STM32 定时器(主从模式实现 3路PWM相位差)

GodKK老神灭2025-08-20 22:31

🔧 ​一、硬件配置（以TIM1为主，TIM2/TIM3/TIM4为从）​​

​1. 主定时器（TIM1）配置
cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"

// 全局配置
#define PWM_PERIOD 999      // ARR值（72MHz/(999+1)=72kHz）
#define DUTY_CYCLE 500      // 统一占空比50%（固定值）
#define PHASE_OFFSET_1 0    // TIM2相位偏移（0°）
#define PHASE_OFFSET_2 333  // TIM3相位偏移（120°）
#define PHASE_OFFSET_3 666  // TIM4相位偏移（240°）

// 主定时器TIM1配置（触发源）
void TIM1_MasterConfig(void) 
{
    // 1. 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_GPIOA |     RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 2. 配置PA9为复用推挽输出（TIM1_CH2）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 初始化TIM1时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;
    TIM_BaseStruct.TIM_Period =DUTY_CYCLE;
    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_BaseStruct);

    // 4. 配置TIM1通道2为PWM模式（触发源）
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 500;  // 初始占空比50%
    TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCStruct);

    // 5. 设置TIM1的触发输出（OC2Ref作为触发源）
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM1, TIM_TRGOSource_OC2Ref); // 关键配置
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);  // 高级定时器需使能主输出
}
​2. 从定时器配置（TIM2/TIM3/TIM4）​​
cpp 复制代码 
// 从定时器TIM2配置（0°相位）
void TIM2_SlaveConfig(void) 
{
    // 1. 开启时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置PA0为复用推挽输出（TIM2_CH1）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 初始化TIM2时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;
    TIM_BaseStruct.TIM_Period = DUTY_CYCLE;
    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_BaseStruct);

    // 4. 配置TIM2为从模式（由ITR1触发，即TIM1的触发信号）
    TIM_SelectInputTrigger(TIM2, TIM_TS_ITR1);  // ITR1对应TIM1
    TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset);

    // 5. 配置TIM2通道1为PWM模式
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = PHASE_DELAY_1;  // 相位偏移量
    TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCStruct);

    // 6. 设置初始相位偏移
    TIM_SetCounter(TIM2, PHASE_OFFSET_1); // 计数器初始值=相位偏移量
}

// 从定时器TIM3配置（120°相位）
void TIM3_SlaveConfig(void) 
{
      // 1. 开启时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置PA6为复用推挽输出（TIM3_CH1）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 初始化TIM3时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;
    TIM_BaseStruct.TIM_Period = DUTY_CYCLE;
    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_BaseStruct);

    // 4. 配置TIM3为从模式（由ITR1触发）
    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1);  // ITR1对应TIM1
    TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);

    // 5. 配置TIM3通道1为PWM模式
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = PHASE_DELAY_2;  // 120°相位偏移
    TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCStruct);

    // 6. 设置初始相位偏移
    TIM_SetCounter(TIM3, PHASE_OFFSET_2); // 计数器初始值=相位偏移量
}

// 新增：从定时器TIM4配置（240°相位）
void TIM4_SlaveConfig(void) 
{
     // 1. 开启时钟（TIM4在APB1总线）
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // TIM4_CH1对应PB6

    // 2. 配置PB6为复用推挽输出（TIM4_CH1）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;          // PB6 = TIM4_CH1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;    // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);             // 初始化GPIOB

    // 3. 初始化TIM4时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;
    TIM_BaseStruct.TIM_Period = DUTY_CYCLE;           // 自动重装载值
    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 0;                 // 无预分频
    TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_BaseStruct);           // 应用配置

    // 4. 配置TIM4为从模式（由ITR2触发，对应TIM1主定时器）
    TIM_SelectInputTrigger(TIM4, TIM_TS_ITR2);        // ITR2对应TIM1触发源
    TIM_SelectSlaveMode(TIM4, TIM_SlaveMode_Reset); // 触发模式：上升沿启动计数

    // 5. 配置TIM4通道1为PWM模式
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;
    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;         // PWM模式1
    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = PHASE_DELAY;              // 相位偏移量（CCR初始值）
    TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 高电平有效
    TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCStruct);                  // 初始化通道1

    // 6. 设置初始相位偏移
    TIM_SetCounter(TIM4, PHASE_OFFSET_3); // 计数器初始值=相位偏移量

    // 7. 启用预装载寄存器（确保相位偏移稳定）
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable); // 
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);               // 使能ARR预装载
}

​3. 主函数

cpp 复制代码 
int main(void) 
{
    TIM1_MasterConfig();
    TIM2_SlaveConfig();
    TIM3_SlaveConfig();
    TIM4_SlaveConfig(); 

    // 注意：先启动从定时器，再启动主定时器！
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); // 最后启动主定时器

    while (1) 
    {

    }
}

🧩 ​二、核心实现原理​

1. ​主从定时器同步机制​

  • ​主定时器（TIM1）​ ​：

    通过TIM_SelectOutputTrigger(TIM1, TIM_TRGOSource_OC2Ref)将通道2的OC2Ref信号作为触发源（TRGO）输出。

    当TIM1的计数器达到CCR2值（占空比点）时，TRGO信号产生一个上升沿，触发所有从定时器同步动作。

  • ​从定时器（TIM2/TIM3/TIM4）​ ​：

    配置为复位模式（SlaveMode_Reset）​​：

    cpp 复制代码 
    TIM_SelectSlaveMode(TIMx, TIM_SlaveMode_Reset);  // 关键配置

    ​复位模式的作用 ​：当检测到TRGO上升沿时，从定时器的计数器（CNT）​立即清零并重新计数​。这是实现硬件同步的基础。

⚙️ ​三、相位差的生成逻辑​

1. ​初始相位偏移设置​
cpp 复制代码 
TIM_SetCounter(TIM2, PHASE_OFFSET_1); // TIM2初始CNT=0  
TIM_SetCounter(TIM3, PHASE_OFFSET_2); // TIM3初始CNT=333  
TIM_SetCounter(TIM4, PHASE_OFFSET_3); // TIM4初始CNT=666

  • ​相位偏移原理 ​：

    每个从定时器的计数器初始值不同（0、333、666），但共用相同的PWM周期（ARR=999）。

    • TIM2：从0开始计数 → 0°相位（基准）
    • TIM3：从333开始计数 → 延迟了333个计数单位（120°相位差）
    • TIM4：从666开始计数 → 延迟了666个计数单位（240°相位差）

  • ​相位差计算公式​：

    相位差角度=(ARR+1计数器初值)×360∘

    例如：333 / 1000 ≈ 120° 。

2. ​复位模式与初始值的协同​

  • ​首次启动时 ​：

    从定时器的CNT初始值（PHASE_OFFSET_x）直接决定了首个PWM脉冲的起始位置，形成初始相位差。

  • ​后续运行中 ​：

    每次TRGO触发信号到来时，从定时器CNT清零 ，但由于所有从定时器在同一时刻清零，​初始相位差保持不变 。

    例如：

    • TIM2每次从0开始计数 → 始终0°基准
    • TIM3每次从0开始计数，但首次启动时已延迟333 → 后续周期仍保持120°延迟

🔄 ​四、占空比一致性保障​

cpp 复制代码 
TIM_OCStruct.TIM_Pulse = DUTY_CYCLE; // 所有通道占空比固定为500
  • 占空比与相位分离控制 ：
    • 相位差 由计数器初值（TIM_SetCounter()）控制，不影响脉宽。
    • 占空比 由通道的CCR值（TIM_Pulse）独立控制，所有通道设为相同的DUTY_CYCLE=500（50%占空比）。

⚡五**、动态调整相位差的实现**​

cpp 复制代码 
// 在main循环中可动态修改  
TIM_SetCounter(TIM3, new_phase); // 实时调整TIM3相位
  • 操作原理 ：
    直接修改从定时器的CNT寄存器值，立即改变当前计数位置 ：
    • 若将TIM3的CNT从333改为250，则其下一个PWM脉冲的起始边沿会提前83个计数单位（约30°）。
    • 注意 ：需在两次TRGO触发之间修改CNT值，避免与复位操作冲突。

🔧 ​六、关键配置细节​

1. ​触发链路配置​
cpp 复制代码 
TIM_SelectInputTrigger(TIMx, TIM_TS_ITR1); // 从定时器选择ITR1触发源
  • ITR1是STM32内部映射，表示TIM1的TRGO信号直接连接到TIM2/TIM3/TIM4的触发输入。
2. ​启动顺序的重要性​
cpp 复制代码 
// 先启动从定时器，再启动主定时器  
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);  
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
  • 为何如此？​
    若先启动主定时器，TRGO信号可能早于从定时器就绪，导致首个同步信号丢失，相位差错误。
3. ​复位模式的局限性​
  • 仅适用于周期性信号：从定时器依赖周期性TRGO信号复位，无法处理非周期性触发。
  • 相位调整范围 ：计数器初值需满足 0 ≤ PHASE_OFFSET_x ≤ PWM_PERIOD，否则导致脉冲丢失。

💎 ​七、总结：为何能实现相位差可变？​​

  1. 硬件同步机制 ：
    主定时器的TRGO信号强制所有从定时器同时复位计数器，确保多路PWM的周期起点严格对齐。
  2. 软件可调的初始相位 ：
    通过TIM_SetCounter()预设不同的计数器初值，在同步复位的基础上引入可控的初始延迟。
  3. 动态调整能力 ：
    运行时修改CNT值可实时偏移脉冲位置，且不影响占空比。
  4. 低CPU开销 ：
    相位同步由定时器硬件自动完成，无需中断干预，适合高实时性场景（如电机驱动）。

✅ 此方案完美实现了相位差动态可调、占空比一致的三路PWM输出，精度达单时钟周期（如72MHz时误差<14ns），是STM32定时器主从模式的经典应用。

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