# PWM 与三相逆变桥原理：从硬件到寄存器

> **系列**：电机控制系列 - 第 3 篇** ****目标平台**：STM32F407ZGT6** ****阅读时间**：30 分钟** ****前置知识**：电路基础、电机基础

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## 前言

**你可能在想："PWM 不就是调节占空比吗？有什么难的？"**

**但在电机控制中，PWM 没那么简单：**

* **❌ 死区时间不够 → MOSFET 烧毁**
* **❌ PWM 频率太低 → 电机噪声大、转矩脉动**
* **❌ 死区补偿不足 → 电流畸变、低速性能差**

**本篇目标**：彻底理解 PWM 与三相逆变桥，掌握 STM32 寄存器级配置。

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## 一、PWM 基础原理

### 1.1 什么是 PWM？

**PWM（Pulse Width Modulation）**：脉冲宽度调制

```
 占空比 D = 高电平时间 / 周期 × 100%
 
      ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐
      │   │   │   │   │   │
 ─────┘   └───┘   └───┘   └───
      └─Ton─┘
      └───── T ─────┘
 
 平均电压 U_avg = D × U_dc
```

**例子**：

* **母线电压 24V**
* **占空比 50%**
* **平均电压 = 0.5 × 24V = 12V**

### 1.2 PWM 参数

#### **频率（Frequency）**

```
 f = 1 / T
 
 电机控制常用频率：
 - 低速应用：10-20 kHz
 - 高速应用：30-50 kHz
 - 超高频率（SiC/GaN）：100-500 kHz
```

**频率选择权衡**：

* **✅ ****频率高** → 纹波小、噪声低
* **❌ ****频率高** → 开关损耗大、发热

#### **分辨率（Resolution）**

```
 分辨率 = 母线电压 / PWM 级数
 
 STM32F407：
 - 定时器时钟 84 MHz
 - PWM 频率 20 kHz
 - 分辨率 = 84MHz / 20kHz = 4200 级
 
 精度 = 24V / 4200 ≈ 5.7 mV
```

### 1.3 单极性 vs 双极性 PWM

#### **单极性 PWM**

```
 相电压在 0 ~ U_dc 之间切换
 
 优点：
 ✅ 开关损耗小（只开关一半）
 ✅ 纹波小
 
 缺点：
 ❌ 需要复杂的调制策略
```

#### **双极性 PWM**

```
 相电压在 +U_dc/2 ~ -U_dc/2 之间切换
 
 优点：
 ✅ 控制简单
 ✅ 动态响应快
 
 缺点：
 ❌ 开关损耗大（翻倍）
 ❌ 纹波大
```

**电机控制常用：单极性 SVPWM**

---

## 二、三相全桥逆变器

### 2.1 拓扑结构

```
       U_dc (+)
         │
    ┌────┴────┬────┴────┬────┴────┐
    │         │         │         │
   Q1        Q3        Q5        │
    │         │         │         │
    ├────A────┼────B────┼────C────┤
    │         │         │         │
   Q4        Q6        Q2        │
    │         │         │         │
    └────┬────┴────┬────┴────┬────┘
         │         │         │
       U_dc (-)
 
 6 个 MOSFET（或 IGBT）：
 - 上桥臂：Q1, Q3, Q5
 - 下桥臂：Q4, Q6, Q2
 - 同一相上下桥臂互补（不能同时导通）
```

### 2.2 八种开关状态

```
 开关状态（Q1Q3Q5）：
 ┌─────┬───────┬──────────┬────────┐
 │状态 │ Q1 Q3 Q5 │ 输出电压矢量      │ 备注   │
 ├─────┼───────┼──────────┼────────┤
 │ V0  │ 0 0 0  │ (0, 0)          │ 零矢量 │
 │ V1  │ 1 0 0  │ (2/3·Udc, 0)    │ 有效   │
 │ V2  │ 1 1 0  │ (1/3·Udc, √3/3·Udc) │ 有效 │
 │ V3  │ 0 1 0  │ (-1/3·Udc, √3/3·Udc)│ 有效 │
 │ V4  │ 0 1 1  │ (-2/3·Udc, 0)   │ 有效   │
 │ V5  │ 0 0 1  │ (-1/3·Udc, -√3/3·Udc)│ 有效│
 │ V6  │ 1 0 1  │ (1/3·Udc, -√3/3·Udc) │ 有效│
 │ V7  │ 1 1 1  │ (0, 0)          │ 零矢量 │
 └─────┴───────┴──────────┴────────┘
 
 注：有效矢量 = 6 个，零矢量 = 2 个
```

### 2.3 六边形电压轨迹

```
             V3
             /\
            /  \
           /    \
      V4  /______\  V2
         /      / \
        /      /   \
       /______/_____\
      V5     V0/V7  V1
             V6
 
 六个有效矢量构成正六边形
 SVPWM 目标：用相邻矢量合成任意方向电压
```

---

## 三、死区效应

### 3.1 为什么需要死区？

**问题**：上下桥臂不能同时导通（直通）

```
如果 Q1 和 Q4 同时导通：

U_dc (+)
   │
  Q1 ─┬─ Q4
   │  │  │
   └──┴──┘
      │
U_dc (-)

→ 直通短路！
→ 电流爆炸！
→ MOSFET 烧毁！
```

**解决方法**：插入死区时间

```
理想 PWM：
Q1: ────┐     ┌────────
        └─────┘
Q4: ──────────┐     ┌──
              └─────┘

实际 PWM（带死区）：
Q1: ────┐       ┌──────
        └───────┘
       └死区┘
Q4: ──────────┐       ┌
              └───────┘
              └死区┘

死区时间：上下桥臂都关断
```

### 3.2 死区时间设置

```
死区时间 T_dt 取决于：
1. MOSFET 开关时间（ton, toff）
2. 驱动电路延迟
3. 安全裕量

典型值：
- 小功率 MOSFET：100-500 ns
- 大功率 IGBT：1-3 μs
```

**STM32F407 死区计算**：

```
定时器时钟：84 MHz
DTG[7:0] 寄存器：

DTG[7:5] = 0xx: T_dt = DTG[6:0] × T_dts
DTG[7:5] = 10x: T_dt = (64 + DTG[5:0]) × 2 × T_dts
DTG[7:5] = 110: T_dt = (32 + DTG[4:0]) × 8 × T_dts
DTG[7:5] = 111: T_dt = (32 + DTG[4:0]) × 16 × T_dts

其中 T_dts = 1 / 84MHz ≈ 11.9 ns
```

**例子**：

```
// 死区时间 500ns
// 500ns / 11.9ns ≈ 42
// DTG = 42 = 0x2A
TIM1->BDTR = (0x2A << TIM_BDTR_DTG_Pos);
```

### 3.3 死区对电压的影响

```
死区导致电压畸变：

理想输出电压：U_ref
实际输出电压：U_ref - ΔU

ΔU = ±(T_dt / T_pwm) × U_dc

当电流 > 0 时：ΔU < 0（电压减小）
当电流 < 0 时：ΔU > 0（电压增加）
```

**影响**：

* **❌ 低速时电流畸变（死区占比大）**
* **❌ 转矩脉动**
* **❌ 噪声增大**

**解决**：死区补偿（第 18 篇详细讲解）

---

## 四、STM32 PWM 配置（寄存器级）

### 4.1 TIM1 高级定时器

**为什么用 TIM1？**

* **✅ 支持互补输出（CH1/CH1N, CH2/CH2N, CH3/CH3N）**
* **✅ 支持死区插入**
* **✅ 支持刹车功能**
* **✅ 适合电机控制**

**引脚分配**：

```
STM32F407ZGT6：
TIM1_CH1  → PA8  (A 相上桥臂)
TIM1_CH1N → PA7  (A 相下桥臂)
TIM1_CH2  → PA9  (B 相上桥臂)
TIM1_CH2N → PB0  (B 相下桥臂)
TIM1_CH3  → PA10 (C 相上桥臂)
TIM1_CH3N → PB1  (C 相下桥臂)
TIM1_BKIN → PA6  (刹车输入)
```

### 4.2 完整配置代码

```
/**
 * @file pwm.c
 * @brief TIM1 三相 PWM 配置（寄存器级）
 * @author 牛马工程师
 */

#include "stm32f4xx.h"

#define PWM_FREQUENCY    20000   // 20kHz
#define TIMER_CLOCK      84000000 // 84MHz
#define DEAD_TIME_NS     500     // 500ns

/**
 * @brief GPIO 配置
 */
void PWM_GPIO_Init(void) {
    // 使能 GPIO 时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN | RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;

// 配置 PA8, PA9, PA10 (TIM1 CH1/CH2/CH3)
    GPIOA->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE8_Pos) |   // 复用功能
                    (2 << GPIO_MODER_MODE9_Pos) |
                    (2 << GPIO_MODER_MODE10_Pos);
    GPIOA->AFR[1] |= (1 << GPIO_AFRH_AFSEL8_Pos) |  // AF1
                     (1 << GPIO_AFRH_AFSEL9_Pos) |
                     (1 << GPIO_AFRH_AFSEL10_Pos);
    GPIOA->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT8 | GPIO_OTYPER_OT9 | GPIO_OTYPER_OT10); // 推挽
    GPIOA->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED8_Pos) | // 高速
                      (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_Pos) |
                      (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED10_Pos);

// 配置 PA7, PB0, PB1 (TIM1 CH1N/CH2N/CH3N)
    GPIOA->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE7_Pos);
    GPIOA->AFR[0] |= (1 << GPIO_AFRL_AFSEL7_Pos);
    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT7;
    GPIOA->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED7_Pos);

GPIOB->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE0_Pos) | (2 << GPIO_MODER_MODE1_Pos);
    GPIOB->AFR[0] |= (1 << GPIO_AFRL_AFSEL0_Pos) | (1 << GPIO_AFRL_AFSEL1_Pos);
    GPIOB->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT0 | GPIO_OTYPER_OT1);
    GPIOB->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_Pos) | (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED1_Pos);
}

/**
 * @brief TIM1 PWM 配置
 */
void TIM1_PWM_Init(void) {
    // 1. 使能 TIM1 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN;

// 2. 时基配置
    uint32_t psc = TIMER_CLOCK / 1000000 - 1;  // 1MHz 计数频率
    uint32_t arr = 1000000 / PWM_FREQUENCY - 1; // 20kHz → ARR = 49

TIM1->PSC = psc;   // 预分频
    TIM1->ARR = arr;   // 自动重装载值
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;  // ARR 预装载使能

// 5. 死区配置（500ns）
    // T_dts = 1/84MHz = 11.9ns
    // DTG = 500ns / 11.9ns = 42
    uint8_t dtg = (uint8_t)(DEAD_TIME_NS * 84 / 1000);
    TIM1->BDTR |= (dtg << TIM_BDTR_DTG_Pos);

// 6. 刹车配置（可选）
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_BKE |   // 刹车使能
                  TIM_BDTR_AOE |   // 自动输出使能
                  (1 << TIM_BDTR_BKP_Pos);  // 刹车极性（低电平有效）

// 7. 主输出使能（MOE）
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;

// 8. 使能计数器
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 9. 初始化占空比（50%）
    TIM1->CCR1 = arr / 2;
    TIM1->CCR2 = arr / 2;
    TIM1->CCR3 = arr / 2;
}

/**
 * @brief 更新 PWM 占空比
 * @param channel 通道（1/2/3）
 * @param duty 占空比（0.0 - 1.0）
 */
void PWM_Set_Duty(uint8_t channel, float duty) {
    uint16_t ccr = (uint16_t)(duty * TIM1->ARR);

switch (channel) {
        case 1:
            TIM1->CCR1 = ccr;
            break;
        case 2:
            TIM1->CCR2 = ccr;
            break;
        case 3:
            TIM1->CCR3 = ccr;
            break;
    }
}

/**
 * @brief 刹车中断（可选）
 */
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void) {
    if (TIM1->SR & TIM_SR_BIF) {
        // 刹车触发
        TIM1->SR &= ~TIM_SR_BIF;  // 清除标志

// 关闭所有输出
        TIM1->BDTR &= ~TIM_BDTR_MOE;

// 用户处理（报警、停机等）
        // ...
    }
}
```

### 4.3 关键寄存器说明

| **寄存器**   | **功能**          | **关键位**                                          |
| ------------ | ----------------- | --------------------------------------------------- |
| **CR1**      | **控制寄存器 1**  | **CEN（计数使能）、ARPE（ARR 预装载）**             |
| **PSC**      | **预分频**        | **计数频率 = f\_clk / (PSC + 1)**                   |
| **ARR**      | **自动重装载**    | **PWM 周期 = ARR × (1/f\_cnt)**                    |
| **CCMR1/2**  | **捕获/比较模式** | **OCxM（PWM 模式）、OCxPE（预装载）**               |
| **CCER**     | **捕获/比较使能** | **CCxE（输出使能）、CCxNE（互补输出使能）**         |
| **CCR1/2/3** | **捕获/比较值**   | **占空比 = CCR / ARR**                              |
| **BDTR**     | **刹车和死区**    | **DTG（死区）、MOE（主输出使能）、BKE（刹车使能）** |
| **SR**       | **状态寄存器**    | **BIF（刹车中断标志）**                             |

---

## 五、PWM 测试与调试

### 5.1 示波器测试

**测试点**：

1. **上桥臂栅极（Q1 Gate）**
2. **下桥臂栅极（Q4 Gate）**
3. **相电压（A 相输出）**

**预期波形**：

```
上桥臂：
┌───┐   ┌───┐
│   │   │   │
┘   └───┘   └───

下桥臂：
─────┐     ┌────
      └─────┘
      └死区┘

死区时间测量：
光标 1：上桥臂下降沿
光标 2：下桥臂上升沿
Δt ≈ 500ns
```

### 5.2 常见问题

#### **问题 1：PWM 无输出**

**可能原因**：

* **❌ MOE 位未置 1**
* **❌ GPIO 复用配置错误**
* **❌ 时钟未使能**

**解决方法**：

```
// 检查 MOE 位
if (!(TIM1->BDTR & TIM_BDTR_MOE)) {
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;
}

// 检查 GPIO
if ((GPIOA->AFR[1] & GPIO_AFRH_AFSEL8) == 0) {
    // 重新配置
}
```

#### **问题 2：死区时间不对**

**可能原因**：

* **❌ DTG 计算错误**
* **❌ 定时器时钟频率不对**

**解决方法**：

```
// 重新计算
// 假设定时器时钟 84MHz，死区 1us
// DTG = 1us / 11.9ns = 84
// DTG[7:0] = 84 = 0x54
// 但 DTG[7:5] = 0xx 时，最大 127 × 11.9ns = 1.51us
// 所以直接用 84
TIM1->BDTR = (TIM1->BDTR & ~TIM_BDTR_DTG) | (84 << TIM_BDTR_DTG_Pos);
```

#### **问题 3：电机抖动**

**可能原因**：

* **❌ 死区时间过大**
* **❌ PWM 频率太低**
* **❌ 电源纹波大**

**解决方法**：

```
// 减小死区
TIM1->BDTR = (TIM1->BDTR & ~TIM_BDTR_DTG) | (20 << TIM_BDTR_DTG_Pos); // 238ns

// 提高 PWM 频率
TIM1->ARR = 1000000 / 30000 - 1;  // 30kHz
```

---

## 六、总结

### 6.1 核心要点

1. **PWM 基础**
   * **占空比控制平均电压**
   * **频率选择：权衡纹波 vs 损耗**
   * **分辨率：影响控制精度**
2. **三相逆变桥**
   * **6 个 MOSFET，8 种开关状态**
   * **上下桥臂互补，需死区**
   * **六边形电压轨迹**
3. **死区效应**
   * **防止直通，保护 MOSFET**
   * **导致电压畸变（低速影响大）**
   * **需要补偿**
4. **STM32 配置**
   * **TIM1 高级定时器**
   * **寄存器：PSC、ARR、CCRx、BDTR**
   * **死区：DTG 寄存器**

### 6.2 下一步

**下一篇**：[电机数学模型：从物理到方程](#)

**我们将学习：**

* **✅ abc 坐标系下的电压/磁链/转矩方程**
* **✅ 离散化与数值实现**
* **✅ 参数测量方法**

---

## 附录：PWM 参数计算工具

**Excel 计算器**：

```
输入：
- 母线电压（V）
- PWM 频率（Hz）
- 死区时间（ns）

输出：
- PSC 值
- ARR 值
- DTG 值
- 分辨率（mV）
```

**在线工具**：

* **STM32 PWM Calculator**
* [https://www.st.com/stm32-pwm-calculator](https://www.st.com/stm32-pwm-calculator)

---

## 参考资料

1. **STM32F407 Reference Manual (RM0090)**
2. **STM32F4 HAL Driver Description**
3. **《电力电子技术》- 王兆安**
4. **TI Application Note: "Understanding and Applying Dead Time"**

---

> **更新日志**：
>
> * **2026-03-13：发布第 1 版**

PWM 与三相逆变桥原理：从硬件到寄存器

系列：电机控制系列 - 第 3 篇 目标平台：STM32F407ZGT6 阅读时间：30 分钟 前置知识：电路基础、电机基础

前言

你可能在想："PWM 不就是调节占空比吗？有什么难的？"

但在电机控制中，PWM 没那么简单：

❌ 死区时间不够 → MOSFET 烧毁
❌ PWM 频率太低 → 电机噪声大、转矩脉动
❌ 死区补偿不足 → 电流畸变、低速性能差

本篇目标：彻底理解 PWM 与三相逆变桥，掌握 STM32 寄存器级配置。

一、PWM 基础原理

1.1 什么是 PWM？

PWM（Pulse Width Modulation）：脉冲宽度调制

 占空比 D = 高电平时间 / 周期 × 100%
 
      ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐
      │   │   │   │   │   │
 ─────┘   └───┘   └───┘   └───
      └─Ton─┘
      └───── T ─────┘
 
 平均电压 U_avg = D × U_dc

例子：

母线电压 24V
占空比 50%
平均电压 = 0.5 × 24V = 12V

1.2 PWM 参数

频率（Frequency）

 f = 1 / T
 
 电机控制常用频率：
 - 低速应用：10-20 kHz
 - 高速应用：30-50 kHz
 - 超高频率（SiC/GaN）：100-500 kHz

频率选择权衡：

✅ 频率高 → 纹波小、噪声低
❌ 频率高 → 开关损耗大、发热

分辨率（Resolution）

 分辨率 = 母线电压 / PWM 级数
 
 STM32F407：
 - 定时器时钟 84 MHz
 - PWM 频率 20 kHz
 - 分辨率 = 84MHz / 20kHz = 4200 级
 
 精度 = 24V / 4200 ≈ 5.7 mV

1.3 单极性 vs 双极性 PWM

单极性 PWM

 相电压在 0 ~ U_dc 之间切换
 
 优点：
 ✅ 开关损耗小（只开关一半）
 ✅ 纹波小
 
 缺点：
 ❌ 需要复杂的调制策略

双极性 PWM

 相电压在 +U_dc/2 ~ -U_dc/2 之间切换
 
 优点：
 ✅ 控制简单
 ✅ 动态响应快
 
 缺点：
 ❌ 开关损耗大（翻倍）
 ❌ 纹波大

电机控制常用：单极性 SVPWM

二、三相全桥逆变器

2.1 拓扑结构

       U_dc (+)
         │
    ┌────┴────┬────┴────┬────┴────┐
    │         │         │         │
   Q1        Q3        Q5        │
    │         │         │         │
    ├────A────┼────B────┼────C────┤
    │         │         │         │
   Q4        Q6        Q2        │
    │         │         │         │
    └────┬────┴────┬────┴────┬────┘
         │         │         │
       U_dc (-)
 
 6 个 MOSFET（或 IGBT）：
 - 上桥臂：Q1, Q3, Q5
 - 下桥臂：Q4, Q6, Q2
 - 同一相上下桥臂互补（不能同时导通）

2.2 八种开关状态

 开关状态（Q1Q3Q5）：
 ┌─────┬───────┬──────────┬────────┐
 │状态 │ Q1 Q3 Q5 │ 输出电压矢量      │ 备注   │
 ├─────┼───────┼──────────┼────────┤
 │ V0  │ 0 0 0  │ (0, 0)          │ 零矢量 │
 │ V1  │ 1 0 0  │ (2/3·Udc, 0)    │ 有效   │
 │ V2  │ 1 1 0  │ (1/3·Udc, √3/3·Udc) │ 有效 │
 │ V3  │ 0 1 0  │ (-1/3·Udc, √3/3·Udc)│ 有效 │
 │ V4  │ 0 1 1  │ (-2/3·Udc, 0)   │ 有效   │
 │ V5  │ 0 0 1  │ (-1/3·Udc, -√3/3·Udc)│ 有效│
 │ V6  │ 1 0 1  │ (1/3·Udc, -√3/3·Udc) │ 有效│
 │ V7  │ 1 1 1  │ (0, 0)          │ 零矢量 │
 └─────┴───────┴──────────┴────────┘
 
 注：有效矢量 = 6 个，零矢量 = 2 个

2.3 六边形电压轨迹

             V3
             /\
            /  \
           /    \
      V4  /______\  V2
         /      / \
        /      /   \
       /______/_____\
      V5     V0/V7  V1
             V6
 
 六个有效矢量构成正六边形
 SVPWM 目标：用相邻矢量合成任意方向电压

三、死区效应

3.1 为什么需要死区？

问题：上下桥臂不能同时导通（直通）

如果 Q1 和 Q4 同时导通：

U_dc (+)
   │
  Q1 ─┬─ Q4
   │  │  │
   └──┴──┘
      │
U_dc (-)

→ 直通短路！
→ 电流爆炸！
→ MOSFET 烧毁！

解决方法：插入死区时间

理想 PWM：
Q1: ────┐     ┌────────
        └─────┘
Q4: ──────────┐     ┌──
              └─────┘

实际 PWM（带死区）：
Q1: ────┐       ┌──────
        └───────┘
       └死区┘
Q4: ──────────┐       ┌
              └───────┘
              └死区┘

死区时间：上下桥臂都关断

3.2 死区时间设置

死区时间 T_dt 取决于：
1. MOSFET 开关时间（ton, toff）
2. 驱动电路延迟
3. 安全裕量

典型值：
- 小功率 MOSFET：100-500 ns
- 大功率 IGBT：1-3 μs

STM32F407 死区计算：

定时器时钟：84 MHz
DTG[7:0] 寄存器：

DTG[7:5] = 0xx: T_dt = DTG[6:0] × T_dts
DTG[7:5] = 10x: T_dt = (64 + DTG[5:0]) × 2 × T_dts
DTG[7:5] = 110: T_dt = (32 + DTG[4:0]) × 8 × T_dts
DTG[7:5] = 111: T_dt = (32 + DTG[4:0]) × 16 × T_dts

其中 T_dts = 1 / 84MHz ≈ 11.9 ns

例子：

// 死区时间 500ns
// 500ns / 11.9ns ≈ 42
// DTG = 42 = 0x2A
TIM1->BDTR = (0x2A << TIM_BDTR_DTG_Pos);

3.3 死区对电压的影响

死区导致电压畸变：

理想输出电压：U_ref
实际输出电压：U_ref - ΔU

ΔU = ±(T_dt / T_pwm) × U_dc

当电流 > 0 时：ΔU < 0（电压减小）
当电流 < 0 时：ΔU > 0（电压增加）

影响：

❌ 低速时电流畸变（死区占比大）
❌ 转矩脉动
❌ 噪声增大

解决：死区补偿（第 18 篇详细讲解）

四、STM32 PWM 配置（寄存器级）

4.1 TIM1 高级定时器

为什么用 TIM1？

✅ 支持互补输出（CH1/CH1N, CH2/CH2N, CH3/CH3N）
✅ 支持死区插入
✅ 支持刹车功能
✅ 适合电机控制

引脚分配：

STM32F407ZGT6：
TIM1_CH1  → PA8  (A 相上桥臂)
TIM1_CH1N → PA7  (A 相下桥臂)
TIM1_CH2  → PA9  (B 相上桥臂)
TIM1_CH2N → PB0  (B 相下桥臂)
TIM1_CH3  → PA10 (C 相上桥臂)
TIM1_CH3N → PB1  (C 相下桥臂)
TIM1_BKIN → PA6  (刹车输入)

4.2 完整配置代码

/**
 * @file pwm.c
 * @brief TIM1 三相 PWM 配置（寄存器级）
 * @author 牛马工程师
 */

#include "stm32f4xx.h"

#define PWM_FREQUENCY    20000   // 20kHz
#define TIMER_CLOCK      84000000 // 84MHz
#define DEAD_TIME_NS     500     // 500ns

/**
 * @brief GPIO 配置
 */
void PWM_GPIO_Init(void) {
    // 使能 GPIO 时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN | RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;

    // 配置 PA8, PA9, PA10 (TIM1 CH1/CH2/CH3)
    GPIOA->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE8_Pos) |   // 复用功能
                    (2 << GPIO_MODER_MODE9_Pos) |
                    (2 << GPIO_MODER_MODE10_Pos);
    GPIOA->AFR[1] |= (1 << GPIO_AFRH_AFSEL8_Pos) |  // AF1
                     (1 << GPIO_AFRH_AFSEL9_Pos) |
                     (1 << GPIO_AFRH_AFSEL10_Pos);
    GPIOA->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT8 | GPIO_OTYPER_OT9 | GPIO_OTYPER_OT10); // 推挽
    GPIOA->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED8_Pos) | // 高速
                      (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_Pos) |
                      (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED10_Pos);

    // 配置 PA7, PB0, PB1 (TIM1 CH1N/CH2N/CH3N)
    GPIOA->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE7_Pos);
    GPIOA->AFR[0] |= (1 << GPIO_AFRL_AFSEL7_Pos);
    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT7;
    GPIOA->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED7_Pos);

    GPIOB->MODER |= (2 << GPIO_MODER_MODE0_Pos) | (2 << GPIO_MODER_MODE1_Pos);
    GPIOB->AFR[0] |= (1 << GPIO_AFRL_AFSEL0_Pos) | (1 << GPIO_AFRL_AFSEL1_Pos);
    GPIOB->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT0 | GPIO_OTYPER_OT1);
    GPIOB->OSPEEDR |= (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_Pos) | (3 << GPIO_OSPEEDR_OSPEED1_Pos);
}

/**
 * @brief TIM1 PWM 配置
 */
void TIM1_PWM_Init(void) {
    // 1. 使能 TIM1 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN;

    // 2. 时基配置
    uint32_t psc = TIMER_CLOCK / 1000000 - 1;  // 1MHz 计数频率
    uint32_t arr = 1000000 / PWM_FREQUENCY - 1; // 20kHz → ARR = 49

    TIM1->PSC = psc;   // 预分频
    TIM1->ARR = arr;   // 自动重装载值
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;  // ARR 预装载使能

    // 3. PWM 模式配置（模式 1：向上计数时 CNT < CCR 输出有效）
    TIM1->CCMR1 |= (6 << TIM_CCMR1_OC1M_Pos) | TIM_CCMR1_OC1PE;  // CH1 PWM 模式 1
    TIM1->CCMR1 |= (6 << TIM_CCMR1_OC2M_Pos) | TIM_CCMR1_OC2PE;  // CH2
    TIM1->CCMR2 |= (6 << TIM_CCMR2_OC3M_Pos) | TIM_CCMR2_OC3PE;  // CH3

    // 4. 使能输出和互补输出
    TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E | TIM_CCER_CC1NE |  // CH1 + CH1N
                  TIM_CCER_CC2E | TIM_CCER_CC2NE |  // CH2 + CH2N
                  TIM_CCER_CC3E | TIM_CCER_CC3NE;   // CH3 + CH3N

    // 5. 死区配置（500ns）
    // T_dts = 1/84MHz = 11.9ns
    // DTG = 500ns / 11.9ns = 42
    uint8_t dtg = (uint8_t)(DEAD_TIME_NS * 84 / 1000);
    TIM1->BDTR |= (dtg << TIM_BDTR_DTG_Pos);

    // 6. 刹车配置（可选）
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_BKE |   // 刹车使能
                  TIM_BDTR_AOE |   // 自动输出使能
                  (1 << TIM_BDTR_BKP_Pos);  // 刹车极性（低电平有效）

    // 7. 主输出使能（MOE）
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;

    // 8. 使能计数器
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

    // 9. 初始化占空比（50%）
    TIM1->CCR1 = arr / 2;
    TIM1->CCR2 = arr / 2;
    TIM1->CCR3 = arr / 2;
}

/**
 * @brief 更新 PWM 占空比
 * @param channel 通道（1/2/3）
 * @param duty 占空比（0.0 - 1.0）
 */
void PWM_Set_Duty(uint8_t channel, float duty) {
    uint16_t ccr = (uint16_t)(duty * TIM1->ARR);

    switch (channel) {
        case 1:
            TIM1->CCR1 = ccr;
            break;
        case 2:
            TIM1->CCR2 = ccr;
            break;
        case 3:
            TIM1->CCR3 = ccr;
            break;
    }
}

/**
 * @brief 刹车中断（可选）
 */
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void) {
    if (TIM1->SR & TIM_SR_BIF) {
        // 刹车触发
        TIM1->SR &= ~TIM_SR_BIF;  // 清除标志

        // 关闭所有输出
        TIM1->BDTR &= ~TIM_BDTR_MOE;

        // 用户处理（报警、停机等）
        // ...
    }
}

4.3 关键寄存器说明

寄存器	功能	关键位
CR1	控制寄存器 1	CEN（计数使能）、ARPE（ARR 预装载）
PSC	预分频	计数频率 = f\_clk / (PSC + 1)
ARR	自动重装载	PWM 周期 = ARR × (1/f\_cnt)
CCMR1/2	捕获/比较模式	OCxM（PWM 模式）、OCxPE（预装载）
CCER	捕获/比较使能	CCxE（输出使能）、CCxNE（互补输出使能）
CCR1/2/3	捕获/比较值	占空比 = CCR / ARR
BDTR	刹车和死区	DTG（死区）、MOE（主输出使能）、BKE（刹车使能）
SR	状态寄存器	BIF（刹车中断标志）

五、PWM 测试与调试

5.1 示波器测试

测试点：

上桥臂栅极（Q1 Gate）
下桥臂栅极（Q4 Gate）
相电压（A 相输出）

预期波形：

上桥臂：
┌───┐   ┌───┐
│   │   │   │
┘   └───┘   └───

下桥臂：
─────┐     ┌────
      └─────┘
      └死区┘

死区时间测量：
光标 1：上桥臂下降沿
光标 2：下桥臂上升沿
Δt ≈ 500ns

5.2 常见问题

问题 1：PWM 无输出

可能原因：

❌ MOE 位未置 1
❌ GPIO 复用配置错误
❌ 时钟未使能

解决方法：

// 检查 MOE 位
if (!(TIM1->BDTR & TIM_BDTR_MOE)) {
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;
}

// 检查 GPIO
if ((GPIOA->AFR[1] & GPIO_AFRH_AFSEL8) == 0) {
    // 重新配置
}

问题 2：死区时间不对

可能原因：

❌ DTG 计算错误
❌ 定时器时钟频率不对

解决方法：

// 重新计算
// 假设定时器时钟 84MHz，死区 1us
// DTG = 1us / 11.9ns = 84
// DTG[7:0] = 84 = 0x54
// 但 DTG[7:5] = 0xx 时，最大 127 × 11.9ns = 1.51us
// 所以直接用 84
TIM1->BDTR = (TIM1->BDTR & ~TIM_BDTR_DTG) | (84 << TIM_BDTR_DTG_Pos);

问题 3：电机抖动

可能原因：

❌ 死区时间过大
❌ PWM 频率太低
❌ 电源纹波大

解决方法：

// 减小死区
TIM1->BDTR = (TIM1->BDTR & ~TIM_BDTR_DTG) | (20 << TIM_BDTR_DTG_Pos); // 238ns

// 提高 PWM 频率
TIM1->ARR = 1000000 / 30000 - 1;  // 30kHz

六、总结

6.1 核心要点

PWM 基础
- 占空比控制平均电压
- 频率选择：权衡纹波 vs 损耗
- 分辨率：影响控制精度
三相逆变桥
- 6 个 MOSFET，8 种开关状态
- 上下桥臂互补，需死区
- 六边形电压轨迹
死区效应
- 防止直通，保护 MOSFET
- 导致电压畸变（低速影响大）
- 需要补偿
STM32 配置
- TIM1 高级定时器
- 寄存器：PSC、ARR、CCRx、BDTR
- 死区：DTG 寄存器

6.2 下一步

下一篇：电机数学模型：从物理到方程

我们将学习：

✅ abc 坐标系下的电压/磁链/转矩方程
✅ 离散化与数值实现
✅ 参数测量方法

附录：PWM 参数计算工具

Excel 计算器：

输入：
- 母线电压（V）
- PWM 频率（Hz）
- 死区时间（ns）

输出：
- PSC 值
- ARR 值
- DTG 值
- 分辨率（mV）

在线工具：

STM32 PWM Calculator
https://www.st.com/stm32-pwm-calculator

参考资料

STM32F407 Reference Manual (RM0090)
STM32F4 HAL Driver Description
《电力电子技术》- 王兆安
TI Application Note: "Understanding and Applying Dead Time"

版权声明：本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议，欢迎转载，但请注明出处。
更新日志：
2026-03-13：发布第 1 版

最后修改：2026 年 03 月 14 日

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