必須開啟相應(yīng)端口時(shí)鐘。

定時(shí)器模式配置 [

TIM_HandleTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
 static void TIM_PWMOUTPUT_Config(void)
 {
   TIM_OC_InitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

   /*使能定時(shí)器*/
   PWM_TIM_CLK_ENABLE();

   TIM_TimeBaseStructure.Instance = PWM_TIM;
   /* 累計(jì) TIM_Period個(gè)后產(chǎn)生一個(gè)更新或者中斷*/
   //當(dāng)定時(shí)器從0計(jì)數(shù)到PWM_PERIOD_COUNT，即為PWM_PERIOD_COUNT+1次，為一個(gè)定時(shí)周期
   TIM_TimeBaseStructure.Init.Period = PWM_PERIOD_COUNT - 1;
   // 通用控制定時(shí)器時(shí)鐘源TIMxCLK = HCLK/2=84MHz
   // 設(shè)定定時(shí)器頻率為=TIMxCLK/(PWM_PRESCALER_COUNT+1)
   TIM_TimeBaseStructure.Init.Prescaler = PWM_PRESCALER_COUNT - 1;

   /*計(jì)數(shù)方式*/
   TIM_TimeBaseStructure.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
   /*采樣時(shí)鐘分頻*/
   TIM_TimeBaseStructure.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
   /*初始化定時(shí)器*/
   HAL_TIM_PWM_Init(&TIM_TimeBaseStructure);

     /*PWM模式配置*/
   TIM_OCInitStructure.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
     TIM_OCInitStructure.Pulse = 0;
     TIM_OCInitStructure.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
     TIM_OCInitStructure.OCNPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
     TIM_OCInitStructure.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_SET;
     TIM_OCInitStructure.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
   TIM_OCInitStructure.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;

     /*配置PWM通道*/
   HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, PWM_CHANNEL_1);
     /*開始輸出PWM*/
     HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_1);

     /*配置脈寬*/
   TIM_OCInitStructure.Pulse = 0;    // 默認(rèn)占空比為50%
     /*配置PWM通道*/
   HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM_TimeBaseStructure, &TIM_OCInitStructure, PWM_CHANNEL_2);
     /*開始輸出PWM*/
     HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_2);
 }

首先定義兩個(gè)定時(shí)器初始化結(jié)構(gòu)體，定時(shí)器模式配置函數(shù)主要就是對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員進(jìn)行初始化， 然后通過(guò)相應(yīng)的初始化函數(shù)把這些參數(shù)寫入定時(shí)器的寄存器中。 有關(guān)結(jié)構(gòu)體的成員介紹請(qǐng)參考定時(shí)器詳解章節(jié)。

不同的定時(shí)器可能對(duì)應(yīng)不同的APB總線，在使能定時(shí)器時(shí)鐘是必須特別注意。 通用控制定時(shí)器屬于APB1， 定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘是84MHz。

在時(shí)基結(jié)構(gòu)體中我們?cè)O(shè)置定時(shí)器周期參數(shù)為PWM_PERIOD_COUNT（5599），頻率為15KHz，使用向上計(jì)數(shù)方式。 因?yàn)槲覀兪褂玫氖莾?nèi)部時(shí)鐘，所以外部時(shí)鐘采樣分頻成員不需要設(shè)置，重復(fù)計(jì)數(shù)器我們沒(méi)用到，也不需要設(shè)置。

在輸出比較結(jié)構(gòu)體中，設(shè)置輸出模式為PWM1模式，通道輸出高電平有效，設(shè)置脈寬為ChannelPulse， ChannelPulse是我們定義的一個(gè)無(wú)符號(hào)16位整形的全局變量，用來(lái)指定占空比大小， 實(shí)際上脈寬就是設(shè)定比較寄存器CCR的值，用于跟計(jì)數(shù)器CNT的值比較。

最后使用HAL_TIM_PWM_Start函數(shù)讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)和通道輸出。

bsp_motor_control.h-電機(jī)方向控制枚舉

/* 電機(jī)方向控制枚舉 */
 typedef enum
 {
   MOTOR_FWD = 0,
   MOTOR_REV,
 }motor_dir_t;

在這里枚舉了兩個(gè)變量，用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 注意 ：在這里并不規(guī)定什么方向是正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)， 這個(gè)是你自己定義的。

變量定義

/* 私有變量 */
 static motor_dir_t direction  = MOTOR_FWD;     // 記錄方向
 static uint16_t    dutyfactor = 0;             // 記錄占空比

定義兩個(gè)私有變量，direction用于記錄電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，dutyfactor用于記錄當(dāng)前設(shè)置的占空比。

定時(shí)器到電機(jī)控制的宏接口 [

/* 設(shè)置速度（占空比） */
 #define SET_FWD_COMPAER(ChannelPulse)     TIM1_SetPWM_pulse(PWM_CHANNEL_1,ChannelPulse)    // 設(shè)置比較寄存器的值
 #define SET_REV_COMPAER(ChannelPulse)     TIM1_SetPWM_pulse(PWM_CHANNEL_2,ChannelPulse)    // 設(shè)置比較寄存器的值

 /* 使能輸出 */
 #define MOTOR_FWD_ENABLE()      HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_1);    // 使能 PWM 通道 1
 #define MOTOR_REV_ENABLE()      HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_2);    // 使能 PWM 通道 2

 /* 禁用輸出 */
 #define MOTOR_FWD_DISABLE()     HAL_TIM_PWM_Stop(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_1);     // 禁用 PWM 通道 1
 #define MOTOR_REV_DISABLE()     HAL_TIM_PWM_Stop(&TIM_TimeBaseStructure,PWM_CHANNEL_2);     // 禁用 PWM 通道 2

使用宏定義非常方便程序升級(jí)、移植。 如果使用不同的定時(shí)器IO，修改這些宏即可。

設(shè)置電機(jī)速度

void set_motor_speed(uint16_t v)
 {
   dutyfactor = v;

   if (direction == MOTOR_FWD)
   {
     SET_FWD_COMPAER(dutyfactor);     // 設(shè)置速度
   }
   else
   {
     SET_REV_COMPAER(dutyfactor);     // 設(shè)置速度
   }
 }

根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)設(shè)置電機(jī)的速度（占空比），并記錄下設(shè)置的占空比，方便在切換旋轉(zhuǎn) 方向時(shí)設(shè)置另一路為相同的占空比。

設(shè)置電機(jī)方向

void set_motor_direction(motor_dir_t dir)
 {
   direction = dir;

   if (direction == MOTOR_FWD)
   {
     SET_FWD_COMPAER(dutyfactor);     // 設(shè)置速度
     SET_REV_COMPAER(0);              // 設(shè)置占空比為 0
   }

   else
   {
     SET_FWD_COMPAER(0);              // 設(shè)置速度
     SET_REV_COMPAER(dutyfactor);     // 設(shè)置占空比為 0
   }
 }

將一路PWM的占空比設(shè)置為0，另一路用于設(shè)置速度。

主要

/**
         * @brief  主函數(shù)
         * @param  無(wú)
         * @retval 無(wú)
         */
       int main(void)
       {
             __IO uint16_t ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT/2;
             uint8_t i = 0;

             /* 初始化系統(tǒng)時(shí)鐘為168MHz */
             SystemClock_Config();

             /* 初始化按鍵GPIO */
             Key_GPIO_Config();

             /* 電機(jī)初始化 */
             motor_init();

             set_motor_disable();
             set_motor_speed(ChannelPulse);

             while(1)
             {
           /* 掃描KEY1 */
           if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_PIN) == KEY_ON)
           {
             /* 使能電機(jī) */
             set_motor_enable();
           }

           /* 掃描KEY2 */
           if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT, KEY2_PIN) == KEY_ON)
           {
             set_motor_disable();
           }

           /* 掃描KEY3 */
           if( Key_Scan(KEY3_GPIO_PORT, KEY3_PIN) == KEY_ON)
           {
             /* 增大占空比 */
             ChannelPulse += PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10;

             if(ChannelPulse > PWM_MAX_PERIOD_COUNT)
               ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT;

             set_motor_speed(ChannelPulse);
           }

           /* 掃描KEY4 */
           if( Key_Scan(KEY4_GPIO_PORT, KEY4_PIN) == KEY_ON)
           {
             if(ChannelPulse < PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10)
               ChannelPulse = 0;
             else
               ChannelPulse -= PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10;

             set_motor_speed(ChannelPulse);
           }

           /* 掃描KEY5 */
           if( Key_Scan(KEY5_GPIO_PORT, KEY5_PIN) == KEY_ON)
           {
           /* 轉(zhuǎn)換方向 即Forward，正轉(zhuǎn)運(yùn)行；相對(duì)地，REV，即Reverse，反轉(zhuǎn)運(yùn)行
                 采用三元運(yùn)算符      i是奇數(shù)是反轉(zhuǎn)運(yùn)行，i是偶數(shù)是正轉(zhuǎn)運(yùn)行，*/
             set_motor_direction( (++i % 2) ? MOTOR_FWD : MOTOR_REV);
           }
             }
       }

首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，然后初始化定時(shí)器和按鍵，將占空比設(shè)置為50%。 在死循環(huán)里面掃描按鍵，KEY1按下使能電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，KEY2按下失能電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，KEY3按鍵按下增加速度（占空比），KEY4按鍵按下減少速度（占空比）， KEY5按鍵按下切換電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。 (轉(zhuǎn)換方向 即Forward，正轉(zhuǎn)運(yùn)行； 相對(duì)地，REV，即Reverse，反轉(zhuǎn)運(yùn)行,采用三元運(yùn)算符:i是奇數(shù)是反轉(zhuǎn)運(yùn)行，i是偶數(shù)是正轉(zhuǎn)運(yùn)行)

4.4.4. 下載驗(yàn)證

如果有條件的話，這里我們先不連接電機(jī)，先通過(guò)示波器連接到開發(fā)板的PWM輸出引腳上，通過(guò)示波器來(lái)觀察PWM 的變化情況:

• 使用DAP連接開發(fā)板到電腦；
• 使用示波器的CH1連接到PA15，CH2連接到PB3，注意示波器要與開發(fā)板共地；
• 給開發(fā)板供電，編譯下載配套源碼，復(fù)位開發(fā)板。

上電后我們通過(guò)示波器可以觀察到兩個(gè)通道都是低電平，當(dāng)按下KEY1后，使能PWM輸出，按KEY3可以增加CH1通道的占空比， ，按KEY4可以減小占空比，按KEY5可以交換PWM輸出，如下圖所示。

在上圖中黃色波形為CH1通道，藍(lán)色波形為CH2通道，按下一次KEY1后，能使PWM輸出。 此時(shí)可以通過(guò)計(jì)算示波器上顯示的波形在占空比和頻率， 通過(guò)波形計(jì)算也與理論相符，這說(shuō)明我們的PWM的配置是正確的，其中CH2通道的波形 一直為低電平。 當(dāng)CH1和CH2都為低電平時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)CH1上的平均電壓大于電機(jī)的啟動(dòng)電壓后電機(jī)就 可以轉(zhuǎn)動(dòng)了，電源電壓為12V，占空比為D,則平均電壓為：12V*D。 當(dāng)按下KEY5后兩通道輸出相反，CH1一直為 低電平，CH2為PWM波，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

在確定PWM輸出正確后我們就可以接上電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證我們的程序了。

按鍵操作：

• KEY1:使能電機(jī)
• KEY2:禁用電機(jī)
• KEY3:加速
• KEY4:減速比
• KEY5:換向

可以通過(guò)按鍵來(lái)操作來(lái)觀察電機(jī)的執(zhí)行效果