STM32 专用 PWM 定时器深度解析：从原理到无刷电机实战

在嵌入式系统中，定时器是最核心的外设之一，而在电机控制、电源变换等领域，具备死区控制、互补输出和刹车功能的专用 PWM 定时器更是不可或缺的 "利器"。STM32 系列微控制器凭借其丰富的定时器资源和强大的功能，成为工业控制、消费电子等领域的首选。本文将从工作原理出发，全面解析 STM32 中这类专用定时器的特性，并通过多型号对比、国产芯片对标、实战应用案例等维度，帮助读者彻底掌握这一核心外设的应用精髓。

一、专用 PWM 定时器基础概念：为什么需要特殊设计？

在深入技术细节之前，我们首先需要理解：为什么普通定时器无法满足电机控制等场景的需求？专用 PWM 定时器的特殊设计究竟解决了哪些工程难题？

1.1 电力电子中的 "生死瞬间"：理解三大核心功能的必要性

在直流无刷电机、逆变器等电力电子系统中，功率器件（如 MOSFET、IGBT）的控制面临三个关键挑战：

挑战场景	普通定时器的局限性	专用 PWM 定时器的解决方案	工程意义
上下桥臂直通	无法精确控制开关管的导通间隔	死区控制（Dead Time Control）	避免功率器件烧毁，提高系统可靠性
对称波形需求	需软件生成互补信号，延迟大	互补输出（Complementary Output）	简化硬件设计，降低控制延迟
紧急故障处理	需软件关闭输出，响应慢	刹车功能（Break Function）	故障时快速切断输出，保护设备和人员安全

死区控制的本质是在互补 PWM 信号中插入一段 "空白时间"，确保上桥臂开关管完全关断后，下桥臂开关管才导通，反之亦然。这段时间通常在几十到几百纳秒之间，却直接决定了功率器件的安全。

互补输出功能可以同时生成一组 PWM 信号和其反相信号，且两组信号之间的相位关系、死区时间均可精确控制，这对桥式逆变器（如三相无刷电机的驱动电路）至关重要。

刹车功能则是系统的 "安全气囊"，当检测到过流、过压等故障时，能在微秒级时间内强制关闭所有 PWM 输出，避免故障扩大。

1.2 专用 PWM 定时器的定义与分类

STM32 将定时器分为基本定时器、通用定时器和高级定时器三大类，其中高级定时器（Advanced Timer） 是具备死区控制、互补输出和刹车功能的专用 PWM 定时器。不同系列的 STM32 中，高级定时器的数量和功能略有差异，但核心特性保持一致。

从应用场景来看，这些专用定时器可分为：

• 电机控制专用定时器：如 STM32G474 的 TIM1、TIM8，针对三相无刷电机优化，支持 6 路互补 PWM 输出

• 功率变换专用定时器：如 STM32H743 的 TIM1，支持更高频率的 PWM 和更精细的死区控制

• 通用高性能定时器：如 STM32F405 的 TIM1、TIM8，平衡了功能丰富度和资源消耗

1.3 专用 PWM 定时器的系统地位

在典型的电机控制系统中，专用 PWM 定时器处于核心位置，其性能直接决定了系统的控制精度和可靠性：

如图所示，专用 PWM 定时器不仅接收 CPU 的控制指令，还直接与编码器、故障检测电路等外设交互，在系统中扮演着 "神经中枢" 的角色。

二、工作原理：从计数器到安全输出的完整链路

专用 PWM 定时器的工作原理可分为四个核心环节：计数与比较、死区插入、互补输出生成、刹车响应。理解这一完整链路，是灵活应用的基础。

2.1 计数与比较：PWM 生成的 "源头"

与普通定时器一样，专用 PWM 定时器的核心是计数器和比较寄存器，但增加了针对功率控制的特殊设计。

2.1.1 计数模式与 PWM 波形的关系

高级定时器支持三种计数模式，不同模式下生成的 PWM 波形特性不同：

计数模式	工作原理	典型应用场景	波形特点
向上计数	计数器从 0 增至自动重载值（ARR），然后复位到 0	大多数电机控制场景	频率固定，占空比可调
向下计数	计数器从自动重载值减至 0，然后复位到 ARR	需要快速响应的场景	上升沿陡峭，适合高频应用
中心对齐计数	计数器从 0 增至 ARR，再减至 0，形成对称波形	对谐波要求高的逆变器	波形对称，谐波含量低

在直流无刷电机控制中，中心对齐模式（尤其是中心对齐 3 模式）应用最为广泛，因为其对称的 PWM 波形能有效降低电机电流的谐波畸变，减少发热和噪声。

高级定时器通过中心对齐模式（Up-Down计数）生成对称PWM，显著降低电机谐波损耗：

2.1.2 比较匹配与 PWM 占空比的关系

PWM 的占空比由比较寄存器（CCRx）和自动重载寄存器（ARR）共同决定：

• 占空比 = CCRx / ARR（向上计数模式）

• 占空比 = (ARR - CCRx) / ARR（向下计数模式）

• 占空比 = 2×CCRx / ARR（中心对齐模式，对称波形）

高级定时器的比较寄存器支持预装载功能，这意味着在更新事件发生前，写入的新值不会生效，确保了 PWM 波形的连续性。这一特性在电机控制中至关重要，可避免参数突变导致的电流冲击。

2.2 死区控制：功率器件的 "安全距离"

死区控制是专用 PWM 定时器最核心的特色功能之一，其电路结构和时序设计直接影响系统安全性。

2.2.1 死区生成的硬件原理

死区控制的本质是在互补 PWM 信号中插入一段 "禁止时间"，这段时间内上下桥臂的开关管均处于关断状态。STM32 高级定时器的死区生成电路如图所示：

死区时间的计算公式为：DT = DTR[7:0] × Tck_dts，其中Tck_dts是定时器时钟的分频后的周期。例如，当定时器时钟为 168MHz，分频系数为 4 时，Tck_dts为 23.8ns，若 DTR 寄存器值为 10，则死区时间为 238ns。

死区时间插入：
死区时间（Dead Time）是在互补信号切换时插入的安全间隔，确保一个功率管完全关断后，另一个才开启。STM32通过BDTR寄存器的DTG[7:0]位配置死区时间，计算公式如下：

DTG[7:5]	计算公式	典型时钟=72MHz时的范围
0xx	DT = DTG[7:0] × t<sub>dtg</sub>	0~176ns
10x	DT = (64+DTG[5:0]) × 2t<sub>dtg</sub>	182ns~4372ns
110	DT = (32+DTG[4:0]) × 8t<sub>dtg</sub>	4.3μs~17.1μs
111	DT = (32+DTG[4:0]) × 16t<sub>dtg</sub>	8.6μs~34.2μs

*t_dtg = 1/TIMx_CLK，当TIMx_CLK=72MHz时，t_dtg=13.89ns*

2.2.2 死区时间的工程选择

死区时间过短会导致上下桥臂直通，过长则会增加输出波形的畸变和功率损耗。实际应用中需根据功率器件的特性选择：

功率器件类型	典型死区时间范围	影响死区选择的关键参数	应用场景示例
小功率 MOSFET（<50V）	50-200ns	反向恢复时间（Trr）	无人机电机、小型家电
中功率 IGBT（50-600V）	200-1000ns	关断延迟时间（Toff）	工业电机、逆变器
大功率 IGBT（>600V）	1-5μs	开关时间、杂散电感	新能源汽车、高压变频器

STM32 不同系列定时器的死区时间范围也有所不同，这直接影响了其适用的功率等级：

STM32 型号	死区时间范围	最小死区步进	最大支持功率器件
STM32F103	0-16383×Tck	Tck（72MHz 时 13.8ns）	500V IGBT
STM32F405	0-16383×Tck	Tck（168MHz 时 5.95ns）	1200V IGBT
STM32G474	0-65535×Tck	0.5×Tck（170MHz 时 2.94ns）	3300V IGBT
STM32H743	0-65535×Tck	0.25×Tck（400MHz 时 0.625ns）	6500V IGBT

2.3 互补输出：桥式电路的 "对称舞步"

互补输出功能可同时生成一组 PWM 信号和其反相信号，并在两组信号间插入死区时间，这对桥式逆变器至关重要。

2.3.1 互补输出的硬件结构

STM32 高级定时器的互补输出通常由主通道（如 TIMx_CH1）和互补通道（TIMx_CH1N）组成，其硬件结构确保了两组信号的严格同步：

• 主通道和互补通道共享同一比较寄存器，确保占空比完全对称

• 死区电路同时作用于两组信号，保证安全间隔

• 极性反转功能可独立配置，灵活适应不同功率拓扑

2.3.2 互补输出的波形组合

通过配置极性和死区参数，可生成多种波形组合，适应不同的应用场景：

配置模式	主通道波形	互补通道波形	典型应用
正常互补	高有效 PWM	低有效 PWM（带死区）	三相无刷电机的半桥驱动
同相输出	高有效 PWM	高有效 PWM（带死区）	推挽式功率放大电路
反相输出	高有效 PWM	高有效反相 PWM（带死区）	全桥逆变器

在三相无刷电机驱动中，通常需要 3 组互补输出（共 6 路 PWM），STM32 的高级定时器（如 TIM1）通过内部互联，可轻松实现这一需求。

2.4 刹车功能：系统的 "紧急制动阀"

刹车功能是当检测到故障时，快速关闭 PWM 输出的安全机制，其响应速度直接关系到系统的安全性。

2.4.1 刹车信号的来源与处理

STM32 高级定时器支持多种刹车信号来源：

刹车信号来源	特点	典型应用场景
外部引脚（TIMx_BKIN）	响应速度最快（硬件直接触发）	过流、过压等严重故障
内部比较器	可基于模拟信号阈值触发	电流限幅保护
软件触发	灵活性高，响应稍慢	通信故障、软件异常等

刹车信号的处理方式可通过寄存器配置：

• 立即关闭：所有 PWM 输出立即变为高阻或预定义状态

• 逐步关闭：完成当前 PWM 周期后关闭，避免电流突变

• 锁定模式：关闭后需软件复位才能重新启动，防止故障解除前误启动

2.4.2 刹车响应时间的实测对比

刹车响应时间是指从故障发生到 PWM 输出关闭的时间，这一指标对功率器件保护至关重要。不同 STM32 系列的实测数据如下：

STM32 型号

外部引脚刹车响应时间

内部比较器刹车响应时间