STM32 HAL库定时器PWM输出全攻略：从零到精准控制

d111111111d2026-01-05 10:19

前言

脉冲宽度调制（PWM）是嵌入式开发中最常用的技术之一，广泛应用于电机控制、LED调光、电源管理等领域。STM32的定时器外设提供了强大的PWM生成功能，而HAL库则让这一切变得更加简单。本文将带你从零开始，全面掌握使用HAL库配置定时器PWM输出的各种技巧。

一、PWM基础概念回顾

什么是PWM？

PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，通过调节脉冲的占空比（高电平时间占整个周期的比例）来模拟不同电压值或控制设备功率。

关键参数：

  • 频率：PWM波形的周期倒数（Hz）

  • 周期：一个完整波形的时间（秒）

  • 占空比：高电平时间占周期的百分比

  • 分辨率：占空比可调节的最小步进

二、STM32定时器的PWM模式

STM32的通用/高级定时器支持多种PWM模式：

  1. PWM模式1：向上计数时，比较匹配时输出有效电平

  2. PWM模式2：向上计数时，比较匹配时输出无效电平

  3. 互补输出：高级定时器支持带死区控制的互补PWM输出

三、HAL库PWM配置步骤详解

步骤1：CubeMX图形化配置（推荐）

使用CubeMX可以大大简化配置过程：

  1. 选择定时器：例如TIM1、TIM2、TIM3等

  2. 选择通道：选择支持PWM输出的通道（如CH1、CH2等）

  3. 配置参数：

    • Prescaler（预分频器）

    • Counter Period（自动重装载值）

    • Pulse（脉冲值 - 初始占空比）

    • PWM Generation Channel（选择PWM模式）

步骤2：手动代码配置方法

如果你更喜欢手动配置，以下是完整流程：

cs 复制代码 
// 1. 定义定时器和PWM配置结构体
TIM_HandleTypeDef htim3;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

// 2. 定时器基础配置
void MX_TIM3_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;           // 预分频值，84MHz/84 = 1MHz
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  // 向上计数模式
    htim3.Init.Period = 1000 - 1;            // 自动重装载值，1MHz/1000 = 1KHz
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim3) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    
    // 配置时钟源
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);
    
    // 配置PWM通道
    if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim3) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    
    // 主模式配置
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
    
    // 3. PWM通道详细配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;      // PWM模式1
    sConfigOC.Pulse = 500;                   // 初始占空比50%（1000周期中的500）
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 输出极性：高电平有效
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    
    if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    
    // 4. 启动PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

四、关键配置参数详解

1. 时钟源和频率计算

cs 复制代码 
// 假设系统时钟为84MHz
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;      // 预分频值
htim3.Init.Period = 1000 - 1;       // 自动重装载值

// PWM频率 = 时钟频率 / ((Prescaler + 1) * (Period + 1))
//         = 84MHz / (84 * 1000) = 1000Hz = 1KHz

// PWM分辨率 = 1 / (Period + 1) = 1/1000 = 0.1%

2. 占空比设置

cs 复制代码 
// 设置占空比为75%
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 750);  // 750/1000 = 75%

五、高级PWM配置技巧

1. 互补PWM输出（带死区控制）

cs 复制代码 
// 高级定时器（如TIM1、TIM8）支持互补输出
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};

// 配置死区时间
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 72;  // 死区时间，根据系统时钟计算
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);

// 启动互补通道
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 启动互补通道

2. 多通道同步PWM输出

cs 复制代码 
// 配置多个通道
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);

// 同时启动所有通道
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);

// 同时更新所有通道的占空比
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty1);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, duty2);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, duty3);

3. PWM输入捕获联动

cs 复制代码 
// 配置一个通道为输入捕获，另一个为PWM输出
// 可用于测量外部PWM或实现频率同步

void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};
    
    // ... 基础配置
    
    // 通道1配置为输入捕获
    sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
    sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
    sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    sConfigIC.ICFilter = 0;
    HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);
    
    // 通道2配置为PWM输出
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
}

六、实用函数封装

1. PWM初始化函数

cs 复制代码 
typedef struct {
    TIM_HandleTypeDef *htim;
    uint32_t channel;
    uint32_t frequency;
    uint32_t resolution;
    float duty_cycle;
} PWM_ConfigTypeDef;

void PWM_Init(PWM_ConfigTypeDef *pwm, 
              TIM_TypeDef *TIMx,
              uint32_t channel,
              uint32_t freq_hz,
              float init_duty)
{
    uint32_t tim_clk = HAL_RCC_GetPCLK1Freq() * 2;  // 获取定时器时钟
    
    // 计算预分频和周期值
    uint32_t prescaler = (tim_clk / (freq_hz * 1000)) - 1;  // 目标分辨率1000
    uint32_t period = 1000 - 1;
    
    pwm->htim->Instance = TIMx;
    pwm->htim->Init.Prescaler = prescaler;
    pwm->htim->Init.Period = period;
    pwm->htim->Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    pwm->htim->Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    pwm->htim->Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    
    HAL_TIM_PWM_Init(pwm->htim);
    
    // 配置通道
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {
        .OCMode = TIM_OCMODE_PWM1,
        .Pulse = (uint32_t)(period * init_duty),
        .OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH,
        .OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE
    };
    
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(pwm->htim, &sConfigOC, channel);
    
    pwm->channel = channel;
    pwm->frequency = freq_hz;
    pwm->resolution = 1000;
    pwm->duty_cycle = init_duty;
}

2. 占空比平滑调节函数

cs 复制代码 
void PWM_SetDutySmooth(TIM_HandleTypeDef *htim, 
                       uint32_t channel, 
                       float target_duty, 
                       uint32_t steps, 
                       uint32_t delay_ms)
{
    float current_duty = (float)__HAL_TIM_GET_COMPARE(htim, channel) / 
                         (float)(__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(htim) + 1);
    float step = (target_duty - current_duty) / steps;
    
    for(uint32_t i = 0; i < steps; i++)
    {
        current_duty += step;
        uint32_t pulse = (uint32_t)(current_duty * (__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(htim) + 1));
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, pulse);
        HAL_Delay(delay_ms);
    }
}

七、实际应用示例

示例1：LED呼吸灯

cs 复制代码 
void LED_Breathing_Effect(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel, uint32_t duration_ms)
{
    uint32_t period = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(htim) + 1;
    uint32_t steps = 100;  // 呼吸平滑度
    uint32_t delay = duration_ms / (steps * 2);
    
    // 渐亮
    for(uint32_t i = 0; i <= steps; i++)
    {
        float duty = (float)i / steps;
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, (uint32_t)(duty * period));
        HAL_Delay(delay);
    }
    
    // 渐暗
    for(uint32_t i = steps; i > 0; i--)
    {
        float duty = (float)i / steps;
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, (uint32_t)(duty * period));
        HAL_Delay(delay);
    }
}

示例2：舵机角度控制

cs 复制代码 
// 舵机PWM标准：周期20ms（50Hz），脉宽0.5ms-2.5ms对应0-180度
void Servo_SetAngle(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel, float angle)
{
    // 限制角度范围
    if(angle < 0) angle = 0;
    if(angle > 180) angle = 180;
    
    // 计算脉宽（0.5ms - 2.5ms）
    float pulse_width_ms = 0.5f + (angle / 180.0f) * 2.0f;
    
    // 转换为计数值
    // 假设定时器频率 = 1MHz，周期20ms对应20000计数值
    uint32_t period = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(htim) + 1;
    uint32_t pulse = (uint32_t)(pulse_width_ms * 1000);  // 1MHz时，1ms=1000计数
    
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, pulse);
}

示例3：直流电机控制

cs 复制代码 
// 电机控制结构体
typedef struct {
    TIM_HandleTypeDef *htim;
    uint32_t channel_a;
    uint32_t channel_b;
    uint8_t direction;  // 0:停止, 1:正转, 2:反转
    float speed;        // 0.0-1.0
} Motor_TypeDef;

void Motor_SetSpeed(Motor_TypeDef *motor, float speed, uint8_t dir)
{
    // 限制速度范围
    if(speed < 0) speed = 0;
    if(speed > 1.0) speed = 1.0;
    
    uint32_t period = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(motor->htim) + 1;
    uint32_t pulse = (uint32_t)(speed * period);
    
    switch(dir)
    {
        case 1:  // 正转
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_a, pulse);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_b, 0);
            break;
            
        case 2:  // 反转
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_a, 0);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_b, pulse);
            break;
            
        default: // 停止
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_a, 0);
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->htim, motor->channel_b, 0);
            break;
    }
    
    motor->speed = speed;
    motor->direction = dir;
}

八、调试技巧和常见问题

1. PWM输出无信号？

cs 复制代码 
// 检查清单：
// 1. GPIO是否正确配置为复用推挽输出
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;        // 必须配置为复用推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;     // 必须正确设置复用功能
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 2. 定时器时钟是否使能
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

// 3. PWM是否已启动
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// 4. 使用示波器或逻辑分析仪测量引脚

2. 频率/占空比不准确？

cs 复制代码 
// 常见原因和解决方案：
// 1. 时钟源配置错误 - 检查RCC配置
SystemClock_Config();  // 确保系统时钟配置正确

// 2. 预分频计算错误
// 使用公式验证：实际频率 = 定时器时钟 / ((Prescaler+1) * (Period+1))

// 3. 自动重载预装载未启用
htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

3. PWM输出抖动？

cs 复制代码 
// 可能原因：
// 1. 中断干扰 - 降低中断频率或使用DMA
// 2. 电源噪声 - 添加滤波电容
// 3. 软件延迟 - 使用硬件自动更新

// 使用立即更新模式
void PWM_UpdateImmediately(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t channel, uint32_t pulse)
{
    // 禁用预装载
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    HAL_TIM_PWM_GetConfigChannel(htim, &sConfigOC, channel);
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = pulse;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(htim, &sConfigOC, channel);
    HAL_TIM_PWM_Start(htim, channel);
}

九、性能优化建议

  1. 使用DMA传输：对于需要频繁更新PWM占空比的场景

  2. 启用预装载寄存器：避免PWM输出抖动

  3. 合理选择分辨率：平衡精度和频率需求

  4. 使用高级定时器：需要互补输出或死区控制时

十、总结

通过HAL库配置STM32的PWM输出虽然步骤较多，但结构清晰、易于维护。关键是要理解：

  1. 时钟配置是基础，决定了PWM的频率精度

  2. 预分频和自动重载值决定了频率和分辨率

  3. 比较寄存器的值直接控制占空比

  4. HAL库的函数调用顺序很重要

实际项目中，建议先使用CubeMX生成基础代码，然后根据需求进行修改和优化。对于复杂的PWM应用（如电机控制、电源管理等），需要深入理解定时器的各种工作模式和特性。

相关推荐
臭东西的学习笔记15 小时前
论文学习——机器学习引导的蛋白质工程
人工智能·学习·机器学习
夜流冰15 小时前
Motor - 电机扭矩和电机大小的关系
笔记
AI视觉网奇16 小时前
LiveTalking 部署笔记
笔记
List<String> error_P16 小时前
STM32窗口看门狗WWDG详解
stm32·单片机·嵌入式硬件·定时器
倘若猫爱上鱼16 小时前
关于系统能检测到固态可移动硬盘（或U盘），系统资源管理器却始终无法扫描到固态可移动硬盘（或U盘）的解决办法
笔记
ghgxm52017 小时前
Fastapi_00_学习方向 ——无编程基础如何用AI实现APP生成
人工智能·学习·fastapi
求真求知的糖葫芦17 小时前
巴伦学习（一）一种新型补偿传输线巴伦论文学习笔记（自用）
笔记·学习·射频工程
沉默-_-17 小时前
力扣hot100滑动窗口（C++）
数据结构·c++·学习·算法·滑动窗口
freepopo17 小时前
书房设计｜3㎡书桌角，治愈学习时光 [特殊字符]
学习
鑫—萍17 小时前
嵌入式开发学习——STM32单片机入门教程
c语言·驱动开发·stm32·单片机·嵌入式硬件·学习·硬件工程
热门推荐
01GitHub 镜像站点02OpenCode 入门教程：介绍 · 安装 · 配置第三方 API (如 Claude)03Claude Code Skills 实用使用手册04Open Code教程（四）| 高级配置与集成05UV安装并设置国内源06Linux下V2Ray安装配置指南07在VSCode配置Java开发环境的保姆级教程（适配各类AI编程IDE）08Labelme从安装到标注：零基础完整指南09安娜的档案(Anna’s Archive) 镜像网站/国内最新可访问入口（持续更新）10Antigravity AI编程工具添加和使用Skill完整教程