STM32控制舵机完全指南：从原理到实战（适合小白入门）

阿牛的药铺

于 2025-07-02 18:12:49 发布

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分类专栏： STM32裸机开发文章标签： stm32 嵌入式硬件单片机

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STM32控制舵机完全指南：从原理到实战

一、舵机基础原理

1.1 舵机是什么？

舵机（Servo Motor）是一种位置伺服驱动器，它可以根据控制信号精确地旋转到特定角度并保持在该位置。舵机内部包含直流电机、减速齿轮组、控制电路和电位器（用于检测当前角度）。

1.2 舵机如何工作？

舵机通过接收PWM（脉冲宽度调制）信号来控制角度。这个信号有三个关键特征：

频率固定：通常为50Hz（周期20ms）
脉宽可变：高电平持续时间在0.5ms-2.5ms之间变化
脉宽与角度对应：
- 0.5ms → 0度
- 1.5ms → 90度
- 2.5ms → 180度

二、硬件准备与连接

2.1 所需材料

STM32开发板（如STM32F103C8T6）
舵机（常见SG90）
杜邦线若干
5V电源（注意：STM32的3.3V可能无法驱动舵机）

2.2 接线方式

舵机线缆	颜色	STM32连接点
红色	电源+	5V电源
棕色	地线	GND
黄色	信号线	PWM输出引脚（如PA6）

重要提示：

当驱动多个舵机时，建议使用外部电源供电
确保共地（STM32与舵机电源地连接在一起）

三、STM32 PWM配置

3.1 PWM基础概念

PWM（脉冲宽度调制）是控制舵机的核心技术。STM32的定时器可以生成精确的PWM信号：

ARR（自动重装载值）：决定PWM周期
CCR（捕获/比较值）：决定脉冲宽度（占空比）

3.2 CubeMX配置步骤

打开STM32CubeMX，选择对应芯片
配置时钟树，确保定时器时钟正确（如72MHz）
选择定时器（如TIM3）和通道（如CH1）
设置模式为"PWM Generation CH1"
参数设置：
- Prescaler（分频系数）：71
- Counter Period（ARR）：1999
- Pulse（初始CCR）：150（对应1.5ms）

3.3 关键代码解析

PWM初始化代码（以TIM3通道1为例）：

// PWM初始化函数
void PWM_Init(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. GPIO配置
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 3. 定时器基础配置
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;  // 72MHz/72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 20000 - 1; // 20ms周期
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct);
    
    // 4. PWM通道配置
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct);
    
    // 5. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

四、舵机控制实战

4.1 角度控制函数

将PWM脉宽转换为角度控制：

// 设置舵机角度（0-180度）
void Servo_SetAngle(float angle) {
    // 角度转换为CCR值：500(0°) ~ 2500(180°)
    uint16_t pulse = (angle / 180) * 2000 + 500;
    TIM_SetCompare1(TIM3, pulse);  // 更新CCR值
}

4.2 主程序示例

#include "stm32f10x.h"
#include "pwm.h"
#include "delay.h"

int main(void) {
    Delay_Init();
    PWM_Init();
    
    while(1) {
        // 0° → 90° → 180°循环
        Servo_SetAngle(0);
        Delay_ms(1000);
        
        Servo_SetAngle(90);
        Delay_ms(1000);
        
        Servo_SetAngle(180);
        Delay_ms(1000);
    }
}

4.3 按键控制进阶版

通过按键控制角度增减：

uint8_t key = KEY_GetNum();
if(key == 1) {  // KEY1按下
    angle += 30;
    if(angle > 180) angle = 0;
    Servo_SetAngle(angle);
    OLED_ShowNum(1, 7, angle, 3);  // 显示当前角度
}

五、常见问题与调试技巧

5.1 舵机不转动

检查步骤：

确认电源电压≥4.8V
检查信号线连接是否正确
用示波器测量PWM波形
检查代码中定时器和GPIO配置

5.2 舵机抖动或不稳定

解决方案：

增加电源滤波电容（如100μF）
确保电源电流足够（单个舵机约需300mA）
检查PWM信号是否稳定

5.3 角度不准确

校准方法：

// 实际测试后调整公式
void Servo_Calibrate(float angle) {
    // 自定义校准参数
    uint16_t pulse = (angle / 180) * 1800 + 600;  // 根据实测调整
    TIM_SetCompare1(TIM3, pulse);
}

六、项目扩展

6.1 多舵机控制

STM32的单个定时器可以同时控制4路舵机（通用定时器）：

// 初始化TIM3的4个通道
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct);  // CH1
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct);  // CH2
// ...其他通道类似

6.2 机械臂控制实例

6自由度机械臂控制：

void RoboticArm_Control(float angles[6]) {
    Servo_SetAngle(0, angles[0]);  // 底座
    Servo_SetAngle(1, angles[1]);  // 肩部
    Servo_SetAngle(2, angles[2]);  // 肘部
    // ...其他关节
}

6.3 使用中断优化

通过定时器中断实现平滑运动：

void TIM3_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update)) {
        static uint8_t step = 0;
        float target_angle = 90 + 30 * sin(step++ * 0.1);
        Servo_SetAngle(target_angle);
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}