3. PWM生成原理：定时器配置、占空比与频率计算、互补输出与死区插入

各位同学，今天我们来聊聊PWM生成。这玩意儿在电机控制里，可以说是最基础也最关键的一环。我刚开始做电机驱动那会儿，总觉得PWM不就是方波嘛，高低电平来回跳，有啥难的？结果第一次上板子，电机嗡嗡响就是不转，查了半天才发现是定时器配置出了问题。嗯，从那以后我再也不敢小看PWM的配置了。

3.1 PWM的本质：说白了就是个计数器

PWM的全称是脉冲宽度调制，说白了就是通过调整高电平的宽度来控制平均电压。你想想看，电机要转得快，就给高电平时间长一点；要转得慢，就给短一点。这个「给」的过程，就是靠定时器来完成的。

我习惯把定时器想象成一个「自动数数的计数器」。它从0开始往上数，数到某个设定值就重置，然后重新数。在这个过程中，我们比较计数器的值和另一个设定值，如果计数器小于这个值，输出高电平；大于这个值，输出低电平。这就是PWM的基本原理。

3.2 定时器配置：别让细节坑了你

配置定时器生成PWM，我一般分三步走。第一步，选定时器；第二步，设参数；第三步，启动输出。听起来简单，但每一步都有坑。

第一步：选定时器

STM32的定时器分好几种：基本定时器、通用定时器、高级定时器。做电机控制，我建议直接用高级定时器，比如TIM1或TIM8。为什么？因为它们支持互补输出和死区插入，这两样东西在电机驱动里几乎是标配。我曾经图省事用通用定时器做H桥驱动，结果死区得靠软件延时，不仅麻烦，还不安全。

第二步：设参数

参数设置主要涉及三个寄存器：PSC（预分频器）、ARR（自动重装载值）、CCR（捕获比较值）。

参数	作用	典型值
PSC	分频时钟，降低计数频率	71（72MHz时钟分频后1MHz）
ARR	决定PWM周期	999（1kHz PWM）
CCR	决定占空比	0~999（0%~100%）

举个例子，我想生成1kHz的PWM，系统时钟72MHz。先设PSC=71，这样定时器时钟变成1MHz。再设ARR=999，这样计数器从0数到999，总共1000个时钟周期，频率就是1MHz/1000=1kHz。完美。

第三步：启动输出

这一步容易忘。配置完寄存器后，记得要调用HAL_TIM_PWM_Start()。我刚开始学的时候，配置了半天，输出口就是没波形，查了半小时才发现忘了启动。嗯，这种低级错误，犯过一次就记住了。

// 以STM32 HAL库为例
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

// 1. 初始化定时器
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 71;         // 72MHz / (71+1) = 1MHz
htim1.Init.Period = 999;           // 1MHz / (999+1) = 1kHz
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

// 2. 配置PWM通道
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;             // 占空比50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

// 3. 启动PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

3.3 占空比与频率计算：别搞反了

占空比和频率，这两个概念容易混淆。频率决定电机转得快慢的「上限」，占空比决定「实际速度」。举个例子，你让电机跑1kHz的PWM，占空比50%，那平均电压就是电源电压的一半。如果占空比调到100%，那就是满电压。

我遇到过一个问题：电机低速运行时抖动厉害。查了半天，发现是PWM频率太低了。低频PWM会导致电机电流断续，转矩脉动大。后来我把频率从100Hz提高到10kHz，问题就解决了。所以，电机控制一般建议PWM频率在10kHz~20kHz之间，既听不到噪音，又能保证电流连续。

3.4 互补输出与死区插入：保护你的MOS管

做电机驱动，尤其是H桥或三相逆变器，互补输出是必须的。什么叫互补输出？就是一个通道输出高电平时，另一个通道输出低电平，两者正好相反。这样就能控制上下桥臂交替导通。

但这里有个问题：上下桥臂不能同时导通，否则会短路。MOS管的开关需要时间，从导通到关断不是瞬间完成的。如果上桥臂还没完全关断，下桥臂就导通了，那电流就会直通，烧管子。这就是死区插入的意义——在切换时插入一段「都关断」的时间。

死区时间怎么设？我一般根据MOS管的datasheet来算。比如IRF540的关断延迟时间典型值是50ns，那我至少设100ns的死区。实际项目中，我习惯设到500ns~1μs，留点安全余量。死区太短不安全，太长会影响波形质量，这是个权衡。

// 配置互补输出和死区
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig;

sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_1;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 100;  // 死区时间，单位取决于定时器时钟
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
sBreakDeadTimeConfig.BreakFilter = 0;
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);

// 启动互补输出
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

3.5 知识体系总览

下面这张图是我自己画的PWM生成知识体系，你可以把它当作一个检查清单。每次配置PWM时，按这个流程走一遍，基本不会漏东西。

这张图把PWM生成的三个核心模块串起来了。左边是定时器配置，中间是频率占空比计算，右边是互补输出和死区。做项目时，按这个顺序来，基本不会出错。

好了，这一章的内容就到这里。PWM生成是电机控制的基础，配置好了，后面的电流环、速度环才能跑得稳。下一章我们聊聊电流采样，那又是另一个有意思的话题。

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