3、PWM生成与定时器配置：高级定时器的PWM输出模式、互补PWM与死区时间插入、PWM频率与分辨率计算、占空比更新策略
好，咱们进入电机控制里最核心、也最绕不开的一环——PWM生成。
说实话，我见过不少新手工程师，代码写得挺溜，一上电机就冒烟。十有八九，问题出在PWM配置上。不是频率算错了，就是死区没设对，再不然就是占空比更新时机没卡准。
今天这一讲，咱们就把高级定时器这块硬骨头啃下来。你想想看，电机转得快不快、稳不稳、烫不烫，全看PWM伺候得怎么样。
3.1 高级定时器的PWM输出模式
工业MCU里，高级定时器（比如STM32的TIM1/TIM8）跟普通定时器最大的区别在哪？
我个人觉得，就两点：互补输出和刹车功能。这两样，是驱动三相电机必不可少的。
PWM输出模式，说白了就是定时器怎么把计数值跟比较值做对比，然后翻转电平。常用的有两种：
- 边沿对齐模式：计数器从0数到ARR，再跳回0。简单直观，适合单相或低端应用。
- 中央对齐模式：计数器先向上数到ARR，再向下数回0。这种模式产生的PWM对称性好，谐波小，电机运行更平稳。我做的伺服驱动项目，基本都用这个模式。
配置的时候，有个小细节要注意：
边沿对齐模式下，更新事件发生在计数器溢出时。
中央对齐模式下，更新事件可以发生在向上计数到ARR时，也可以发生在向下计数到0时，甚至两者都触发。
嗯，这里要提醒一下：如果你用中央对齐模式，并且开启了“重复计数”功能，那更新事件的频率会降低。我之前有个同事，调了半天电机转速不对，最后发现是重复计数器设成了2，导致更新频率减半。这种坑，踩过一次就记住了。
3.2 互补PWM与死区时间插入
互补PWM，就是一对信号，一个高另一个就低，反之亦然。用在H桥或三相逆变器里，控制上下桥臂的MOS管。
但问题来了——MOS管开关不是瞬间完成的。关断需要时间，导通也需要时间。如果上管还没完全关断，下管就导通了，那结果就是——直通短路，管子瞬间冒烟。
怎么解决？插入死区时间。
死区时间，就是故意让上下桥臂都关断的那一小段空白期。我习惯把它叫做“安全间隔”。
配置死区时间，通常通过定时器的BDTR寄存器（刹车和死区寄存器）来设置。比如STM32里，死区时间由DTG[7:0]位控制，具体公式要看数据手册，不同MCU略有差异。
我的经验：死区时间不是越大越好。设大了，波形失真，电机效率下降，还会发热。设小了，又有短路风险。一般建议从MOS管数据手册里的“关断延迟时间”+“下降时间”+一点余量来算。比如管子关断延迟50ns，下降时间30ns，那死区至少设100ns起步。
我曾经在一个高压项目里，死区设了500ns，觉得挺安全。结果电机一跑高速，电流波形毛刺特别多，效率掉了5%。后来把死区优化到200ns，问题就解决了。所以，死区时间要跟开关频率、负载电流匹配着调。
配置代码示例（以STM32 HAL库为例）：
// 配置死区时间为 200ns（假设定时器时钟 72MHz）
// 死区时间计算公式：DT = DTG[7:0] * Tdtg
// 这里 Tdtg = 1/72MHz ≈ 13.89ns
// 200ns / 13.89ns ≈ 14.4，取整 DTG = 14
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 14; // 约 194ns
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_ENABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
sBreakDeadTimeConfig.BreakFilter = 0;
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_ENABLE;
if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}3.3 PWM频率与分辨率计算
PWM频率和分辨率，是一对冤家。你频率设高了，分辨率就下来了；想要高分辨率，频率就得降。
为什么？因为定时器的计数时钟是固定的。假设定时器时钟72MHz，你想输出20kHz的PWM：
- 边沿对齐模式：ARR = 72MHz / 20kHz - 1 = 3599
- 分辨率 = log2(3600) ≈ 11.8位
如果你想要16位的分辨率，那ARR就得是65535，PWM频率就变成了：72MHz / 65536 ≈ 1.1kHz。这个频率对于电机控制来说太低了，会听到明显的啸叫声。
注意：电机控制常用的PWM频率在8kHz到20kHz之间。低于16kHz人耳能听到，会有噪音。高于20kHz，开关损耗会明显增加。我个人习惯用16kHz，兼顾噪音和效率。
那分辨率不够怎么办？有几种办法：
- 使用更高时钟频率的MCU——简单粗暴，但成本上去了。
- 使用HRTIM（高分辨率定时器）——有些工业MCU带这个外设，分辨率能到几百皮秒级别。
- 使用PWM重映射或双更新模式——通过软件技巧提高等效分辨率。
我记得有个项目，客户要求电机在极低速下运行得非常平稳。普通PWM分辨率根本不够，最后我用了HRTIM的延迟插入功能，把分辨率从12位提升到了16位，效果立竿见影。
3.4 占空比更新策略
占空比更新，看似简单——改一下比较寄存器的值就行了。但时机不对，电机就会抖。
关键点在于：什么时候更新比较值？
如果PWM周期内任意时刻都能更新，那一个周期里可能前半段是一个占空比，后半段是另一个占空比。这种“畸形”的PWM波形，会让电机电流产生畸变，严重时会导致转矩脉动。
正确的做法是：在PWM周期更新事件发生时，同步更新比较值。
高级定时器都支持“预装载”功能。你写入比较寄存器的值，不会立即生效，而是等到下一个更新事件（比如计数器溢出）才被锁存到实际工作的寄存器里。
核心原则：永远在更新事件中断或DMA中修改占空比，不要在PWM波形的中间时刻改。
代码示例（在更新中断中更新占空比）：
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM1)
{
// 从FOC算法计算出的新占空比
uint16_t new_duty = pid_output_to_duty(current_pid_output);
// 更新比较值（预装载寄存器）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, new_duty);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, new_duty);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, new_duty);
}
}另外，还有一种更高效的策略——DMA更新。把占空比数据放在一个数组里，用定时器的更新事件触发DMA，自动把数据搬运到比较寄存器。这样CPU几乎不用干预，适合高速电机控制。
我曾经在一个48V/500W的BLDC项目里，用DMA方式更新占空比，PWM频率跑到了40kHz，CPU负载才不到10%。要是用中断方式，估计CPU就忙着进中断了。
避坑指南：使用DMA更新时，记得把DMA模式设为“循环模式”，并且确保数据缓冲区是双缓冲的。否则，你可能会遇到“数据被覆盖”或“更新不及时”的问题。我曾经因为DMA缓冲区没处理好，电机在高速时突然抖动了一下，查了两天才发现是DMA读到了脏数据。
最后总结一下这一节的核心：
- 高级定时器的PWM模式，电机控制首选中央对齐模式。
- 死区时间要精确计算，不能拍脑袋设。
- 频率和分辨率要平衡，16kHz是个不错的起点。
- 占空比更新，一定要同步到更新事件，用DMA更高效。
下一讲，咱们聊聊电流采样与ADC触发同步。这个跟PWM配置是紧密相关的，采样时机没卡好，FOC算法算出来的电流值就是错的。到时候见。