6步PWM互补输出
6步PWM输出是对 F103 的 TIM1 进行配置成PWM输出模式,带刹车和死区功能。按照模块化进行初始化配置。勾选keil中的C99标准(支持任意地方定义变量)。

GPIO初始化

打开相应功能模块时钟,将TIM1 的TIx引脚配置为复用推挽输出模式,BKIN(刹车)引脚配置为浮空输入模式。

通过在头文件进行宏定义配置,在硬件改变的时候方便修改
  1. #define BLDC_TIMx                       TIM1
  2. #define BLDC_TIM_APBxClock_FUN          RCC_APB2PeriphClockCmd
  3. #define BLDC_TIM_CLK                    RCC_APB2Periph_TIM1

  4. #define BLDC_TIM_GPIO_APBxClock_FUN     RCC_APB2PeriphClockCmd
  5. #define BLDC_TIM_GPIO_CLK               (RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB)
  6. #define BLDC_TIM_CH1_PORT               GPIOA
  7. #define BLDC_TIM_CH1_PIN                GPIO_Pin_8   //通道1
  8. #define BLDC_TIM_CH2_PORT               GPIOA      
  9. #define BLDC_TIM_CH2_PIN                GPIO_Pin_9   //通道2
  10. #define BLDC_TIM_CH3_PORT               GPIOA
  11. #define BLDC_TIM_CH3_PIN                GPIO_Pin_10  //通道3

  12. #define BLDC_TIM_CH1N_PORT              GPIOB
  13. #define BLDC_TIM_CH1N_PIN               GPIO_Pin_13  //互补通道1
  14. #define BLDC_TIM_CH2N_PORT              GPIOB
  15. #define BLDC_TIM_CH2N_PIN               GPIO_Pin_14  //互补通道2
  16. #define BLDC_TIM_CH3N_PORT              GPIOB
  17. #define BLDC_TIM_CH3N_PIN               GPIO_Pin_15  //互补通道3

  18. #define BLDC_TIM_BKIN_PORT              GPIOB
  19. #define BLDC_TIM_BKIN_PIN               GPIO_Pin_12  //刹车输入
GPIO初始化函数
  1. static void BLDC_TIMx_GPIO_Config(void)
  2. {
  3.         //GPIO初始化结构体
  4.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  5.    
  6.         //打开GPIOA和GPIOB的时钟和复用功能时钟
  7.         BLDC_TIM_GPIO_APBxClock_FUN(BLDC_TIM_GPIO_CLK|RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

  8.         //通道1引脚配置
  9.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
  10.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH1_PIN;
  11.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;        
  12.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH1_PORT,&GPIO_InitStruct);
  13.         
  14.         //通道2引脚配置
  15.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH2_PIN;
  16.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH2_PORT,&GPIO_InitStruct);
  17.         
  18.         //通道3引脚配置
  19.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH3_PIN;
  20.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH3_PORT,&GPIO_InitStruct);
  21.         
  22.         //互补通道1引脚配置
  23.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH1N_PIN;
  24.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH1N_PORT,&GPIO_InitStruct);
  25.         
  26.         //互补通道2引脚配置
  27.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH2N_PIN;
  28.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH2N_PORT ,&GPIO_InitStruct);
  29.         
  30.         //互补通道3引脚配置
  31.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_CH3N_PIN;;
  32.         GPIO_Init(BLDC_TIM_CH3N_PORT,&GPIO_InitStruct);
  33.         
  34.         //BKIN pin 引脚配置
  35.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=BLDC_TIM_BKIN_PIN;
  36.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  37.         GPIO_Init(BLDC_TIM_BKIN_PORT ,&GPIO_InitStruct);
  38. }

时基初始化

1.png

时基配置

APB2时钟为72Mhz,预分频系数PSC为0,(PSC决定记一次的时间),方便计算

将PWM频率为 f=20khz,故定时器计数周期ARR=72M/(PSC+1)/ f,因为我们预分频系数为0,故 ARR=72M/(0+1)/20k=3600。

通过在h文件宏定义配置这些参数:
  1. //PWM频率
  2. #define BLDC_TIM_PWM_FREQ   20000
  3. // 定时器预分频系数
  4. #define BLDC_TIM_PRESCALER  0
  5. //定时器计数周期
  6. #define BLDC_TIM_PERIOD    (uint16_t)(SystemCoreClock/(BLDC_TIM_PRESCALER+1)/BLDC_TIM_PWM_FREQ)
  7. //定时器重复寄存器数值
  8. #define BLDC_TIM_REPETITIONCOUNTER   0

时基初始化函数
这里需要说明的是 TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision ,时钟分割系数,她实际上配置的是定时器控制寄存器1的 CKD [1:0]。

2.png

她的作用主要在两个方面:

1.死区时间配置,死区时间发生器需要一个死区时钟来计数,她通过内部时钟 CK_INT 分频得来,后面详细讲计算。这里我将CKD配置为00,即不分频,还是72Mhz。

2.当使用外部时钟模式(ETR/TIx)/输入捕获功能时(TIx),如果频率太高需要降频,或者滤波时,需要一个时钟对这些信号进行采样,采样时钟 \(F_{DTS}=CK_{INT}/CKD/N\),N是数字滤波器滤波长度

3.当CKD[1:0]=00,不对CK_INT分频,当CKD[1:0]=01,对CK_INT进行2分频,当CKD[1:0]=10,对CK_INT进行4分频。
  1. static void BLDC_TIMx_TimeBaseInit(void)
  2. {         
  3.         //打开TIM1时钟
  4.         BLDC_TIM_APBxClock_FUN(BLDC_TIM_CLK,ENABLE);
  5.    
  6.         TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;  //时基初始化结构体
  7.   
  8.         /*时基初始化*/
  9.         TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;  //时钟分割为1
  10.         TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;  //向上计数
  11.         TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=BLDC_TIM_PERIOD;  //计数周期
  12.         TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=BLDC_TIM_PRESCALER;  //预分频
  13.         TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter=BLDC_TIM_REPETITIONCOUNTER;  //重复计数器值为0,不重复
  14.         TIM_TimeBaseInit(BLDC_TIMx,&TIM_TimeBaseInitStruct);
  15.    
  16.         //定时器使能预装载功能
  17.         TIM_ARRPreloadConfig(BLDC_TIMx,ENABLE);  //ARR预装载
  18. }

输出比较模式初始化

输出比较模块的功能框图:
3.png
将定时器配置为输出比较模式——PWM1模式。将定时器配置为向上计数模式,当计数器数值小于输出比较寄存器的值时,即TIMx_CNT<TIMx_CCR1,输出有效电平。有效电平的选择通过TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity这个成员配置,我将其配置为高电平有效。
4.png
需要注意的是,TIM_OCInitStruct.TIM_OCIdleState和TIM_OCInitStruct.TIM_OCNIdleState这两个成员是配置引脚空闲状态的,就是关闭定时器时的输出电平,所以在刹车功能有效时(关闭定时器输出),我们不能将同一桥的两个输入都配置为高电平,否则就烧mos了。这里我将两个空闲状态都配置为低电平。

占空比=CCR/ARR
  1. static void BLDC_TIMx_OCInit(void)
  2. {
  3.   TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;  //输出比较初始化结构体

  4.   //输出比较通道1模式配置
  5.   TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;  //TIMx_CNT<TIMx_CCR1,输出有效电平
  6.   TIM_OCInitStruct.TIM_OCIdleState=TIM_OCIdleState_Reset;  //关闭定时器时空闲状态为高电平
  7.   TIM_OCInitStruct.TIM_OCNIdleState=TIM_OCIdleState_Reset;
  8.   TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;   //输出有效电平为高电平
  9.   TIM_OCInitStruct.TIM_OCNPolarity=TIM_OCNPolarity_High;
  10.   TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;     //输出使能
  11.   TIM_OCInitStruct.TIM_OutputNState=TIM_OutputNState_Enable;   //互补通道输出使能
  12.   TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse=0;  //设置占空比,即CCR值,这里不使用,后面用库函数配置
  13.   TIM_OC1Init(BLDC_TIMx ,&TIM_OCInitStruct);

  14.   //输出比较通道2模式配置
  15.   TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse=0;
  16.   TIM_OC2Init(BLDC_TIMx, &TIM_OCInitStruct);

  17.   //输出比较通道3模式配置
  18.   TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse=0;
  19.   TIM_OC3Init(BLDC_TIMx, &TIM_OCInitStruct);

  20.   //输出比较使能预装载功能
  21.   TIM_OC1PreloadConfig(BLDC_TIMx,TIM_OCPreload_Enable);  //CCR1预装载
  22.   TIM_OC2PreloadConfig(BLDC_TIMx,TIM_OCPreload_Enable);  //CCR2预装载
  23.   TIM_OC3PreloadConfig(BLDC_TIMx,TIM_OCPreload_Enable);  //CCR3预装载
  24. }

死区和刹车功能初始化
  1. static void BLDC_TIMx_BDTRInit(void)
  2. {
  3.   TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;  //刹车与死区初始化结构体
  4.   
  5.   //刹车功能初始化,配置断路时通道输出状态,以及死区时间
  6.   /* Automatic Output enable, Break, dead time and lock configuration*/
  7.    
  8.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;//运行模式下“关闭状态”选择
  9.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;//空闲模式下“关闭状态”选择
  10.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1; //锁定设置,防止软件出错,提供写保护
  11.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 10;  //死区时间
  12.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Enable;  //使能刹车功能
  13.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;  //刹车输入极性,高电平有效
  14.   TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Disable;
  15.   TIM_BDTRConfig(BLDC_TIMx, &TIM_BDTRInitStructure);
  16. }

死区时间的计算

关于死区时间的计算,她是在刹车和死区寄存器(TIMx_BDTR)中的UTG[7:0]: 死区发生器设置 (Dead-time generator setup)中进行配置。
5.png
举例说明,假设将成员配置为TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 10;这个成员实际上配置的就是UTG[7:0]的值。

  • 十进制10的二进制表示为00001010,可得DTG[7:5]=000,故死区持续时间DT=DTG[7:0]*Tdtg=10*Tdtg=10*Tdts
  • Tdts由控制寄存器CR1中的CKD决定,前面我们已经分析过,我们将CKD[1:0]=00(即不分频),故Tdts=1/72M
  • 综上,我们可以算出,死区持续时间DT=10/72M≈138.9ns

PWM输出总初始化

  1. static void BLDC_TIMx_PWM_Init(void)
  2. {
  3.   //GPIO初始化  
  4.   BLDC_TIMx_GPIO_Config();  
  5.   //时基初始化
  6.   BLDC_TIMx_TimeBaseInit();
  7.   //输出比较模式初始化
  8.   BLDC_TIMx_OCInit();  
  9.   //死区和刹车功能初始化
  10.   BLDC_TIMx_BDTRInit();  

  11.   //定时器使能
  12.   TIM_Cmd(BLDC_TIMx, ENABLE);

  13.   //PWM输出使能,配置的是BDTR寄存器的MOE位,高级定时器独有。
  14.   TIM_CtrlPWMOutputs(BLDC_TIMx, ENABLE);

  15.   //关闭定时器输出比较
  16.   TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
  17.   TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
  18.   TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
  19.   TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
  20.   TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
  21.   TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
  22.                
  23. }

这样就初始化完毕了。

换相函数

换相函数是要根据霍尔换相时序表编写,按照顺序对给定MOS管PWM信号,这里采用的是H-PWM-L-ON驱动方式,所以上桥CCR按照占空比给定,下桥CCR给定ARR值,让她一直高电平

在头文件中宏定义占空比
  1. //PWM占空比
  2. #define speed_duty 15  //占空比为15/100,注意这里没有除以100,只是定义数值
函数TIM_SetCompareX(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1),配置的就是CCR的值,我们知道占空比=CCR/ARR,所以CCR=ARR*(speed_duty/100)
  1. void BLDC_PHASE_CHANGE(uint8_t uwstep)
  2. {
  3.   switch(uwstep)
  4.         {
  5.           case 6: //B+ C-
  6.                         
  7.                 //输出比较通道1配置
  8.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
  9.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
  10.                
  11.                 //输出比较通道2配置
  12.                 TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  13.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Enable);
  14.                
  15.                 //输出比较通道3配置
  16.                 TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  17.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Enable);
  18.                                                         
  19.           break;
  20.                
  21.          case 2: //B+ A-
  22.                         
  23.                 //输出比较通道3配置
  24.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
  25.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
  26.                
  27.                 //输出比较通道1配置
  28.                 TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  29.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Enable);
  30.                
  31.                 //输出比较通道2配置
  32.                 TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  33.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Enable);
  34.                
  35.           break;
  36.                
  37.          case 3: //C+ A-
  38.                         
  39.                 //输出比较通道2配置
  40.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
  41.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);        
  42.                
  43.                 //输出比较通道1配置
  44.                 TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  45.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Enable);
  46.                
  47.                 //输出比较通道3配置
  48.                 TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  49.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Enable);
  50.                
  51.           break;
  52.                
  53.          case 1: //C+ B-
  54.                         
  55.                 //输出比较通道1配置
  56.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
  57.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
  58.                
  59.                 //输出比较通道2配置
  60.                 TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  61.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Enable);
  62.                
  63.                 //输出比较通道3配置
  64.                 TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  65.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Enable);

  66.           break;
  67.                
  68.          case 5: //A+ B-
  69.                                        
  70.                 //输出比较通道3配置
  71.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
  72.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
  73.                                                 
  74.                 //输出比较通道1配置
  75.                 TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  76.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);
  77.                
  78.                 //输出比较通道2配置
  79.                 TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  80.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Enable);
  81.    
  82.            break;
  83.                
  84.          case 4: //A+ C-
  85.                                 
  86.                 //输出比较通道2配置
  87.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
  88.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
  89.                
  90.                 //输出比较通道1配置
  91.                 TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/100);
  92.                     TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);

  93.                 //输出比较通道3配置
  94.                 TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
  95.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Enable);
  96.                
  97.         break;               
  98.                
  99.      default:  //关闭输出
  100.                         
  101.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
  102.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
  103.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
  104.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
  105.                 TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
  106.                 TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
  107.                
  108.         break;               
  109.         }
  110. }

波形测试
通过逻辑分析仪看MCU输出的六路PWM信号,判断输出逻辑正不正确。我用的是Saleae logic 16.
6.png
7.png
在下桥高电平期间,上桥是占空比为20%的矩形波。
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其中发现下桥高电平期间会出现低电平问题,是因为逻辑分析仪采样问题,在设置为500KS/S时候,低电平时间正好是2us。
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在在设置为1MS/S时候,低电平时间正好是1us.
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而用示波器(只有两路)看的波形则没有这种问题,在此留个小坑,待深入了解一下逻辑分析仪为什么会出现这种问题。
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转载自:BLDC开发笔记2.六步PWM输出 - 懒懒阳光下的午睡 - 博客园 (cnblogs.com)