【STM32-MBD】（15）Simulink 模型开发之三相互补 PWM

STM32-MBD（1）Matlab2022/2023 安装 STM32 硬件支持包
 STM32-MBD（15）Simulink 模型开发之三相互补 PWM

【STM32-MBD】（15）Simulink 模型开发之三相互补 PWM

- [1. 项目介绍](#1. 项目介绍)
- - [1.1 项目内容](#1.1 项目内容)
  - [1.2 软件需求与环境配置](#1.2 软件需求与环境配置)
  - [1.3 硬件需求与引脚分配](#1.3 硬件需求与引脚分配)
- [2. CubeMX工程配置](#2. CubeMX工程配置)
- - [2.1 创建新项目](#2.1 创建新项目)
  - [2.2 TIM 配置](#2.2 TIM 配置)
  - [2.4 工程配置](#2.4 工程配置)
- [3. Simulink 仿真模型](#3. Simulink 仿真模型)
- - [3.1 模型任务与结构](#3.1 模型任务与结构)
  - [3.2 创建仿真模型](#3.2 创建仿真模型)
  - [3.3 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程](#3.3 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程)
  - [3.4 STM32 代码生成与运行](#3.4 STM32 代码生成与运行)
- [4. 总结](#4. 总结)

1. 项目介绍

1.1 项目内容

在电机控制中通常使用三相逆变桥来驱动电机，每个桥臂需要一对互补的PWM信号来控制上下桥臂的MOSFET，并且为了避免上下桥臂同时导通（直通），必须插入死区时间。

我们在前文【动手学STM32G4】（4）STM32G431之PWM输出中已经介绍了 PWM 输出的基本方法。在此基础上，本文基于 Simulink + STM32 Model-Based Design （MBD）开发流程，以 STM32G431 为目标平台，在 CubeMX 完成硬件配置，在 Simulink 中构建控制模型，通过自动代码生成将仿真模型直接部署到硬件，实现三相互补带死区 PWM 的稳定输出。

在功能目标上，利用 STM32G431 的高级定时器 TIM1，配置三相 PWM 及其互补输出通道，由硬件自动插入死区时间，生成稳定可靠的三相互补 PWM 波形。
在实现方式上，采用"CubeMX 负责外设配置、Simulink 负责占空比生成"的分工思路，将互补输出与死区等强时序功能完全交由定时器硬件实现。
在应用定位上，本文实现的三相互补 PWM 作为基础输出模块，可直接复用于后续的 SVPWM、FOC 及其他电机控制与功率电子应用中。

1.2 软件需求与环境配置

本文所涉及的软件与开发环境配置，与前文【STM32-MBD】系列保持一致。关于所需软硬件条件及详细安装过程，请务必首先参考：【STM32-MBD】（1）安装 Simulink STM32 硬件支持包。

强烈建议在安装相关软件时优先采用文中推荐版本，并严格按照步骤完成安装与配置。在 Model-Based Design 开发流程中，软件版本之间的兼容性对代码生成与工程部署具有重要影响，随意更换版本可能导致难以定位的问题。

必需的软件环境：

STM32 开发工具链（建议首先使用推荐版本跑通本文项目）
- STM32CubeMX（推荐使用 V6.4.0）
  
  用于 STM32 工程初始化与外设配置，本文中主要用于 TIM1 三相互补 PWM 及死区参数的配置。
- STM32CubeProgrammer（推荐使用 V2.6.0）
  
  用于程序下载、调试及 Flash 管理。
- STM32CubeIDE（或 Keil MDK-ARM 等 IDE 工具）
  
  用于编译、链接及调试由 Simulink 自动生成的 STM32 工程代码。
- STM32Cube_FW_G4 固件包（推荐使用 V1.5.0）
  
  提供 STM32G4 系列的 HAL 驱动与底层支持文件。
  
  若使用其它 STM32 MCU，应选择对应系列的固件包。例如，STM32F4 系列需使用 STM32Cube_FW_F4_V1.26.0。
MATLAB / Simulink 环境
- MATLAB / Simulink
  
  本文基于 MATLAB R2022b 进行开发与测试，也可使用更新版本。
- Simulink Coder
  
  用于从 Simulink 模型、Stateflow 图及 MATLAB Function 中生成 C/C++ 代码，支持快速原型、实时与非实时应用，是 STM32-MBD 工作流的核心组件。
- Embedded Coder Support Package for STMicroelectronics STM32 Processors
  
  STM32 处理器嵌入式硬件支持包，用于将 Simulink 模型直接部署到基于 STMicroelectronics STM32 处理器的硬件平台上，实现自动代码生成、编译与下载。
安装完成后的检查与验证

为确保 Simulink-STM32 代码生成与部署环境配置正确，应逐项进行基础验证测试。具体的检查流程与示例模型部署方法，请参考：【STM32-MBD】（2）Simulink 模型部署入门。

通过该基础测试，可确认以下关键环节均工作正常：
- Simulink 模型可正确生成 STM32 目标代码
- 工程可在 IDE 中顺利编译
- 程序可成功下载并在硬件上运行

1.3 硬件需求与引脚分配

硬件平台：
- 本文实验基于 NUCLEO-G431RB 开发板进行。
  该开发板搭载 STM32G431，内部集成高级定时器 TIM1，原生支持三相互补 PWM 输出及硬件死区插入，适合用于电机控制与功率驱动相关实验。
- 为便于信号观测与调试，实验过程中使用示波器对 PWM 波形进行测量验证。
TIM1 三相互补 PWM 引脚分配
本文基于 NUCLEO-G431RB 开发板和 NUCLEO-IHM16M1 驱动板，支持三电阻或单电阻电流采样检测。本实验使用 TIM1 定时器生成三相互补 PWM 波形，分别输出三路高桥臂信号（CH1、CH2、CH3）及对应的互补低桥臂信号（CH1N、CH2N、CH3N）,典型的引脚配置如下图所示。

bash 复制代码

TIM1:
  CH1 : PA8    , CH1N : PB13
  CH2 : PA9    , CH2N : PB14
  CH3 : PA10   , CH3N : PB15

PWM 频率与占空比参数计算
根据实验需求，本文生成频率为 10 kHz、占空比为 50% 的 PWM 波形。相关参数计算如下。

（1）定时器基本参数设置

bash 复制代码

系统时钟：SysCLK = 160 MHz
定时器预分频系数：PSC = 0
计数周期：ARR = 8000 − 1

在中心对齐计数模式下，定时器计数过程包含上升段和下降段两个阶段，因此完整 PWM 周期对应的计数长度为 2 × (ARR + 1)。由此可得 PWM 频率为：

f P W M = f s y s 2 ∗ ( P S C + 1 ) ∗ ( A R R + 1 ) = 160 M H z 2 ∗ 8000 = 10 k H z f_{PWM} =\frac{f_{sys}}{2*(PSC+1)*(ARR+1)} =\frac{160 MHz}{2*8000}= 10 kHz fPWM=2∗(PSC+1)∗(ARR+1)fsys=2∗8000160MHz=10kHz

（2）占空比计算

当占空比设为 50% 时，对应的比较值（Pulse）为：

p u l s e = d u t y ∗ A R R = 0.5 ∗ 7999 ≈ 4000 pulse = duty *ARR = 0.5 * 7999 \approx 4000 pulse=duty∗ARR=0.5∗7999≈4000

（3）参数配置说明

在 CubeMX 中，将 TIM1 的 Prescaler（PSC）设为 0、Counter Period（ARR）设为 8000，并在 "PWM Generation Channel" 配置中将 Pulse 设置为 4000，即可生成频率为 10 kHz、占空比为 50% 的 PWM 波形。

死区时间的计算：
为避免上下桥臂同时导通导致直通风险，需要在互补 PWM 输出之间插入适当的死区时间。

（1）驱动器参数分析

IHM16M1 驱动板采用 STSPIN830 驱动芯片，其典型参数如下：开关延迟：约 50 ns，上升 / 下降时间：约 30 ns 。在最坏情况下，等效延迟约为：50ns + 30ns =80ns

考虑安全裕量，设计死区时间为： T d e a d = 80 n s ∗ 1.5 = 120 n s T_{dead} = 80ns * 1.5 = 120ns Tdead=80ns∗1.5=120ns 。

（2）死区计数值计算

在 STM32G431 中，死区时间以定时器时钟周期为单位进行配置。TIM1 的时钟频率为 160 MHz，对应的时钟周期为 1/160MHz = 6.25ns。

计算最小死区时间对应的计数值为： 120ns/6.25ns = 19.2。综合以上考虑，本文将死区时间计数设置为 20~50。

2. CubeMX工程配置

在 STM32-MBD 开发中，CubeMX 负责定时器的结构性与时序性配置（如 PSC、ARR、死区等），而 Simulink 仅在必要时才对运行期参数进行更新。

对于三相互补 PWM 这类对时序高度敏感的应用，推荐由 CubeMX 固定 PWM 频率，Simulink 仅更新占空比，以保证系统稳定性和工程一致性。

2.1 创建新项目

新建工程。

启动 STM32CubeMX，点击 "Start New Project"（或使用快捷键 Ctrl + N）新建工程，进入 New Project 界面。

选择 MCU：STM32G431RBT6（根据开发板所使用的 MCU 型号进行选择）

选择开发板：NUCLEO-G431RB

点击右上角 "Start Project" 创建项目

将工程保存为 STM32G431_PWM04.ioc
配置系统时钟树。

（1）点击顶部 "Clock Configuration" 选项卡，进入时钟树配置界面。

（2）设置输入频率 Input frequency = 24 MHz，系统主频 SysCLK frequency = 160 MHz

配置完成后，系统时钟状态如下：
- System Clock：160 MHz
- HCLK：160 MHz
- PCLK1：160 MHz
- PCLK2：160 MHz

系统配置（SYS / RCC）

在 Pinout & Configuration 界面中完成系统级配置：

（1）选择 System Core -- SYS：

Debug 模式设置为 Serial Wire

（2）选择 "System Core -- SYS"：

设置基础时钟源，将 Timebase Source 设为 "TIM2"。

（3）选择 System Core -- RCC：

High Speed Clock (HSE)：Crystal/Ceramic Resonator

Low Speed Clock (LSE)：Disable（本实验不使用）
GPIO 配置。

（1）将 LD2（PA5）配置为输出模式 GPIO_Output

（2）将用户按键（PC13）配置为外部中断 GPIO_EXTI13
配置虚拟串口（LPUART）

本实验使用串口将 ADC / DAC 数据发送至 PC 端用于波形显示：

启用 LPUART1

模式：Asynchronous

波特率：115200

引脚：默认 PA2（TX）/ PA3（RX），连接至 NUCLEO 板载 ST-LINK 虚拟串口

在需要高频数据传输或连续波形刷新时，可为 LPUART1_TX 分配 DMA 通道以降低 CPU 负载。

2.2 TIM 配置

配置 TIM1 生成三相互补 PWM。
配置 TIM1 定时器，用于产生频率为 10 kHz 的三相互补 PWM 波形。

TIM1 引脚分配
在右侧 Pinout View 中，点击相应引脚并选择 TIM1 的 PWM 功能，引脚分配如下：

bash 复制代码

TIM1_CH1 → PA8
TIM1_CH2 → PA9
TIM1_CH3 → PA10
TIM1_CH1N → PB13
TIM1_CH2N → PB14
TIM1_CH3N → PB15

启用并配置TIM1 ：
（1）TIM1 模式配置
在 Pinout & Configuration 中选择 "Timers -- TIM1 -- TIM1 Mode and Configuration"，配置如下：

bash 复制代码

Clock Source: Internal Clock

Channel-1: PWM Generation CH1 CH1N （PWM 互补输出）
Channel-2: PWM Generation CH2 CH2N （PWM 互补输出）
Channel-3: PWM Generation CH3 CH3N （PWM 互补输出）

（2）TIM1 计数器参数配置：

bash 复制代码

Counter Settings:
   Prescaler (PSC): 0
   Counter Mode: Center Aligned mode 1
   Counter Period (ARR): 7999
   Internal Clock Division (CKD): No Division
   Repetition Counter (RCR): 0
   Auto-reload preload: Enable

Trigger Output (TRGO) Parameters:
   Trigger Event Selection TRGO: Output Compare (OC4REF)

（3）死区时间参数配置：

在 Break And Dead Time management -- Output Configuration 中进行如下设置：

bash 复制代码

Break And Dead Time management - Output Configuration:
   Automatic Output State: Enable
   DeadTime Preload: Enable
   Dead Time: 50（计数周期）

2.4 工程配置

Project Manager 配置
点击 "Project Manager" 进入工程设置界面：

（1）在 Project 页面：

Project Name：STM32G431_PWM04
选择工程保存路径
勾选 "Do not generate the main()"
Toolchain / IDE：选择 STM32CubeIDE
取消勾选 "Generate Under Root"

（2）在 MCU and Firmware Package 栏：

取消勾选 "Use latest available version"
选择 STM32Cube FW_G4 V1.6.0
若固件包未安装在默认路径，取消 "Use Default Firmware Location" 并手动指定路径。

（3）在 Code Generator 中：

勾选 "Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral"，让每个外设生成独立的'.c/.h'文件。

（4）在 Advanced Settings 中：

将所有 "Driver Selector" 设置为 "LL"（默认为 HAL）------非常重要，否则后续编译会报错！
将 Generated Function Calls 中的 Visibility (Static) 选项全部取消。

保存工程
完成上述配置后，使用快捷键 Ctrl + S 或点击 File → Save Project 保存 CubeMX 工程文件。
注意：在 STM32CubeMX 中完成配置后，不要点击 "GENERATE CODE" 生成代码，而是仅保存 .ioc 工程文件，后续代码将由 Simulink 自动生成并集成。

3. Simulink 仿真模型

本章使用 Simulink 构建最小可运行的控制模型，通过自动代码生成将模型部署至 STM32G431 硬件运行，实现三相 PWM 占空比的在线更新与验证。

3.1 模型任务与结构

Simulink 模型的任务：

生成三相 PWM 的占空比控制量；
通过 STM32 支持包接口，将占空比写入 TIM1 的比较寄存器（CCR）；
互补逻辑与死区插入功能完全由 TIM1 硬件完成，不在 Simulink 模型中实现。

因此，本文所建立的 Simulink 模型并不直接生成六路 PWM 波形，而是采用"Simulink 负责控制量，定时器负责波形生成"的分工结构。这种设计方式不仅模型结构清晰，而且与实际工程中软硬件职责划分保持一致，便于后续扩展更复杂的控制算法。

从整体结构上看，模型主要由以下几部分组成：

占空比生成模块（用于产生固定或可调的三相占空比）；
占空比限幅与格式化处理；
TIM1 PWM 输出接口模块（分别对应 CH1、CH2、CH3）

3.2 创建仿真模型

在 MATLAB 中新建 Simulink 模型。模型设计遵循"先跑通、再扩展"的原则，首先构建一个最小可验证模型，用于验证 Simulink 与 TIM1 之间的接口是否能够正常工作。

在 CubeMX 项目文件所在的路径（例如 D:\SimulinkProjects\STM32G431_PWM04a）下新建 Simulink 仿真模型。

注意：Simulink 模型文件（.slx）必须与 CubeMX 项目文件（.ioc）保存在同一目录下。

创建 Simulink 模型

运行 MATLAB，打开 Simulink，点击 "空白模型" 创建新的仿真模型，并将其保存到当前项目路径下，命名为：STM32G431_PWM04a.slx。
添加并配置 PWM Output 模块

在仿真模型中添加 "PWM Output" 模块，并按以下步骤进行配置。

（1）添加 PWM Output 模块

在 Simulink 库浏览器中找到 PWM out 模块，将其拖入模型中。
（2）配置 PWM Output 模块参数

按照 CubeMX 项目中的 TIM1 与 GPIO 引脚配置，对模块参数进行设置（如图所示）：
- 将 Timer module 设为 TIM1；
- 将 Duty Cycle unit 设为 Percentage；
- 勾选 Enable channel 1 / Enable channel 2 / Enable channel 3，分别使能 TIM1 的 CH1、CH2、CH3；
- 勾选 Enable frequency input，以启用频率输入。该输入对应写入定时器 TIM1 的自动重装载寄存器（ARR），用于设置计数器周期。

设置 PWM 周期与占空比
将计数器周期 ARR 设为 8000，并将 CH1、CH2、CH3 的占空比分别设置为 50%、20%、10%。
当 ARR = 8000 时，对应的 PWM 频率为 10 kHz，其计算关系如下：
f P W M = f s y s 2 ∗ ( P S C + 1 ) ∗ ( A R R + 1 ) = 160 M H z 2 ∗ 8000 = 10 k H z f_{PWM} =\frac{f_{sys}}{2*(PSC+1)*(ARR+1)} =\frac{160 MHz}{2*8000}= 10 kHz fPWM=2∗(PSC+1)∗(ARR+1)fsys=2∗8000160MHz=10kHz
占空比的数值可根据实验需要自行设定，取值范围为 0～100 (%)。

特别说明：

CubeMX 写 ARR 是"上电初始化"，Simulink 写 ARR 是"运行期控制"，运行期一定覆盖初始化。

如果 Simulink 中 TIM 模块未使能（未勾选 Enable frequency input），CubeMX 中配置的 ARR 有效，TIM 的计数周期、PWM 频率完全由 CubeMX 决定。
如果 Simulink 中 TIM 模块使能了（勾选 Enable frequency input，在 Simulink 中设置 ARR），则 Simulink 的 ARR 生效，CubeMX 的 ARR 会被覆盖。

3.3 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程

模型求解器与仿真参数设置
在 Simulink 菜单中选择 "建模 → 模型设置"（或使用快捷键 Ctrl + E），打开配置参数对话框，在左侧选择 "求解器"，按如下方式进行设置：
- 将仿真时间设为 inf
- 在求解器选择中：
  类型选择定步长
  固定步长（基础采样时间）设为 1e-4
- （可选）在任务和采样周期选项中勾选：
  "将每个离散速率视为单独任务"
  "自动处理数据传输的速率转换"
关联 CubeMX 工程文件
在配置参数窗口中，切换至硬件实现（Hardware board settings），完成目标硬件与 CubeMX 工程的关联。
- （1）确认 PC 与 STM32G431 开发板已正常连接
  在 Hardware board 下拉列表中选择 STM32G4xx Based
  注意：必须确保开发板已连接，否则无法完成硬件相关配置
- （2）点击 Browse，选择当前项目目录中的 CubeMX 工程文件 "STM32G431_PWM04.ioc"。
- （3）展开 Target hardware resources -- Timers：
  将 Timer group 设为 Advanced Timers 1/8/20
  勾选 Show TIM1 configurations
  勾选 Start timer during model initialization
  勾选 Enable Update Interrupt
  （可选）勾选 Enable Trigger interrupt（本实验中非必须）

保存模型
完成仿真模型与硬件配置后，将模型保存为："STM32G431_PWM04.slx"。
再次强调：Simulink 模型文件（.slx）与 CubeMX 项目文件（.ioc）必须位于同一目录下。

3.4 STM32 代码生成与运行

硬件连接

使用 USB 线连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板，确保 ST-LINK 能够被系统正确识别。
生成并部署 STM32 代码

在 Simulink 中打开仿真模型 STM32G431_PWM04a.slx，在 "硬件（Hardware）" 选项卡中点击 "编译、部署和启动"（快捷键 Ctrl + B）。

Simulink 将自动完成以下过程：

为模型生成 STM32 目标代码；
调用 CubeMX 工程配置；
通过 IDE 完成编译与链接；
将程序下载至 NUCLEO-G431RB 开发板并启动运行。

模型编译与部署过程中的关键信息将显示在 "诊断查看器" 中。编译摘要如下。

c 复制代码

### 正在启动 STM32G431_PWM04a 的编译过程
### 正在为 '模型特定' 文件夹结构生成代码和工件
### 正在将代码生成到编译文件夹中: C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_PWM04\STM32G431_PWM04a_ert_rtw
### Invoking Target Language Compiler on STM32G431_PWM04a.rtw
### Using System Target File: C:\MATLAB\R2023b\rtw\c\ert\ert.tlc
...
### 使用工具链: GNU Tools for ARM Embedded Processors
### 'C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_PWM04\STM32G431_PWM04a_ert_rtw\STM32G431_PWM04a.mk' 是最新的
### 正在编译 'STM32G431_PWM04a': "C:\MATLAB\R2023b\bin\win64\gmake"  -f STM32G431_PWM04a.mk all
...
Download verified successfully
### Successful completion of build procedure for: STM32G431_PWM04a
### 'STM32G431_PWM04a' 的 Simulink 缓存工件是在 'C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_TIM01\STM32G431_PWM04a.slxc' 中创建的。
youcans@qq.com 编译过程已成功完成
    
编译的顶层模型目标:

模型                操作           重新编译原因     
==========================================
STM32G431_PWM04a  代码已生成并完成编译。  生成的代码已过期。  

编译了 1 个模型，共 1 个模型(0 个模型已经是最新的)
编译持续时间: 0h 0m 7.562s

至此，Simulink 模型已成功生成 STM32 代码并部署至硬件运行，可通过示波器对 TIM1 的三相互补 PWM 输出进行验证。

使用示波器观察输出信号如下：

（1）三相

（2）互补

（3）带死区

实验结果讨论：

（1）TIM1_CH1/CH2/CH3 与对应的 CH1N/CH2N/CH3N 输出波形均呈现稳定、严格互补的关系，说明定时器互补输出工作正常。

（2）上下桥臂之间保持死区时间，未观察到重叠导通或异常毛刺现象，说明定时器死区配置工作正常。

（3）PWM 频率稳定在 10 kHz，与基于系统时钟、PSC 和 ARR 的理论计算结果一致。

（4）在 CubeMX 配置不变的条件下，通过 Simulink 修改各通道占空比，PWM 波形在不改变频率和死区时间的前提下平滑更新。

（5）在 CubeMX 配置不变的条件下，通过 Simulink 修改定时器计数 ARR，PWM 波形频率随之变化，说明 CubeMX 写 ARR 是"上电初始化"，Simulink 写 ARR 是"运行期控制"，运行期一定覆盖初始化。

从系统架构角度分析，本实验采用的 Model-Based Design 工作流有效避免了在 Simulink 中重复实现硬件已具备的功能，使模型结构更加简洁清晰。CubeMX 负责定时器、互补输出和死区等强时序、强硬件相关的配置，而 Simulink 专注于控制量的生成与更新，这种软硬件职责分离的方式不仅降低了模型复杂度，也提高了工程的可维护性和可扩展性。

4. 总结

本文基于 STM32-MBD 开发流程，利用 CubeMX 完成 TIM1 三相互补 PWM 及死区等硬件配置，并通过 Simulink 实现占空比的模型化控制与自动代码生成。实验结果表明，该方式能够稳定输出频率一致、互补关系正确且死区可靠的三相 PWM 波形。

通过将强时序、强硬件相关功能交由定时器实现，Simulink 模型结构保持简洁清晰，系统稳定性和可维护性显著提高。该工程实现为后续引入 SVPWM、FOC 及电流闭环控制奠定了可靠的 PWM 输出基础。

youcans@qq.com 原创作品，转载必须标注原文链接：(https://blog.csdn.net/youcans/article/details/157649063)

Crated：2026-02