MCU开发学习记录10 - 高级定时器学习与实践(HAL库)—PWM互补输出、死区控制、刹车控制 - STM32CubeMX

         本文将介绍高级定时器的概念（只讲解高级定时器特有功能）、相关函数以及STM32CubeMX生成定时器的配置函数以及对生成定时器的配置函数进行分析（包括结构体配置、相关寄存器配置）。针对于高级定时器实践：实现输出PWM互补波同时添加死区控制和刹车功能。

0. F4系列定时器分类

1. 最大接口时钟（Max interface clock (MHz)）
   1. 定时器与系统内核（如MCU）之间的通信接口（如APB总线）支持的最高时钟频率。
   2. 它决定了定时器寄存器配置和状态读取的速度上限。例如，如果接口时钟为84 MHz，则对定时器寄存器的读写操作需基于该频率进行，不能超过此速率。
2. ​最大定时器时钟（Max timer clock (MHz)）
   1. 定时器内部计数器（Counter）实际运行时的最高时钟频率。
   2. 它决定了定时器的计数速度，直接影响定时器的计时精度和输出信号的频率上限。例如，168 MHz的定时器时钟意味着计数器每秒最多递增168,000,000次。

        
        

1. 什么是高级定时器？

1.1 高级定时器概念

1.1.1 高级定时器功能

1. 计数器

• 16位递增/递减/自动重载计数器
• 16位可编程预分频器
  • 分频系数范围：1 ~ 65536
  • 支持运行时动态修改分频参数

2.​ 通道功能（最多4个独立通道，支持）：

• 输入捕获（测量信号时间参数）
• 输出比较（生成特定时序信号）
• PWM生成（边沿对齐/中心对齐模式）
• 单脉冲模式（触发后输出单次脉冲）

3. 互补输出与刹车保护

• 可编程死区互补输出（防止功率器件短路）
• 断路输入功能（紧急复位输出信号

4. 同步与互联

• 支持外部信号控制定时器
• 多定时器互连同步（协同复杂时序任务）

5. 中断与事件管理

• 重复计数器（延迟寄存器更新至指定周期数）
• 中断/DMA触发事件：
  • 计数器溢出/下溢/初始化
  • 触发事件（启动/停止/复位）
  • 输入捕获/输出比较/断路信号

6. 传感器接口、​外部信号交互

• 兼容增量式编码器（正交编码器）
• 霍尔传感器电路（电机位置检测）
• 外部时钟触发输入（扩展时钟源）
• 逐周期电流管理（电源/电机控制优化）

1.1.2 高级定时器框图（仅标出高级定时器多出的功能）

        

1.2 高级定时器功能（独有的）

1.2.1 重复计数器

1. 更新事件（UEV）触发条件​

• ​核心规则​：仅当重复计数器（TIMx_RCR）归零时才会生成更新事件（UEV）。
• ​作用​：UEV触发时，预装载寄存器（如ARR、PSC、CCRx）的数据会转移到影子寄存器（实际生效的寄存器）。

2. 不同计数模式下的UEV生成

​边沿对齐模式​

• ​递增计数​：
  • UEV在每N+1次上溢时触发（N为TIMx_RCR值）。
  • 示例：RCR=3 → 第4次上溢触发UEV。
• ​递减计数​：
  • UEV在每N+1次下溢时触发。
  • 示例：RCR=1 → 第2次下溢触发UEV。

​中心对齐模式​

• ​双递减点​：每个周期包含上溢和下溢，重复计数器每次递减两次。
  • ​RCR为奇数​：UEV触发位置取决于RCR写入时机​：
    • ​启动前写入​：在上溢时触发。
    • ​启动后写入​：在下溢时触发。
  • 示例：RCR=3 → 第4次上溢或下溢触发UEV（具体取决于写入时机）。

        

1.2.2 互补输出和死区插入

1. 功能描述

• 高级控制定时器（TIMx）可生成两路互补信号（OCx和OCxN），适用于驱动半桥/全桥电路（如电机控制、电源开关）。
• 死区（Dead Time）指两路信号切换时的空白时段，用于避免功率器件直通短路。
• 每个通道的死区延迟相同，并且可以通过TIMx_BDTR寄存器中的DTG位进行编程。

2. 相关寄存器配置

• ​极性控制​：
  • 通过TIMx_CCER寄存器的CCxP（OCx极性）和CCxNP（OCxN极性）位选择高/低电平有效。
• ​激活条件​：
  • 需要同时满足：CCxE=1（使能OCx）、CCxNE=1（使能OCxN）、MOE=1（主输出使能，来自TIMx_BDTR寄存器）。
• ​死区生成​：
  • 通过TIMx_BDTR寄存器的DTG[7:0]位编程死区时间。
  • 死区波形示例：
    • ​图105​：正常死区插入，OCx/OCxN上升沿延迟。
      
    • ​图106​：延迟时间超过负脉冲宽度，导致丢失脉冲。
      
    • ​图107​：延迟时间超过正脉冲宽度，输出保持无效。
      

3. 死区事件计算

        

1.2.3 使用断路功能

1. 功能描述

        当检测到硬件故障（如过流、过温）时，通过外部断路引脚（BREAK）或时钟安全系统（CSS）触发保护，强制关闭输出。

2. 相关寄存器配置

• ​触发条件​：
  • 断路输入引脚有效电平（通过TIMx_BDTR的BKP位选择高/低触发）。
  • 时钟安全系统（CSS）检测时钟失效。
  • 断路使能
    
• ​响应行为​：
  • MOE位异步清零，输出进入由OSSI（空闲模式选择）和OSSR（运行模式选择）定义的状态：
    • ​无效状态​：输出高阻（由外部电路决定电平）。
    • ​空闲状态​：输出固定为OISx（OCx）或OISxN（OCxN）配置的电平。
  • 示例场景（图108）：
    • 当OSSI=0且OSSR=1时，输出释放使能；OSSI=1时保持高电平。
    • 断路后需通过软件复位MOE位恢复输出。

        
        

3. 注意

        

1.2.4 关于断路和死区寄存器 (TIMx_BDTR).LOCK位

        

2. 基于HAL库配置高级定时器外设

2.1 CubeMX配置高级定时器外设

         

2.2 高级定时器外设初始化流程

3. 高级定时器实践

        通过KEY0按键控制PF2电平翻转，连接TIM1的刹车引脚（高电平有效），来控制TIM1的ch1/ch1N的互补输出。同时TIM1的ch1/ch1N的互补输出配置了1ms的死区时间。

3.1 用户代码

        

3.2 实践结果

1. 死区控制

        

2. 刹车控制（KEY0，再按KEY0恢复输出）
        

4. 本文的工程文件下载链接

工程Github下载链接：https://github.com/chipdynkid/MCU-DL-STM32
（国内）工程Gitcode下载链接https://gitcode.com/chipdynkid/MCU-DL-STM32