做挂件的网站,微信公众平台怎么登录,本地南通网站建设,网站建设应用权限文章目录 前言一、TIM输出比较简介二、PWM简介2.1 PWM基本概念2.2 PWM参数2.3 PWM波形2.4 PWM基本结构2.5 PWM参数计算 三、舵机简介3.1 舵机的工作原理3.2 输入PWM信号的要求3.3 硬件电路 四、直流电机及驱动简介4.1 直流电机4.2 TB6612电机驱动芯片 前言
提示#xff1a;本… 文章目录 前言一、TIM输出比较简介二、PWM简介2.1 PWM基本概念2.2 PWM参数2.3 PWM波形2.4 PWM基本结构2.5 PWM参数计算 三、舵机简介3.1 舵机的工作原理3.2 输入PWM信号的要求3.3 硬件电路 四、直流电机及驱动简介4.1 直流电机4.2 TB6612电机驱动芯片 前言
提示本文主要用作在学习江科大自化协STM32入门教程后做的归纳总结笔记旨在学习记录如有侵权请联系作者
本文主要探讨STM32定时器的输出比较功能。它主要是用来输出PWM波形的PWM波形又是驱动电机的必要条件我们可以利用这一特性做一些电机相关的项目比如智能车、机器人等。 一、TIM输出比较简介
输出比较它的英文是OC全称是Output Compare直译就是输出比较的意思另外还有IC全称是Input Capture意为输入捕获。还有CC全称为Capture/Compare一般表示的是输入捕获和输出比较的单元。输出比较可以通过比较CNT计数器与CCR捕获/比较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波形这就是输出比较模块最主要的功能。
每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较的通道可以同时输出4路PWM波形并且高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成电路和互补输出的功能用于驱动三相无刷电机。4个输出比较通道都有独立的CCR寄存器但是它们共用同一个CNT计数器。 二、PWM简介
2.1 PWM基本概念
PWMPulse Width Modulation即脉冲宽度调制。PWM波形是一个数字输出信号是由高低电平组成的是一种对模拟电平信号进行数字编码的方法。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。也就是说使用PWM波形可以用来等效地实现一个模拟信号的输出。
以LED呼吸灯为例按理来说LED只能有完全亮和完全灭两种状态怎么来实现控制亮度大小呢那通过这个PWM波形就能实现。我们可以让LED不断点亮、熄灭、点亮、熄灭。当点亮、熄灭的频率足够大时由于LED的余晖和人眼的视觉暂留效应LED就会呈现出一个中等亮度当调控点亮和熄灭的时间比例时就能让LED呈现出不同的亮度级别这就是通过控制PWM输出频率以及占空比实现LED呼吸灯的原理。对于电机调速也是一样的我们以一个很快的频率给电机通电、断电、通电、断电那么电机的速度就能维持在一个中等速度这就是PWM的基本思想。
使用PWM波形就可以在数字系统等效输出模拟量就能实现LED控制亮度、电机控速等功能了。PWM的秘诀就是天下武功唯快不破注意只有在具有惯性的系统中才能用PWM对模拟信号进行编码
如下图所示高低电平跳变的数字信号可以被等效地表示为中间虚线所表示的模拟量。当上面电平时间长一点下面电平短一点的时候等效的模拟量就偏向于上面。当下面电平时间长一点上面电平时间短一点的时候等效的模拟量就偏向于下面。也就是说占空比越大等效的模拟量就越趋近于数字量的高电平。占空比越小等效的模拟量就越趋近于数字量的低电平且这个等效关系一般而言是线性一一对应的。 2.2 PWM参数
如下图所示Ts代表一个高低电平变换周期的时间。 在使用PWM对模拟量进行编码时以下三个参数尤其重要
频率 f 1 / Ts周期的倒数就是频率PWM的频率越快它等效模拟的信号就越平稳不过同时性能开销就越大一般来说PWM的频率在几KHz到几十KHz之间。
占空比q Ton / Ts( Ton是高电平的时间Ts是一个周期的时间。q就是高电平时间相对于整个周期时间的比例占空比决定了PWM等效出的模拟电压的大小。一般用百分比表示。
分辨率占空比的变化步距。分辨率就是占空比变化的精细程度比如占空比变化为1%、1.1%、1,2%、1.3%这样子那分辨率就是0.1%。
2.3 PWM波形
接下来我们就来分析一下定时器的输出比较模块是怎么来输出PWM波形的。下图红圈位置就是通用定时器的输出比较部分电路左边就是CNT计数器和CCR1比较的结果然后经过红圈位置的输出比较电路最后通过TIMx_CH1输出到GPIO引脚上。然后下面还有三个同样的单元分别输出到TIMx_CH2、TIMx_CH3以及TIMx_CH4。 那我们重点来看一下输出比较部分电路如下所示就是通用定时器的输出比较部分电路。 如上图所示左边是CNT计数器和CCR1第一路的捕获/比较寄存器它俩进行比较。当CNT CCR1或者CNT CCR1时就会给这个输出模式控制器传递一个信号然后输出模式控制器就会改变它输出oc1REF的高低电平。接着这个REF信号可以前往主模式控制器你可以把这个REF映射到主模式的TRGO输出上去不过REF的主要去向还是下面这一路通过下面这一路到达极性选择。给这个极性选择寄存器写0信号就会往上走就是信号电平不翻转进来是什么样出去还是什么样。写1的话信号就会往下走就是信号通过一个非门取反那输出的信号就是输入信号高低电平反转的信号这就是极性选择就是选择是不是要把高低电平反转一下。那接着就是输出使能电路了选择要不要输出。最后就是OC1引脚这个引脚就是CH1通道的引脚在引脚定义表里就可以知道具体是哪个GPIO口了。
接下来我们还需要看一下这个输出模式控制器它具体是怎么工作的呢什么时候给REF高电平什么时候给低电平呢我们来看一下下面这个表这就是输出比较的8种模式也就是这个输出模式控制器里面的执行逻辑。 这个模式控制器的输入是CNT和CCR的大小关系输出是REF的高低电平里面可以选择多种模式来更加灵活地控制REF输出。这个模块可以通过寄存器来配置。这个有效电平和无效电平为了方便理解可以直接认为有效电平就是高电平无效电平是低电平。一般我们使用比较多的是PWM1模式、向上计数。
2.4 PWM基本结构
以PWM模式1、向上计数模式为例PWM波形产生原理输出PWM的基本结构如下图所示 如图右上角所示假如ARR的值为99CCR为30。CNT计数器从0开始自增当CNT CCR时REF置有效电平当CNT CCR时REF置无效电平当CNT自增至99然后清零又开始下一个周期。下面对应的绿色线就是实际的REF输出的电平信号可以看到REF的输出电平信号占空比是受到CCR值影响的。如果CCR设置大一些输出的占空比就大一点反之就小一点这就是PWM模式的工作流程。这里的REF就是一个频率可调占空比也可调的PWM波形再经过极性选择输出使能最终通向GPIO口这样就能完成PWM波形的输出了。
那接下来我们就来看一下PWM的参数是如何计算的吧。
2.5 PWM参数计算 其中假设CCR为30ARR为99。
PWM频率 即计数器的更新频率 Freq CK_PSC / (PSC 1) / (ARR 1)PWM占空比 Duty CCR / (ARR 1)PWM分辨率 Reso 1 / (ARR 1)
三、舵机简介
3.1 舵机的工作原理
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。它有三根输入线其中两根是电源线一根是PWM信号输入线。白色输出轴会固定在一个指定的角度不动固定的位置是由信号线的PWM信号来决定的这就是舵机的工作方式。 从上边右图中可以看出舵机其实并不是一种单独的电机可以发现它是由一个直流电机、一个减速齿轮组、一个电位器电压编码器和一个控制板组成的整体。舵机并不是一种单独的电机它的内部是由直流电机驱动的内部的控制电路板是一个电机的控制系统整个舵机内部形成了一个闭环的控制系统。
大概得执行逻辑是PWM信号输入到控制板给控制板一个指定的目标角度然后这个电位器检测输出轴的当前角度如果大于目标角度电机就会反转如果小于目标角度电机就会正转最终使输出轴固定在指定的角度这就是舵机的内部工作流程。
简而言之输入一个PWM波形输出轴固定在一个角度。
3.2 输入PWM信号的要求
舵机对输入的PWM信号的要求如下周期为20ms对应频率为50Hz高电平宽度为0.5 ~ 2.5ms占空比取值范围对应的输出角度如下所示。那如何理解在STM32中周期为20ms对应的频率就是50Hz呢
首先需要明确PWM脉冲宽度调制的频率是指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数。换句话说频率表示的是单位时间内PWM周期的重复次数。因此如果PWM的周期为20ms那么在一秒钟1000ms内这样的周期会重复出现50次即频率为50Hz。这是因为1秒除以每个周期的时间20ms等于50所以周期为20ms的PWM信号对应的频率就是50Hz。频率的计算公式为f 1 / Ts其中Ts单位为秒 3.3 硬件电路 上图所示是舵机的引脚定义图在舵机上有三根线分别是黑电源负极GND、红电源正极5V、黄PWM信号线。 如上所示为舵机电路图在实际应用中GND就接GND电源5V是电机的驱动电源一般电机都是大功率设备驱动电源也必须是大功率的输出设备我们可以直接从STLINK的5v输出脚引一根线使用USB的5V供电信号线PWM就直接接到STM32任意一个GPIO引脚上就行了PWM只是一个通信线是不需要大功率的。
四、直流电机及驱动简介
4.1 直流电机 上图所示的电机是130直流电机直流电机是一种将电能转换为机械能的装置。它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。注意直流电机是一个单独的电机里面是没有驱动电路的所以我们就要外挂一个驱动电路来控制。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本次我们将使用TB6612电机驱动芯片来驱动电机
4.2 TB6612电机驱动芯片 TB6612是一款双路H桥型的直流电机驱动芯片其中有两个驱动电路可以独立地驱动两个直流电机并且控制其转速和方向。如上左图是电机驱动板芯片是TB6612外围电路只需三个滤波电容就行了。如上右图是H桥电路的基本结构是由两路推挽电路组成的。比如左边上管导通下管断开那左边输出就是接在VM的电机电源正极。下管导通上管断开那就是接在PGND的电源负极。如果有两路推挽电路中间接一个电机左上和右下导通电流就是从左流向右右上和左下导通电流的方向就反过来从右边流向左边H桥可以控制电流流过的方向所以它能控制电机的正反转。
TB6612电机驱动模块的连接电路图和引脚定义图如下所示 VM就是电机电源的正极。和舵机的电源要求是一样的要接一个可以输出大电流的电源电压和电机的额定电压保持一致比如是5v的电机就接5v电压。VCC是逻辑电平输入端一般和控制器的电源保持一致。比如使用STM32是3.3v的器件就接3.3v。GND直接接系统的负极就行。AO1、AO2、BO1、BO2是两路电机的输出可以分别接两个电机。AO1和AO2就是A路的两个输出它的控制端是上面的三个PWMA、AIN1和AIN2。这三个引脚控制下面的A路电机对应关系如上图的灰色填充其中PWMA引脚要接PWM信号输出端AIN1和AIN2引脚可以任意接两个普通的GPIO口。这三个引脚给一个低功率的控制信号驱动电路就会从VM汲取电流来输出到电机这样就能完成低功率的控制信号控制大功率设备的目的。同理右边的BO1及BO2也是一样的道理。STBY引脚意为StandBy为待机控制引脚。如果接GND芯片就不工作处于待机状态。如果接到逻辑高电平VCC3.3V芯片就正常工作。如果不需要待机模式的话可以直接接VCC 3.3v如果需要控制可以接入任意一个GPIO口给高低电平就可以进行控制。
我们以A路驱动电路为例那PWMA、AIN1、AIN2这三个引脚是怎么控制正反转和速度的呢我们先来看一下下面这个表。 在这里如果IN1和IN2都接高电平两个输出O1、O2就都为低电平。这样两个输出没有电压差电机是不会转的。如果IN1和IN2都接低电平输出直接关闭这样电机也是不会转的。
假如说IN1给低电平IN2给高电平那转还是不转就取决于PWM了。如果PWM给高电平那输出就是一低一高这时候电机反转。如果PWM给低电平那两个输出都是电平电机就不转了。
总结一下就是IN1给低、IN2给高。PWM高转低不转。如果PWM是一个不断翻转的电平信号那电机不就是快速地反转、停止、反转、停止了吗如果PWM频率足够快那电机就可以持续稳定地反转了并且速度取决于PWM信号的占空比这就是反转的工作流程。这里讲的PWM就是我们之前讲过的使用PWM来等效一个模拟量的功能了。正转的道理也是一样的这里就不再累述了。
