PWM 生成

什么是 PWM？

PWM 不是控制算法，是调制技术。

PWM 是脉宽调制（Pulse Width Modulation）的缩写，是一种通过调制信号的占空比来传递连续信息的一种技术。PWM 常用于调整器件的运行功率（电机的转速、LED 的亮度等）或传递模拟数据。

我们知道，数字 I/O 口只能处于高阻态或输出高电平、低电平等离散的、分立的的电压信号。而利用 PWM，我们可以在数字电路中输出连续可变的模拟信息，继而以一种连续可调的方式影响外部电路的运行。

为了传输连续可变的模拟数据，我们通过不断改变电平状态来编码相关信息。接收端通过解调来恢复原始的模拟数据。
为了调制外部电路的功率，我们通过不断改变电平状态来控制电路的平均功率，以达到功率调制的目的。此种目的中，通常不会有专门的解调电路，或者说功率器件依靠其物理特性，起到⌈解调⌋并执行的作用。

上图为 PWM 调制波的波形图（其中占空比为 50%）。

PWM 调制波形主要有以下参数：

占空比（Duty）：高电平的时间占整个周期的比例，通常用百分比来表示。占空比越大，波的平均功率越大。
周期（Periodicity） 或 频率（Frequency）：波形的周期与频率互为倒数。
脉宽（Pulse Width）：高电平的时间长度，等于占空比乘以周期。

如何生成 PWM？

在 STM32 中，我们通常通过定时器来生成 PWM。定时器提供了名为 ⌈PWM Generation⌋ 的功能，可以通过自动比较内部计数值来生成 PWM。

向上计数模式

当处于向上计数模式、PWM 模式 1 时，定时器的计数值从 0 开始，每计数一次加 1，直到达到设定的⌈自动重装载值⌋。当计数值小于⌈比较值⌋时，输出为⌈有效电平⌋；当计数值大于等于⌈比较值⌋时，输出为⌈无效电平⌋。当计数值达到⌈自动重装载值⌋时，计数值会被重置为 0，从而形成一个周期。

易得如下公式： $$ \begin{aligned} \text{PWM 波频率} &= \frac{\text{定时器计数频率}}{\text{自动重装载值} + 1} \\ &= \frac{\text{时钟源频率}}{(\text{预分频值} + 1) \times (\text{自动重装载值} + 1)} \\ \text{PWM 波占空比} &= \frac{\text{比较值}}{\text{自动重装载值} + 1} \end{aligned} $$

此外，在计数值 CNT 递增到与比较值 CCRx 相等时，会触发⌈捕获/比较（CC）⌋中断。如果比较值 CCRx 大于 ARR，则会在发生重装载（Update）时触发⌈捕获/比较（CC）⌋中断。

有效电平和无效电平的电平状态由⌈通道极性（CH Polarity）⌋决定。⌈通道极性⌋为⌈High⌋时，有效电平为高电平；⌈通道极性⌋为⌈Low⌋时，有效电平为低电平。

另有 PWM 模式 2，其输出与 PWM 模式 1 相反（即当计数值小于⌈比较值⌋时，输出为⌈无效电平⌋；当计数值大于等于⌈比较值⌋时，输出为⌈有效电平⌋）。

向下计数模式

当处于向下计数模式、PWM 模式 1 时，定时器的计数值从⌈自动重装载值⌋开始，每计数一次减 1，直到达到 0。当计数值小于等于⌈比较值⌋时，输出为⌈有效电平⌋；当计数值大于⌈比较值⌋时，输出为⌈无效电平⌋。当计数值达到 0 时，计数值会被重置为⌈自动重装载值⌋，从而形成一个周期。该模式下无法输出 0% 占空比的 PWM。

易得如下公式： $$ \begin{aligned} \text{PWM 波频率} &= \frac{\text{定时器计数频率}}{\text{自动重装载值} + 1} \\ &= \frac{\text{时钟源频率}}{(\text{预分频值} + 1) \times (\text{自动重装载值} + 1)} \\ \text{PWM 波占空比} &= \frac{\text{比较值} + 1}{\text{自动重装载值} + 1} \end{aligned} $$

另有 PWM 模式 2，其输出与 PWM 模式 1 相反（即当计数值小于等于⌈比较值⌋时，输出为⌈无效电平⌋；当计数值大于⌈比较值⌋时，输出为⌈有效电平⌋）。该模式下无法输出 100% 占空比的 PWM。

中央对齐模式

相当于向上计数模式和向下计数模式的结合。另有三种中央对齐模式，其区别在于⌈捕获/比较（CC）⌋中断的触发时机：

模式 1（CMS=01）：仅在向下计数的区段触发⌈比较⌋中断。
模式 2（CMS=10）：仅在向上计数的区段触发⌈比较⌋中断。
模式 3（CMS=11）：在向上计数和向下计数的区段均触发⌈比较⌋中断。

在 CubeMX 配置 PWM Generation 通道

配置时钟源和基本参数（预分配值 PSC、自动重装载值 ARR 等），参见基本用法。
在⌈通道配置⌋中，选择⌈PWM Generation CHx⌋，并设置⌈PWM 模式⌋、⌈通道极性（CH Polarity）⌋等参数。
根据需要进入 NVIC Settings 选项卡配置中断。

使用 HAL 库操作 PWM Generation 通道

操作定时器基本参数（预分配值 PSC、自动重装载值 ARR 等）的方法与基本用法中所述相同，此处不再赘述。

开启 PWM Generation 功能的方法如下：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 开启定时器 2 的通道 1 的 PWM Generation 功能

此过程不会开启 Update 中断，如果还需要开启 Update 中断，可以紧接着用以下代码：

__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim2, TIM_IT_UPDATE); // 开启定时器 2 的 Update 中断

注意：另有 HAL_TIM_PWM_Start_IT 用于同时开启 PWM 生成和 CC 中断，但是不会开启 Update 中断。

使用⌈捕获/比较（CC）⌋中断

在 CubeMX 中，进入 NVIC Settings 选项卡，勾选 ⌈TIMx global interrupt⌋ 或 ⌈TIMx capture compare interrupt⌋。

提示

对于大部分定时器，所有类型的中断共用一个中断向量的，因此只需要勾选⌈TIMx global interrupt⌋即可。对于少部分定时器（尤其是高级定时器），不同类型的中断使用不同的中断向量，此时需要根据需要选择，⌈捕获/比较（CC）⌋中断对于的是⌈TIMx capture compare interrupt⌋。

在启动 PWM Generation 功能时，使用以下代码开启⌈捕获/比较（CC）⌋中断：

HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 开启定时器 2 的通道 1 的 PWM Generation 功能，并开启 CC 中断

通过 HAL 库的以下回调函数响应⌈捕获/比较（CC）⌋中断：

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    // 判断是 TIM2 的通道 1 的 CC 中断
    if (htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
    {
        // 在此处编写中断处理代码
    }
}

作者：ArcticLampyrid