STM32驅動直流電機的程式與電路設計（IR2110S自舉電路+H橋+高階定時器和死區PWM）
本文介紹如何使用STM32F103微控制器，通過官方韌體庫，設定高階定時器TIM1輸出嵌入死區的互補PWM，來驅動直流電機的程式設計與電路設計。硬體電路採用IR2110S晶片作為mos管的驅動，驅動IRF840組成的H橋。IR2110S晶片使用中，有一個比較難理解的點——自舉電容，本文對其原理也有涉及。
上圖是系統的簡化原理圖，左側是微控制器。中間是IR2110S晶片，為了方便講解，把晶片內部結構列出一些。右側是MOS管組成的H橋。其中M是直流電機，有正反轉。其中VCC是15V，MOTOR_VCC是24V，電壓可以改變，最大不超過500V。微控制器一般是3.3V或5V，無法直接驅動電機。可以藉助H橋來實現對直流電機的控制。
H橋由於形似H得名。
VT1，VT4導通，電機正轉
VT2，VT3導通，電機翻轉
VT1，VT3導通，短路，板子燒壞
VT2，VT4，導通短路。
所以，驅動電機的問題就變成了MOS管導通的問題。
實際電路中我選用了IRF840，這是N溝道的MOS管。N-MOS導通的條件：VGS大於一定值
對於IRF840,VGS>10V
所以MOS管導通的問題就變成了VGS>10V的問題
如果，VT1與VT3都獨立配置一個電源，獨立配置一套驅動，導通問題就變得簡單了。但是，電路設計會變得複雜。
我們使用1個驅動晶片IR2110S，一路驅動電源。
簡單介紹下IR2110S晶片
IR2110是獨立一橋臂雙通道，柵極驅動，高壓，高速微控制器專用功率器件整合驅動電路。2片IR2110就能構成H橋驅動電路。
IR2110S是3.3V版本
感興趣的可以自己來做個閱讀理解。
簡單來說，IR2110是個3.3V控制10-20V的一個驅動。開關速度也很快，120ns
內部結構
右上角的兩個MOS管，中間是非門連線，不會同時導通。
中間一系列怎麼變化，我也不是很清楚。
HIN是1，VM1導通，VM2截止。VB與HO連在一起
HIN是0，VM1截止，VM2導通。VS與HO連在一起
LIN是1，VM3導通，VM4截止。VCC與LO連在一起
LIN是0，VM3截止，VM4導通。LO與COM連在一起
先看下橋臂。左側下橋臂導通，很簡單：
LIN為高，VM3導通，VCC接在LO上（暫時忽略二極體壓降），VGS= VCC，導通
上橋臂導通的情況，先假設沒有電容。
VM1導通時，VCC接在HO上，為G極提供了接近15V的電壓。但是，VS的電壓是多少？不知道。
如果，VT3導通，VS就是0，VT1也導通了，燒壞。
如果VT4導通，VS通過電機接地（電機內部可以先等效為電阻）。但是VT1導通以後，VS接近24V，HO只有15V，VT1又截止了。電機還是不能工作。
我們面臨的問題是，上橋臂沒有地。怎麼辦？
這個時候，就需要自舉電容。
VT4導通，VS接地。電容一端是地，一端是15V，所以VCC通過D給C充電。
又因為VM1導通，所以C橫跨在GS上。所以，C可以作為電壓源，為GS供電。這是一個懸浮的電壓源。
VT1導通後，VS接近24V，不再是地。所以VCC15無法為G提供足夠的電壓。
自舉電容可以放電維持VT1工作，電容存有15V的電，可以保持MOS管的導通。由於電容兩極的壓差不能突變，而電容下邊變成了對地24V（暫不考慮MOS管壓降），所以這一瞬間，電容上邊的電壓是對地39V。這時，VCC無法為電容充電。由於二極體的存在，電容的電不會倒灌給VCC。
電容電量又是有限的，放電會導致電容的電壓降低。等到兩級壓差不到10V的時候，VT1又不工作了。並且，此時IR2110晶片內部的欠壓檢測邏輯就會工作，把HO拉到VS，讓VGS=0。
所以，自舉電容電壓小於10V之前，要充電。如果HIN一直是高電平，電容就沒有充電的機會，等到自舉電容的的電壓跌落到某個閾值以下，HO就變為低電平。
此時可以關掉VT1，也就是斷開VM1，VB與HO斷開，不論是VCC還是電容都不再為G極提供電源。如果此時開啟VT3，讓VS接地，則電容一邊是高電平，一邊是低電平，開始充電。然後再斷開VT3，開啟VM1，VT4保持不變，讓電容放電維持VT1導通，就可以迴圈往復，保持電機執行。
即，VT1的導通要依靠電容放電來維持。HIN不能為持續的高電平，佔空比也不能達到100，或低頻的PWM（頻率低，一個週期內放電時間長）。必須是高頻的PWM，保證自舉電容有周期性的，足夠的充電時間，才能維持較高的懸浮電源電壓。
除此之外，還要注意死區問題，由於絕對不可以把同側橋臂的上下半橋同時開啟，而IR2110S，MOS管與電機切換狀態都存在延時，導致從程式命令某半橋關斷，到實際關斷，有一段時間的延遲。例如，在延遲期間，上半橋正在關閉，下半橋暫時還不能開啟，直到上半橋完全關閉，下半橋才能開啟。中間等待的這段時間，就是死區。死區時間與硬體密切相關。筆者手上就有兩個不同型號的電機，一個在3us的死區時可以工作，另一個則不可以。
所以，寫程式要注意到上下橋不能同時導通，高頻，不能是100的佔空比，以及死區這幾個問題。接下來嘗試用STM32的高階定時器，輸出嵌入死區的互補PWM。
以下是定時器1的初始化程式碼，使用兩個通道輸出PWM，一個週期是100us，頻率是10KHz，3us的死區時間。預設通道一的佔空比是50%，通道2的佔空比是0%，讓電機以47%（佔空比減去死區）的速度正轉。
通道2輸出佔空比是0，可以讓右側上半橋總是截止，下半橋總是導通。下半橋沒有自舉電容。如此一來，只需要左側上半橋導通，就可以讓電機正轉。控制左側橋臂的佔空比，就能控制電機的佔空比。
定時器1的通道1引腳是PA8PB13，通道2的輸出引腳是PA9PB14。
void PWM_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseInitStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
//開啟TIM和相應埠時鐘
//啟動GPIO
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB,
ENABLE);
//啟動AFIO
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
//啟動TIM1
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
//GPIO做相應設定，為AF輸出 //PA8，PB13一組互補輸出 A9，PB14一組互補輸出
//PA.8/9口設定為TIM1的OC1輸出口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //複用推輓輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//PB.13/14口設定為TIM1_CH1N和TIM1_CH2N輸出口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
//TIM1基本計數器設定（設定PWM頻率）10KHz
TIM_BaseInitStructure.TIM_Period = 100-1; //10khz 好計算。按照1%的精確度，理論最大72000/100 = 720KHz
TIM_BaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72-1;
TIM_BaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_BaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上計數
TIM_BaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_BaseInitStructure);
//啟用ARR的影子暫存器（直到產生更新事件才更改設定）
TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);
//TIM1_OC1模組設定（設定1通道佔空比）
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//TIM脈衝寬度調製模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//輸出通道使能
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;//互補輸出
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;//TIM輸出比較極性高
//TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 50;//待裝入捕獲比較暫存器的脈衝值
TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);
//啟用CCR1暫存器的影子暫存器（直到產生更新事件才更改設定）
TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);
//TIM1_OC2模組設定（設定2通道佔空比）
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);
//啟用CCR2暫存器的影子暫存器（直到產生更新事件才更改設定）
TIM_OC2PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);
//OCx輸出訊號與參考訊號相同，只是它的上升沿相對參考訊號的上升沿有一個延遲
//OCxN輸出訊號與參考訊號相同，只是它的上升沿相對參考訊號的下降沿有一個延遲
//死區設定
TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_2;
//bit7~5 = 111,則deadtime = (32 + (bit4~bit0)* 16*1/fosc)ns = (32+31)*16*1/72000000 = 14us
TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 0xab; //這裡調整死區大小0-0xff3us
TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;
TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);
//TIM1_OC通道輸出PWM
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);
//TIM1開啟
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
}
從上圖中，可以清楚地看到，微控制器輸出的上、下橋臂控制訊號，不存在同時為高電平的時候，也就是同側上下橋臂不會同時導通。切換狀態時，某半橋臂的控制訊號拉低3us以後，另半橋臂的控制訊號才能拉高，這就是所謂的帶死區的互補PWM。
上圖是輸出的電機控制電壓。可以看出週期是100us，高電平持續時間大約一半。
初始化之後，在程式執行時，可以呼叫
TIM_SetAutoreload(TIM1,xx);來設定自動重灌值。在初始化的時候把此值設定為了100，如果改為80，效果如下：
可以看出，一個週期變成了80us。
也可以使用函式
TIM_SetCompare1(TIM1,xx);
TIM_SetCompare2(TIM1,xx);來分別為通道1與通道2設定比較值。例如，把比較值設定為80，而自動重灌值還是100，那麼佔空比就是80%了。
下邊是用按鍵控制電機的一個小demo。實現了按鍵1啟停，按鍵2切換正反轉，按鍵34增減轉速的功能。
int main(void)
{
static u8 motorValue = 50,oldvalue = 50;
static u8 startStop = 1,dir = 1;//startStop = 1啟動 =0停止 dir =1 正轉
volatile u8 key = 0;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //設定NVIC中斷分組2:2位搶佔優先順序，2位響應優先順序
LED_Init();
KEY_Init();
delay_init();
PWM_Configuration();
Motor_IO_Init();
LED1 = LED_ON;
while(1)
{
key = KEY_Scan(0);
if(key)
{
switch(key)
{
case KEY1_PRES:
startStop = !startStop;
break;
case KEY2_PRES:
dir = !dir;
break;
case KEY3_PRES:
motorValue += 5;
break;
case KEY4_PRES:
motorValue -= 5;
break;
default:
break;
}
if(motorValue>249)//<0
motorValue = 0;
else if(motorValue >94)
motorValue = 94;
if (startStop)
{
if(dir)
{
TIM_SetCompare2(TIM1,0);
delay_ms(500);
TIM_SetCompare1(TIM1,motorValue);
}
else
{
TIM_SetCompare1(TIM1,0);
delay_ms(500);
TIM_SetCompare2(TIM1,motorValue);
}
}
else
{
TIM_SetCompare1(TIM1,0);
TIM_SetCompare2(TIM1,0);
}
}
}
}
//S1 啟動&停止 S2翻轉 S3+5 S4-5