STM32CubeMX教程---通用定时器_PWM_舵机角度控制

实验摘要：

通过舵机的角度控制，示范通用定时器如何输出PWM信号（周期20ms, 脉宽0.5ms~2.5ms);

一、舵机速读

二、舵机如何控制角度

[三、CubeMX配置（TIM时基、PWM周期）](#三、CubeMX配置（TIM时基、PWM周期）)

[四、Keil编写代码（启动TIM、输出PWM、改变PWM脉宽）](#四、Keil编写代码（启动TIM、输出PWM、改变PWM脉宽）)

五、角度控制-封装成函数

一、舵机

本篇测试所用：MG996R 、 MG995，均为180°舵机。

1、舵机的分类

① 按旋转角度分类：

180°舵机：能给定角度、转速固定。在0°~180°之间运动，超过范围，轻则齿轮打坏，重则烧坏内部电路.
360°舵机：360度转动,、转速能控制。但不能控制角度。

② 按控制信号分类：

模拟舵机：持续提供PWM信号才能固定角度。优点：便宜。
数字舵机：只要给一次PWM信号就能固定角度。优点：高精度、响应快、抖动小、大扭矩。

2、舵机的重要参数

最大扭矩：如上面的MG996, 最大扭矩: 13KG/cm. 这个是在舵机堵转时测得的, 即距离轴中心1cm处能挂起的重量.
工作电压：如常用的3.0V~7.2V, 接入电压不同, 所能产生的工作扭矩自然不同. 直接影响角度固定力。

3、引脚接线说明

红色：供电；电流比较大，建议独立供电; 小舵机在测试时可以开发板上取电；
粽色：地线；如果独立供电，必须与SMT32控制芯片共地(GND互接)；
橙色：PWM信号线；接芯片TIM_CH引脚(PWM输出通道)，本篇使用TIM2_CH1，即PA0；

二、舵机如何控制角度

本篇使用舵机型号：MG996R，180度、模拟舵机。

1、原理简述

舵机的角度控制使用PWM信号，它让舵机内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，当电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。

人话：按舵机的要示，发送特定的PWM信号，就能控制舵臂旋转到指定位置。

2、PWM信号、角度

舵机接收的PWM信号频率为50HZ，即周期为20ms。当高电平的脉宽在0.5ms-2.5ms之间时舵机就可以对应旋转到不同的角度。

为了更好地理解其信号，和编写代码，把PWM信号的关键点描述成：

每个时钟步长： 1us
PWM信号周期： 20000us (20000个时钟)
舵臂0度时，脉宽： 500us (500个时钟)
舵臂180度时, 脉宽： 2500us （2500个时钟)
每增加1 °，增加脉宽：(2500-500)÷180 = 11.1us (即每1度的比例系数)
某角度值A，脉宽公式：(A x11.1 +500)us

特别地说明：把时钟步长、周期时长、脉宽时长, 者转换为us值, 能便于理解和编写代码。

三、CubeMX配置（TIM时基、PWM周期）

1、TIM的配置

2、引脚的使用

四、Keil编写代码（启动TIM、输出PWM、改变PWM脉宽）

1、初始化

2、改变周期的脉宽

五、角度控制-封装成函数

实验目标：

1：通过CUbeMX+HAL，配置通用定时器 TIM2，产生舵机PWM信号(周期20ms，初始化占空比);

2：通过调用HAL库函数，控制舵机转动 (修改占空比值）;

3：设计角度控制函数，调用函数即可实现舵臂旋转至指定角度（0°:500us ~180°:2500us）。

// 舵机1#配置角度
// 【可选参数】 [angle]0.0°~180.0°;
void AnalogServo_1_Angle(float angle)
{
    u16 ccr_1=0;
    xServo.angleNow_1 = angle;
    if(xServo.angleNow_1>180)    xServo.angleNow_1 =180;                    // 限制最大值, 防止出错
    if(xServo.angleNow_1<  0)    xServo.angleNow_1 =2;                      // 限制最小值, 防止出错
    
    ccr_1 = xServo.angleNow_1*11.11 +500;                                   // 把角度值, 换算成CCR值
    TIM_SetCCR(SERVO_1_TIM_PORT, SERVO_1_TIM_CH, ccr_1);                    // 配置TIMx的CCR寄存器值   
}


// 控制TIMx的CCRx的值;【可选参数】 [TIMx]TIM1~8, [CHx]1~4, [CCR]0~65535;
void TIM_SetCCR(TIM_TypeDef* TIMx, u8 CHx, u16 CCR) 
{    
    if(CHx==1)    TIMx->CCR1 = CCR;
    if(CHx==2)    TIMx->CCR2 = CCR;
    if(CHx==3)    TIMx->CCR3 = CCR;
    if(CHx==4)    TIMx->CCR4 = CCR;        
}

一、常用型号的TIM时钟频率

1. STM32F103系列：

所有 TIM 的时钟频率都是72MHz；
F103C8不带基本定时器，F103RC及以上才带基本定时器。

2、STM32F407系列：

TIM1、8、9、10、11的时钟频率是168MHz；
其它TIM的时钟频率是84MHz。

二、CubeMX配置

这里使用现有的CubeMX工程，略过工程配置部分。

如果学习如何新建CubeMX工程, 可以参考下面文章：

STM32CubeMX新建一个工程_STM32F103

STM32CubeMX新建一个工程_STM32F407

使用CubeMX对定时器进行定时配置，过程相当简单便捷。

我们只需配置几个重要参数：时钟源、PSC、ARR、中断。

1、主要参数配置

主要参数讲解：

① Prescaler（预分频系数）：即PSC寄存器值。简单地理解：内部时钟分频后再给CNT计数器使用，用于控制每一计数脉冲的时长。按上文内容得知，STM32F407的TIM1时钟是168M，在设置预分频为168后，计数脉冲频率：168MHz÷168=1MHz，即每秒产生1百万个计数信号，每个计数脉冲的时长：1秒/1M=1us。

② Counter Mode (计数方向): 向上计数;

③ Counter Period (计数周期): 即ARR寄存器值，多少个计数脉冲作为1个波形周期。

④ Repetition Counter(重复计数器): 简单地理解，多少个周期才触发1次中断;

⑤ auto-reload preload(自动重载值的预装载): 当改变周期值ARR时，是否等到下一个更新事件再写入数值，使得数值的更改不影响执行中的波形。

2、打开中断

高级定时器，和通用定时器不同，即使没有使能通道，也有多种中断。

本篇只使用了周期更新中断，如下图, 打勾: update interrupt (更新中断) 。

当计数器(CNT)的值，达到周期值(ARR)时，就会触发中断。

注意：打勾中断后，生成的代码，只是帮我们添加了中断的配置; 而中断的开启，需要使用代码"手动"开启。

三、编写代码

代码共为3部分：初始化配置、开启TIM、中断回调函数。

1、初始化配置

CubeMX根据我们的配置，已生成好了初始化代码，我们不用管它。

如果想查看它的初始化实现过程，可以双击 "tim.c"。

2、开启TIM、中断

谨记一个，当我们使用CubeMX配置外设功能时，它只是根据参数的配置生成初始化代码（即上面的第1步），而不会主动开启外设功能，特别是中断的开启，如TIM、ADC、UART等。

所以，我们需要在main.c中，"手动"开启TIM1。

如下图，在while前，添加：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);

调用HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1)后，TIM1就会开始工作。

下面是它的工作原理，硬件自动运行，不用干预，我们只需大概地知道工作过程、原理：

① TIM会自动检测脉冲信号，每来一个脉冲，计数器CNT就会硬件自动加1。

② 当寄存器CNT的计数值==设定的自动重装载值ARR，就会产生溢出中断。

③ 发生溢出中断时，CNT值被硬件置0，开始新一轮计数; 硬件自动找寻中断服务函数入口。

使用CubeMX生成的HAL代码，我们不需要像使用标准库时那样自己编写中断函数，CubeMX已帮我们整理好中断函数的跳转，只需要重写中断回调函数。

3、重写TIM1的中断回调函数

按上面CubeMX的配置，我们使用了周期中断(计数器CNT溢出)，当中断触发时，硬件会自动调用相关的中断服务函数，而中断服务函数里，CubeMX的工程会调用回调函数：

HAL_TIM_PeriodElapsedCallback();

即：即1周期结束，硬件自动调用中断服务函数，继而调用回调函数，我们无需干预。

我们只需在工程中任意一个c文件里编写这个回调函数。

习惯上，会在main.c的尾部编写这个函数。

如下图，我们在main.c的注释行 /* USER CODE BEGIN 4 */ 下面编写它。

如果工程中已有这个函数，我们只需在函数内增加TIM2的判断部分;

如果工程中没有这个函数，增加即可。

注意：所有TIM的计数器溢出中断(即1周期结束), 都会统一调用它。

在这个回调函数中，我们执行的动作是：每1000ms, 反转PB2电平(LED）。

如果你的开发板上，PB2引脚接的是 LED, 而且也初始化成输出模式，它就会每1秒闪烁1次。

4、优化思路：

上述操作，将会每1s进入1000次中断，当发现变量cnt累加到1000后，才反转LED。

频繁地出入中断，大大地浪费着芯片运行资源。本篇如此设计，仅为了直观地展示和理解。

我们在设计时，应该尽量地节省运行资源。

上面的定时操作，有多种优化的方法：

方法1：原参数不改，重复计数器Repetition Counter改为1000, 即1000个周期才产生1次中断;

方法2：psc改为16800(脉冲0.0001s)，ARR改为10000(1万个脉冲组成1周期)

然后，修改回调函数，取消计数判断那部分。

这样修改后，将会每1s进入1次中断，调用回调函数1次，能有效地节省运行资源。

STM32CubeMX教程---通用定时器_PWM_舵机角度控制

一、舵机

二、舵机如何控制角度

三、CubeMX配置 （TIM时基、PWM周期）

四、Keil编写代码 （启动TIM、输出PWM、改变PWM脉宽）

五、角度控制-封装成函数

一、常用型号的TIM时钟频率

二、CubeMX配置

三、编写代码

三、CubeMX配置（TIM时基、PWM周期）

四、Keil编写代码（启动TIM、输出PWM、改变PWM脉宽）