【江科协-STM32】4. TIM输出比较

1. 输出比较简介

OC(Output Compare)输出比较。

输出比较可以通过CNT（CNT计数器）与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。

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CNT计数器是正向计数器。它只能正向累加。

CCR是捕获/比较寄存器，通常是我们给的一个固定值，正如其名，捕获数值后比较数值，这样就可以捕获CNT的数值并进行比较，看是大了、等于还是小了。

TIM输出比较就是这样来决定置1、置0或翻转输出电平。
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每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道。

高级定时器的前三个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能。

2. 通用定时器

使用输入捕获时，CCR是作为捕获寄存器；使用输出比较时，CCR是作为比较寄存器。

3. PWM简介

PWM（Pulse Width Modulation）是脉冲宽度调制。

在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速等领域。

PWM参数：

• 频率 $=\frac{1}{T_s}$
• 占空比 = $\frac{T_{on}}{T_s}$
• 分辨率 = 占空比变化步距

当上面电平时间长一点，下面的短一点的时候，上面的模拟量占主导；反之则是下面的模拟量占主导。

$T_{on}$是高电平的时间，$T_S$是一个时钟周期的时间。$\frac{T_{o}n}{T_S}$为占空比，指的是高电平时间占整个周期的比例。用百分比表示。

占空比决定了等效的模拟电压的大小。占空比越大，等效的模拟电压就趋近于高电平；越小，等效的模拟电压就趋近于低电平。

电机工作也是一个惯性系统。所以直流电机也是可以用PWM调速的。

下图是

输入是CNT（CNT计数器）与CCR寄存器值的关系，输出是REF的高低电平。

4. 输出比较模式

模式	描述
冻结	CNT=CCR时，REF保持为原状态（可用于定速巡航）
匹配时置有效电平	CNT=CCR时，REF置有效电平
匹配时置无效电平	CNT=CCR时，REF置无效电平
匹配时电平翻转	CNT=CCR时，REF电平翻转
强制为无效电平	CNT与CCR无效，REF强制为无效电平（可用于暂停波形输出）
强制为有效电平	CNT与CCR无效，REF强制为有效电平（可用于暂停波形输出）
PWM模式1	向上计数：CNT<CCR时，REF置有效电平, CN>=CCR时，REF置无效电平;向下计数：CNT>CCR时，REF置无效电平, CN<=CCR时，REF置有效电平
PWM模式2	向下计数：CNT<CCR时，REF置无效电平, CN>=CCR时，REF置有效电平;向下计数：CNT>CCR时，REF置有效电平, CN<=CCR时，REF置无效电平

改变PWM模式1和2，只是改变了REF电平的极性。使用PWM1的正极性和PWM2的反极性是一样的效果。

5. PWM基本结构

蓝色线是CNT的值，黄色线是ARR的值，蓝色线从0开始自增，一直增到ARR，也就是99，之后清零继续自增。

红色线就是CCR，是我们预设的值。绿色线是电平大小。

当CNT<CCR时，置高电平；CNT>=CCR时，置低电平。CNT溢出时，清零，重新置高电平。

进一步分析，我们发现，电平的占空比是受CCR的值影响的。如果我们的CCR设置的低一些，占空比就小一些；如果CCR设置的高一些，占空比就大一些。

REF是一个频率可调，占空比也可调的PWM波形。最终经过极性选择、输出使能，通向GPIO口。

6. 参数计算

我们回到节5的图。

• PWM频率：$Freq=C{K}_{P}SC/(PSC+1)/(ARR+1)$
• 占空比：$Duty=CCR/(ARR+1)$
• 占空比变化步距：$DutyStep=1/(ARR+1)$

我们按高电平第一次回落的点算，此时占空比为 $30 /(99+1) \times 100 % = 30% $

CCR的范围取决于ARR，因为CCR去到和ARR差不多甚至相等的时候，占空比就是百分之百，这样便失去了意义。所以CCR需要始终小于ARR。

变化步距是越小越好的，CCR越大越好。这样代表其变化越细腻。

7. 输出比较通道（高级）

为了更好地切换MOS管开关状态，有了死区生成电路。

8. 舵机简介

舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置。

输入PWM信号要求：周期为20ms，高电平宽度为0.5ms-2.5ms。

PWM在此图中是当一个通信协议来用。

9. 舵机硬件电路

PWM信号线直接接到STM32引脚上就可以，比如PA0。舵机内部有驱动电路。

10. 直流电机及驱动简介

直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，有两个电极，当电极正接时，电机正转，当电极反接时，电机反转。

直流电机属于大功率器件，GPIO口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作。

TB6612是一款双路H桥（一路四个开关管）型的直流电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机并且控制其转速及方向。

ULN2003则一路只有一个开关管，只能控制电机在一个方向转。

右边的电路即是H桥电路的基本结构，它是由两路推挽电路组成的。上管导通，下管断开，左边输出就是接在VM的电机电源正极。下管导通，上管断开，那就是PGND的电源负极。

如果有两路推挽电路，中间O1和O2接一个电机，左上右下导通，电流就是从左流向右边；右上和左下导通，电流方向就反过来，从右流向左。H桥可以控制电流流过的方向，从而控制电机正反转。

11. 电机硬件电路

左边就是这个电机驱动模块的硬件电路。

右下角的表中，输入是IN1、IN2、PWM和STBY。STBY低电平就待机，高电平就正常工作。右边是输出，O1、O2和模式状态。有电压差电机才会转，否则就是制动状态。此外还有正反转状态之分，取决于O1和O2的高低电平相对状态。

要接一个可以输出大电流的电源.

VM是驱动电压输入端，输入电压一般和额定电压保持一致。

VCC不需要大功率，可以和控制器共用一个电源。

GND接系统的负极。随便一个GND就可以。

AO1和AO2是A路的两个输出，其控制端是上面的PWMA、AIN2、AIN1。

PWMA引脚接PWM的信号输出端，其他两个引脚可以任意接两个普通的GPIO口。

三个引脚给一个低功率的控制信号，驱动电路就会从VM汲取电流，输出到电机。从而就能完成低功率控制大功率电路的目的。

BO1和BO2是B路的两个输出，其控制端是上面的PWMB、BIN2、BIN1。

STBY如果不需要待机模式的话，可以直接接VCC(3.3V)。