通用 PWM 原理基础教学

1. PWM 是什么

PWM（Pulse Width Modulation）中文常称"脉冲宽度调制"。
它的核心思想是：在固定周期 内，通过改变信号处于高电平的时间长度 （也就是"脉冲宽度"），来等效地改变输出的平均电压/平均功率，从而实现对能量的可控输出。

你可以把 PWM 理解为一种"用数字开关模拟模拟量"的方法：

• 开关只有 0/1（低/高电平）

• 但通过"高电平持续多久"的变化，就能得到不同的"平均效果"

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2. 占空比、周期、频率

2.1 周期（Period）

PWM 信号每重复一次的时间长度记为 T。

2.2 频率（Frequency）

频率 f 与周期 T 的关系：

• f = 1 / T

2.3 占空比（Duty Cycle）

占空比 D 指在一个周期内，信号为高电平的时间占整个周期的比例：

• D = Thigh / T × 100%

例如：

• 占空比 50%：高电平时间与低电平时间相同（常见"方波"效果）

• 占空比越大：高电平越"宽"，平均能量越高

• 占空比越小：高电平越"窄"，平均能量越低

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3. PWM 能做什么（常见应用）

PWM 在单片机/嵌入式里非常常用，典型用途包括：

• 呼吸灯/LED 亮度调节（改变平均电流/亮度）

• 直流电机调速（改变平均电压/功率）

• 舵机控制（用固定周期 + 特定脉宽表达角度）

• 蜂鸣器/音调输出（通过频率控制音高，通过占空比/开关控制响度等）

• 电源控制、加热控制（功率调节）

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4. 用定时器产生 PWM 的基本思想（以常见定时器为例）

很多 MCU（例如 STM32）都是通过定时器 Timer 硬件来输出 PWM。

在 PWM 模式下，通常由两个关键寄存器决定 PWM 的形态：

• TIMx_ARR（Auto-Reload Register，自动重装载寄存器）

  • 决定计数器的"上限"

  • 直接决定 周期/频率

• TIMx_CCRx（Capture/Compare Register，捕获比较寄存器）

  • 决定"比较阈值"

  • 直接决定 占空比（高电平宽度）

一句话总结：

ARR 定周期（频率），CCR 定占空比（高电平持续时间）

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5. 图示对应的工作过程解释（计数器 + 比较）

5.1 计数器 CNT 的行为

• 横坐标：时间

• 纵坐标：CNT 计数值

• CNT 会随着时间按固定节拍递增（或递减）

• 在常见的向上计数模式中：

1. CNT 从 0 开始计数

2. 一直加到 ARR

3. 到达 ARR 后清零（或更新后回到 0）

4. 如此循环 → 得到周期性的"锯齿/斜坡"计数过程

5.2 比较值 CCR 的作用

• CCRx 是一个固定（或可动态修改）的比较阈值

• 定时器把 CNT 与 CCRx 进行比较

• 根据 PWM 输出模式配置，决定输出在比较前后是高电平还是低电平

以最常见的 **PWM Mode 1（边沿对齐，上计数）**为例（常见默认逻辑）：

• 当 CNT < CCRx 时：输出为 高电平

• 当 CNT ≥ CCRx 时：输出为 低电平

于是就得到：

• CNT 从 0 增长到 CCRx 的这段时间 → 输出高电平

• CNT 从 CCRx 增长到 ARR 的这段时间 → 输出低电平

• 下一次 CNT 清零 → 输出重新回到高电平段

  最终形成连续 PWM 波形

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6. 频率与占空比如何由 ARR、CCR 决定

6.1 周期/频率与 ARR 的关系

若定时器计数时钟频率为 f_cnt（它通常由系统时钟经过分频得到）：

• PWM 周期 T ≈ (ARR + 1) / f_cnt

• PWM 频率 f_pwm ≈ f_cnt / (ARR + 1)

所以：ARR 越大 → 周期越长 → 频率越低
ARR 越小 → 周期越短 → 频率越高

（很多 MCU 里还会有一个 PSC 预分频器，进一步决定 f_cnt，但这里先抓住"ARR 控周期"这一核心即可。）

6.2 占空比与 CCR 的关系（边沿对齐上计数常见情况）

• 占空比 D ≈ CCRx / (ARR + 1) × 100%

所以：CCR 越大 → 高电平越宽 → 占空比越大
CCR 越小 → 高电平越窄 → 占空比越小

---

7. 如何调参（最实用的结论）

你想控制 PWM 的两个关键指标：

7.1 想改频率（周期） → 改 ARR（以及可能的 PSC）

• 频率太高/太低，优先调整 ARR（必要时配合 PSC）

7.2 想改占空比 → 改 CCR

• 亮度/转速需要线性变化时，通常就是动态更新 CCR

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8. 小结

• PWM 通过改变高电平持续时间 来改变输出的平均能量

• 占空比 D = 高电平时间 / 周期

• 定时器 PWM 常用两个核心量：

  • ARR：决定周期/频率

  • CCR：决定占空比/脉宽

• CNT 在 0～ARR 之间循环计数，CNT 与 CCR 比较后产生高低电平，从而形成 PWM 波形

• 实际使用中：

  • 调频率：动 ARR（或 PSC）

  • 调占空比：动 CCR

SG90 舵机 PWM 控制基础教学文档

1. SG90 引脚与接线说明

SG90 舵机一般有 3 个引脚（3 根线）：

• 红线（VCC） ：电源正极，通常接 5V

• 棕线（GND）：电源地

• 橙线（信号线）：PWM 信号输入端，接单片机的 PWM 输出引脚，用来接收单片机发送的 PWM

注意：舵机供电电流可能较大，建议电源地与单片机地 共地，供电尽量稳定。

---

2. 控制方法（核心思路）

控制 SG90 舵机旋转比较简单：

只需要给它输入 PWM 波形 ，通过修改 PWM 的 高电平持续时间（脉宽）/占空比，就可以改变舵机角度。

SG90 的控制一般使用：

• 周期 T ≈ 20ms（约等于 50Hz）

• **高电平持续时间（脉宽）**一般在 0.5ms ~ 2.5ms

---

3. 高电平时间与角度的对应关系（示例表）

高电平持续时间（ms）	舵机角度（°）	占空比
0.5	0°	2.5%
1.0	45°	5%
1.5	90°	7.5%
2.0	135°	10%
2.5	180°	12.5%

占空比计算方式（周期 20ms 时）：

• 占空比 = 高电平时间 / 20ms × 100%

例如：1.5ms / 20ms = 7.5%

---

4. 用定时器配置 20ms 周期（ARR/PSC 关系）

当定时器时钟为 72MHz 时（示例），周期可用下式描述：

T = 20ms = (ARR + 1) × (PSC + 1) / 72,000,000

含义：

• PSC：预分频系数（Prescaler）

• ARR：自动重装载值（Auto-Reload Register）

• T：PWM 周期（这里要求约 20ms）

结论：

• 调 ARR / PSC → 调 PWM 周期（频率）

• 调 CCR → 调 PWM 高电平宽度（占空比/舵机角度）

---

5. 实用配置示例（便于快速上手）

如果你希望计算更直观，可以让定时器计数"单位时间"更整齐，例如：

1. 让计数频率变成 1MHz（1us 计一次数）

• 72MHz / (PSC+1) = 1MHz

• 取 PSC = 71（因为 72MHz / 72 = 1MHz）

1. 让周期变成 20ms

• 20ms = 20,000us

• 计数从 0 数到 ARR，一共 (ARR+1) 次

• 取 ARR = 20000 - 1 = 19999

1. 通过 CCR 控制角度（高电平时间）

• 若 1us/计数，则：

  • 0.5ms = 500us → CCR = 500

  • 1.0ms = 1000us → CCR = 1000

  • 1.5ms = 1500us → CCR = 1500

  • 2.0ms = 2000us → CCR = 2000

  • 2.5ms = 2500us → CCR = 2500

这样你只需要改 CCR，就能让舵机转到不同角度。

例

技术周期20ms，频率50hz

20ms = 0.02s = (200-1) *(7200-1)/72000000

共200次计数

|--------|------|-------|
| | | 占空比 |
| 195/5 | 0° | 2.5% |
| 190/10 | 45° | 5% |
| 185/15 | 90° | 7.5% |
| 180/20 | 135° | 10% |
| 175/25 | 180° | 12.5% |

代码

用的是定时器3下通道2的PB5

SG90.C

#include "stm32f10x.h"
#include "SG90.h"

/*
 * ========================= SG90_init 说明 =========================
 * 功能：使用 TIM3_CH2 通过"部分重映射"输出到 PB5，产生 50Hz PWM 驱动 SG90 舵机
 *
 * 你的参数：
 *   PSC = 7200-1  -> 计数频率 = 72MHz / 7200 = 10kHz -> 1 tick = 0.1ms = 100us
 *   ARR = 200-1   -> 周期 = 200 * 0.1ms = 20ms -> 50Hz
 *
 * 你使用的是：PWM1 + 低极性 TIM_OCPolarity_Low
 *   CNT < CCR2  -> 低电平
 *   CNT >= CCR2 -> 高电平
 * 所以 高电平脉宽 = (200 - CCR2) * 0.1ms
 *
 * 你 sg90_angel_set() 中：
 *   CCR2=195 -> 高电平 0.5ms
 *   CCR2=185 -> 高电平 1.5ms
 *   CCR2=175 -> 高电平 2.5ms
 *
 * 注意：SG90 一般要求 5V 供电，并且舵机 GND 必须与 STM32 GND 共地。
 * ================================================================
 */

void SG90_init(void)
{
	/* ===================== 1. 定义配置结构体 ===================== */
	// 舵机引脚（PB5）GPIO 配置结构体
	GPIO_InitTypeDef sg90_init_struct;

	// TIM3 基本定时器（时基）配置结构体
	TIM_TimeBaseInitTypeDef sg90time_initstruct;

	// TIM3 输出比较（PWM）配置结构体
	TIM_OCInitTypeDef oc_initstruct;

	/* ===================== 2. 使能外设时钟 ======================= */
	// 使能 GPIOB 时钟（PB5 在 GPIOB）
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

	// 使能 AFIO 时钟（使用重映射必须开启 AFIO）
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

	// 使能 TIM3 时钟（TIM3 在 APB1）
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

	/* ===================== 3. 引脚重映射 ========================= */
	// 将 TIM3 的通道输出做"部分重映射"，使 TIM3_CH2 输出到 PB5
	//（注意：需要先开 AFIO 时钟）
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

	/* ===================== 4. GPIO 配置 ========================== */
	// PB5 配置为复用推挽输出 AF_PP，用于输出 TIM3_CH2 PWM
	sg90_init_struct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
	sg90_init_struct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_5;
	sg90_init_struct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &sg90_init_struct);

	/* ===================== 5. TIM3 时基配置（50Hz） =============== */
	// 计数时钟分频
	sg90time_initstruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

	// 向上计数
	sg90time_initstruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

	// 自动重装载 ARR = 200-1 -> 200 tick -> 20ms 周期（50Hz）
	sg90time_initstruct.TIM_Period = 200 - 1;

	// 预分频 PSC = 7200-1 -> 10kHz 计数频率 -> 0.1ms 每 tick
	sg90time_initstruct.TIM_Prescaler = 7200 - 1;

	// 普通定时器无重复计数器（该字段对 TIM3 无意义，但写出来更清晰）
	// sg90time_initstruct.TIM_RepetitionCounter = 0;

	// 将时基配置写入 TIM3
	//（注意：StructInit 可用，但你这里直接赋值完整关键字段也可用）
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &sg90time_initstruct);

	/* ===================== 6. PWM 输出比较配置（CH2） ============== */
	// PWM1 模式：比较输出为 PWM 波形
	oc_initstruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

	// 输出极性：Low
	// Low 的含义：CNT < CCR2 输出低；CNT >= CCR2 输出高
	// 所以高电平宽度 = (ARR+1 - CCR2) * tick_time
	oc_initstruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;

	// 使能输出比较通道输出
	oc_initstruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

	// 初始比较值（CCR2）=185 -> 高电平 (200-185)*0.1ms = 1.5ms（中位）
	oc_initstruct.TIM_Pulse = 185;

	// 初始化 TIM3 通道2（CH2）输出比较为 PWM
	TIM_OC2Init(TIM3, &oc_initstruct);

	// 使能 CCR2 预装载（写 CCR2 时不会立刻影响输出，在更新事件时生效，更平滑）
	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

	/* ===================== 7. 启动定时器 ========================== */
	// 开启 TIM3 开始计数并输出 PWM
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

/*
 * ===================== sg90_angel_set 说明 =====================
 * 你现在是"离散档位"角度控制：
 *  0°   -> CCR2=195 -> 高电平 0.5ms
 *  45°  -> CCR2=190 -> 高电平 1.0ms
 *  90°  -> CCR2=185 -> 高电平 1.5ms
 *  135° -> CCR2=180 -> 高电平 2.0ms
 *  180° -> CCR2=175 -> 高电平 2.5ms
 *
 * 注意：
 * 1) SG90 不是每个都能安全到 0.5ms~2.5ms，有些会顶死/抖动，常用更安全范围是 1.0ms~2.0ms
 * 2) 如果你把极性改成 High，那么 CCR2 就应该是 5~25（或 10~20），不能再用 175~195
 * ==============================================================
 */
void sg90_angel_set(uint16_t angle)
{
	switch(angle)
	{
		case 180:
			// 2.5ms 高电平
			TIM_SetCompare2(TIM3, 175);
			break;

		case 135:
			// 2.0ms 高电平
			TIM_SetCompare2(TIM3, 180);
			break;

		case 90:
			// 1.5ms 高电平
			TIM_SetCompare2(TIM3, 185);
			break;

		case 45:
			// 1.0ms 高电平
			TIM_SetCompare2(TIM3, 190);
			break;

		case 0:
			// 0.5ms 高电平
			TIM_SetCompare2(TIM3, 195);
			break;

		default:
			// 传入非 0/45/90/135/180 时不处理（保持当前角度）
			// 更好的写法见下方"改进建议"
			break;
	}
}

/*
 * ========================= 改进建议（不改你的命名） =========================
 *
 * 1) 建议在 init 中补充"结构体初始化函数"，避免未赋值字段导致潜在问题：
 *      GPIO_StructInit(&sg90_init_struct);
 *      TIM_TimeBaseStructInit(&sg90time_initstruct);
 *      TIM_OCStructInit(&oc_initstruct);
 *    你现在虽然手动填了关键字段，但结构体里还有其它字段，初始化会更稳。
 *
 * 2) 建议加上 ARR 预装载（周期更稳定）：
 *      TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
 *
 * 3) 建议 sg90_angel_set 支持任意 0~180 的角度（用公式映射），避免 switch 只有 5 档：
 *    - 仍保持你的 Low 极性逻辑：CCR2 = 200 - pulse_ticks
 *    - pulse_ticks 建议在 10~20（1ms~2ms）更安全
 *
 * 4) 建议加"限幅/保护"，避免舵机顶到机械限位抖动或发热：
 *      如果你的舵机在 0.5/2.5ms 会抖，就把范围改成 1.0/2.0ms 对应 CCR2=190..180
 *
 * 5) 硬件层面必须确认：
 *    - SG90 供电 5V（电流要够，USB/板载 LDO 可能不够）
 *    - 舵机 GND 与 STM32 GND 共地（否则信号无参考）
 *    - PB5 确实接到舵机信号线，并确认你用的是 TIM3_CH2 的"部分重映射"引脚
 * =======================================================================
 */

SG90.h

#ifndef _SG90_H
#define _SG90_H

#include "stm32f10x.h"
void SG90_init(void);
void sg90_angel_set(uint16_t angle);


#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "main.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_time.h"

#include "SG90.h"

void delay(uint16_t time)
{
	uint16_t i=0;
	while(time--)
	{
		i=12000;
		while(i--);
	}

}


int main()
{

	//\r\n回车、换行两个动作
	
	SG90_init();
	//sg90_angel_set();这种函数不用在这写，这里是调用函数，没用到就不写
	
	while(1)
		{

			
		sg90_angel_set(180);
		delay(1000);
		sg90_angel_set(135);
		delay(1000);
		sg90_angel_set(90);
		delay(1000);
		sg90_angel_set(45);
		delay(1000);
		sg90_angel_set(0);
		delay(1000);


			
			
		 }

}