STM32使用PWM控制舵机_业界新闻

发布时间:2024-07-18 11:04

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STM32单片机系列专栏

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PWM和OC输出详解：

1. 舵机简介

舵机是一种位置伺服驱动器器，并且是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置。通过PWM向伺服器发送一个控制信号时，输出轴就可以转到特定的位置。只在控制信号持续不变，伺服机构就会保持相对的角度位置不变。如果控制信号发生变化，输出轴的位置也会相应发生变化。

图片中的舵机型号为SG90，具有三根输入线：电源线，地线和信号线，PWM就是输入到信号线来控制舵机。控制信号进入内部驱动电路以后，获得直流偏置电压，从而产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转，并且内部有一个电位器，用来检测当前舵机的角度。

输入PWM信号要求为：周期为20ms，高电平宽度为0.5ms - 2.5ms，也就是说周期是20ms，如果高电平时0.5ms，那么舵机输出轴转角为 -90°。

2. 硬件连接

本文是以STM32F103C8T6作为主控芯片，通过PA0端口输出PWM，实现控制180°舵机。

实际应用时，电源线连接5V，GND连接单片机的GND，PWM只是一个通信线，不需要大功率，所以PWM信号线连接单片机的一个引脚。

STM32	舵机
5V	+5V
GND	GND
PA0	PWM

3. 代码实现

这里实现的功能为：按键控制舵机角度，每次按下舵机的角度增加30°，并且通过oled显示。要使用的库函数文件依然为：stm32f10x_tim.h，拖到最下面，在这里可以找到定时器TIM需要使用到的函数。

3.1 PWM.c

#include "stm32f10x.h"   //PWM初始化 void PWM_Init(void) { 	//开启时钟 	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟 	 	//GPIO初始化 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA1引脚初始化为复用推挽输出	 																	//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式 	 	//配置时钟源 	TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟 	 	//时基单元初始化 	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1;				//计数周期，即ARR的值 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;				//预分频器，即PSC的值 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器，高级定时器才会用到 	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);             //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元 	 	//输出比较初始化 	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量 	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);                         //结构体初始化，若结构体没有完整赋值 	                                                                //则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值 	                                                                //避免结构体初值不确定的问题 	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;               //输出比较模式，选择PWM模式1 	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;       //输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反 	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   //输出使能 	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值 	TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                        //将结构体变量交给TIM_OC2Init，配置TIM2的输出比较通道2  	//TIM使能 	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行 }  //PWM设置CCR void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare) { 	TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);		//设置CCR2的值 }

RCC_APB1PeriphClockCmd

TIM2 代表定时器2，它是STM32的一个基础硬件定时器。在STM32的某些系列中，TIM2连接到的是APB1总线。
ENABLE 是一个宏定义，用来开启某项功能，这里用来开启TIM2的时钟。如果传递 DISABLE 则会关闭外设的时钟。
简单来说，RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); 这行代码的作用是开启连接到APB1总线的定时器2（TIM2）的时钟。只有开启了时钟，程序中关于TIM2的其他功能（如计时、计数、PWM发生等）才能正常工作。

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO的初始化中，选择AF_PP复用推挽输出，因为对于普通的开漏推挽输出，引脚的控制权是来自于输出数据寄存器的，如果想用定时器来控制引脚，就需要使用复用开漏/推挽输出模式。

时基单元中的数值设置：

代入公式为：

频率 = CK_PSC(72M) / (PSC + 1) / (ARR + 1) = 50
占空比 = CCR / (ARR + 1)
分辨率为 = 1 / (ARR + 1)
因为PSC和ARR的值不固定，所以通过验证得出最适合的值为：ARR = 20000, PSC = 71，这时，ARR的20000代表20ms，如果CCR = 500，就是0.5ms，对应0°（-90），CCR = 2500，就是2.5ms，对应180°（+90）

3.2 PWM.h

接着是PWM.h文件，这部分引用声明一下即可

#ifndef __PWM_H #define __PWM_H  void PWM_Init(void); void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare);  #endif

3.3 Servo.c

这部分是舵机的角度参数设置代码：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header #include "PWM.h"  //函    数：舵机初始化 void Servo_Init(void) { 	PWM_Init();									//初始化舵机的底层PWM }  //舵机设置角度 void Servo_SetAngle(float Angle) { 	PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);	//设置占空比 												//将角度线性变换，对应到舵机要求的占空比范围上 }

0°代表500，180°代表2500，角度相差180，CCR相差2000，所以角度除以180再乘以2000，加上偏移500。例如角度为180，180/180*2000 + 500 = 2500，对应180°

3.4 Servo.h

同样进行声明

#ifndef __SERVO_H #define __SERVO_H  void Servo_Init(void); void Servo_SetAngle(float Angle);  #endif

3.5 main.c

使用刚刚编写的PWM和舵机代码函数来实现功能：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header #include "Delay.h" #include "OLED.h" #include "Servo.h" #include "Key.h"  uint8_t KeyNum;			//定义用于接收键码的变量 float Angle;			//定义角度变量  int main(void) { 	//模块初始化 	OLED_Init();		//OLED初始化 	Servo_Init();		//舵机初始化 	Key_Init();			//按键初始化 	 	//显示静态字符串 	OLED_ShowString(1, 1, "Angle:");	//1行1列显示字符串Angle: 	 	while (1) 	{ 		KeyNum = Key_GetNum();			//获取按键键码 		if (KeyNum == 1)				//按键1按下 		{ 			Angle += 30;				//角度变量自增30 			if (Angle > 180)			//角度变量超过180后 			{ 				Angle = 0;				//角度变量归零 			} 		} 		Servo_SetAngle(Angle);			//设置舵机的角度为角度变量 		OLED_ShowNum(1, 7, Angle, 3);	//OLED显示角度变量 	} }