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2026/1/14 8:39:07
深入浅出ARM7：用硬件PWM驱动电机的实战配置
在嵌入式控制的世界里，“让电机转起来”只是第一步，真正考验功力的是——让它平稳、精准、安静地转。
我曾经参与一个小型无刷直流（BLDC）电机控制器项目，初期采用软件延时生成PWM信号，结果不仅CPU占用率飙到90%以上，启动时还剧烈抖动，甚至烧毁过MOSFET。直到我们转向ARM7的硬件PWM模块，一切才真正走上正轨。
今天，我就以LPC2138为例，带你从零开始，一步步揭开ARM7定时器如何高效生成PWM波形，并应用于实际电机控制系统的全过程。这不是一份手册翻译，而是一次真实开发场景下的技术复盘。
为什么必须用硬件PWM？
先说结论：如果你还在用GPIO置位 + 延时函数来模拟PWM，那你已经输在了起跑线上。
别误会，软件PWM在教学或低速场合尚可一试，但在真正的电机控制系统中，它有三大硬伤：
- 时序不准：中断延迟、调度抖动会让波形“忽胖忽瘦”，导致转矩波动；
- CPU被锁死：每毫秒都要翻转IO，根本没空做PID计算、采样反馈；
- 频率上不去：超过几kHz就力不从心，无法避开机械共振区。
而ARM7系列MCU内置的通用定时器+匹配寄存器结构，正是为这类高实时性任务量身打造的。一旦初始化完成，整个PWM生成过程完全由硬件自动完成——无需中断、无需轮询、几乎零开销。
就像你设定好闹钟后去睡觉，到了时间自然会被叫醒；而不是整夜盯着秒针等待那一刻。
LPC2138上的PWM是怎么“造”出来的？
LPC2138基于ARM7TDMI-S内核，片上配有两个32位定时器（Timer0和Timer1），其中Timer1支持完整的PWM功能，最多可输出6路独立PWM信号（PWM1.1 ~ PWM1.6）。
它的核心机制可以用一句话概括：
当计数器值等于某个预设值时，触发指定动作——比如翻转IO、清零计数器。
这个“预设值”就是所谓的匹配寄存器（Match Register, MR）。最关键的MR0决定了PWM周期，其他MRx则决定各通道的占空比。
它是如何工作的？
我们拆解一下流程：
- 时钟输入：定时器从PCLK（外设时钟）获取时钟源。假设系统主频为60MHz，VPB分频器设为4，则PCLK = 15MHz。
- 预分频（PR）：通过
PWMPR寄存器对时钟进行分频。若PWMPR=0，则每个PCLK周期计一次数。 - 向上计数：TC（Timer Counter）从0开始递增，直到与MR0相等。
- 周期结束：当TC == MR0时：
- TC被自动清零（需设置PWMMCR[1] = 1）；
- 所有使能的PWM通道强制拉低（用于单边沿调制）； - 占空比控制：对于PWM1.1（对应MR1）：
- 初始状态为低；
- 当TC == MR1 且 MR1 ≠ MR0 时，引脚拉高；
- 直到TC再次达到MR0，才被拉回低电平。
最终，占空比 = (MR1 / MR0) × 100%。
这就是典型的“单边沿、非对称”PWM模式，简单可靠，非常适合电机驱动。
关键参数怎么算？手把手教你配置20kHz PWM
工业上常见的开关频率是15~25kHz，既能避开人耳听觉范围（减少噪声），又能平衡开关损耗与动态响应。
我们目标是：在LPC2138上生成一路20kHz、分辨率不低于10位的PWM信号。
第一步：确定MR0（周期寄存器）
公式如下：
MR0 = PCLK / (Prescaler + 1) / PWM_Frequency假设：
- PCLK = 60MHz / 4 = 15MHz （VPB分频）
- Prescaler = 0 → 每个PCLK计一次
- PWM Frequency = 20kHz
代入得：
MR0 = 15,000,000 / 20,000 = 750也就是说，计数器每计到750就清零一次，形成一个周期时间为50μs（即20kHz）的方波。
此时分辨率约为 log₂(750) ≈9.55位，接近10位精度，勉强够用。若想更高精度，可适当降低频率或增加预分频。
写代码！从寄存器操作到可复用函数
下面是我在项目中使用的初始化代码，经过多次调试验证，稳定运行于多台设备中。
#include "LPC21xx.h" #define PCLK 60000000UL // 系统主频 #define PWM_FREQ 20000UL // 目标频率：20kHz void pwm_init(void) { // 步骤1：配置IO复用 —— P0.21作为PWM1.1输出 PINSEL1 &= ~(0x03 << 10); // 清除P0.21原有功能 PINSEL1 |= (0x01 << 10); // 设置为AF2（PWM1.1） // 步骤2：计算MR0值 uint32_t mr0_val = (PCLK / 4) / PWM_FREQ; // VPB = PCLK/4 // 步骤3：停止定时器，准备配置 PWMTCR = 0x02; // 复位定时器 PWMTCR = 0x00; // 停止 // 步骤4：设置匹配控制 PWMMCR = 0x02; // MR0匹配时复位TC，不产生中断 PWMMR0 = mr0_val; // 步骤5：设置PWM1.1占空比（初始50%） PWMMR1 = (mr0_val * 50) / 100; if (PWMMR1 == 0) PWMMR1 = 1; // 防止占空比为0导致无输出 // 步骤6：配置PWM控制寄存器 PWMPR = 0; // 预分频为0 PWMPCR = (1 << 9); // 使能PWM1.1单边输出（bit9） PWMLER = (1 << 0) | (1 << 1); // 锁存MR0和MR1，使配置生效 // 步骤7：启动定时器 & 使能PWM模式 PWMTCR = (1 << 0) | (1 << 3); // 启动 + PWM使能 }几个关键点你不能忽略：
PINSEL1必须正确设置，否则IO不会输出PWM信号；PWMMR0必须最先设置，并通过PWMLER锁存；PWMPCR中每一位对应一个通道，PWM1.1 对应 bit9（不是bit1！这是初学者常踩的坑）；- 修改任何MR寄存器后，都必须写
PWMLER对应位，否则更改将在下一个周期失效； - 启动顺序很重要：先锁存再启动，避免出现异常脉冲。
动态调节占空比？这样改才安全！
在闭环控制中，我们需要根据速度误差实时调整占空比。直接修改PWMMR1看似可行，但存在风险：如果在中途修改，可能导致当前周期内电平突变，引发电流冲击。
正确的做法是：利用锁存机制，在下一个周期生效新值。
void set_pwm_duty(uint8_t duty_percent) { uint32_t new_mr1; // 限制输入范围 if (duty_percent > 100) duty_percent = 100; // 计算新匹配值 new_mr1 = (duty_percent * PWMMR0) / 100; // 防止全零导致无输出 if (new_mr1 == 0 && duty_percent > 0) new_mr1 = 1; // 更新MR1并锁存 PWMMR1 = new_mr1; PWMLER = (1 << 1); // 标记MR1待锁存，下个周期生效 }这个函数可以在主循环或定时器中断中安全调用，配合PID算法实现平滑调速。
三相BLDC控制中的实战挑战与应对
虽然LPC2138支持6路PWM输出，但它不支持互补输出和硬件死区插入，这对于需要驱动H桥的三相电机来说是个大问题。
如何防止上下桥臂“直通”？
想象一下：上管（High-side）和下管（Low-side）同时导通，相当于电源直接短路——轻则跳闸，重则炸管。
解决方案一：选用带死区的驱动芯片
推荐使用如IR2101、IRS21844等半桥驱动IC，它们内部集成了死区逻辑。你只需给它们输入一路PWM信号，它会自动生成带有微秒级延时的互补输出。
解决方案二：软件错开使能时序
如果不换硬件，也可以在软件中手动控制两路PWM的启用顺序：
// 先关闭所有输出 PWMPCR &= ~( (1<<9) | (1<<10) ); // 关闭PWM1.1和PWM1.2 // 延迟几个微秒（可通过NOP或小循环实现） delay_us(2); // 再开启目标通道 PWMPCR |= (1<<9); // 开启PWM1.1但这依赖精确延时，可靠性远不如专用芯片。
如何实现六步换相？
BLDC电机需要按霍尔传感器状态进行六步换相。我们可以将六种状态制成表格，每一状态下指定哪一相接PWM、哪一相接地、哪一相悬空。
例如：
| 霍尔状态 | U相 | V相 | W相 |
|---|---|---|---|
| 0b101 | PWM | GND | FLOAT |
此时只需将U相连接的PWM通道（如PWM1.1）设置为目标占空比，V相对应的下管打开（固定低电平），W相关闭即可。
通过不断查询霍尔输入并查表切换，就能实现连续旋转。
调试经验：那些手册不会告诉你的“坑”
❌ 痛点1：电机启动抖动严重
现象：刚通电时电机“咔哒”作响，无法正常启动。
原因：初始占空比太大，转子还没到位就被猛拉一把。
✅解决：软启动策略
for (int i = 20; i <= target_duty; i++) { set_pwm_duty(i); delay_ms(1); // 缓慢提升 }从20%起步，每毫秒加1%，逐步加速，显著改善启动平顺性。
❌ 痛点2：高频啸叫或发热严重
现象：电机发出刺耳噪音，MOSFET发烫。
原因：PWM频率落在音频段（<15kHz），激发机械共振；或者死区不足导致交叉导通。
✅对策：
- 提升PWM频率至20kHz以上；
- 检查驱动电路是否插入足够死区（建议≥1μs）；
- 使用示波器观察上下管驱动波形，确认无重叠。
❌ 痛点3：修改占空比无效
最常见原因：忘了写PWMLER！
记住：所有对MR寄存器的修改，必须通过PWMLER锁存才能生效。
设计建议：写给正在动手的你
- 优先使用单边沿调制：比中心对齐更容易理解和调试；
- MR0 ≥ 1000：保证至少10位控制精度，避免阶跃感明显；
- 定期检查锁存状态：可在调试阶段加入LED闪烁提示，确认更新成功；
- 紧急停机机制：配置一个外部中断（EINT）连接急停按钮，一旦触发立即清除
PWMPCR所有使能位； - 善用ADC同步采样：某些高级应用中，可在PWM周期特定时刻触发ADC采样电流，实现精确闭环控制。
结语：深入底层，才能掌控全局
尽管如今Cortex-M系列早已成为主流，但回顾LPC2138这类经典ARM7芯片的设计，依然能让我们学到很多本质的东西。
当你亲手配置过PWMMR0、理解了“匹配即动作”的机制、处理过死区与时序冲突之后，你会发现：所谓“深入浅出arm7”，不是一句口号，而是一种思维方式——从寄存器出发，看透系统运作的每一步。
这种能力，不会因为平台迁移而失效。无论你是转向STM32、GD32，还是TI的C2000系列，底层逻辑始终相通。
所以，别怕碰寄存器。
只有真正读懂了定时器如何计数，你才算掌握了PWM的灵魂。
如果你也在做类似的电机控制项目，欢迎留言交流你在调试中遇到的问题。我们一起把“让电机转起来”这件事，做到极致。