三相逆变器驱动：STM32G4高级定时器，互补PWM生成实战

文章目录

• • 一、项目背景与原理概述
  • • 1.1 核心原理
  • 二、硬件准备与环境搭建
  • • 2.1 硬件清单
    • 2.2 软件环境
  • 三、开发流程总览
  • 四、STM32CubeMX详细配置步骤
  • • 4.1 新建工程
    • 4.2 时钟配置
    • 4.3 高级定时器TIM1配置
    • 4.4 死区时间配置
    • 4.5 GPIO配置
    • 4.6 生成代码
  • 五、代码编写与实现
  • • 5.1 核心代码文件说明
    • 5.2 代码实现
    • • 文件名：tim.h
      • 文件名：tim.c
      • 文件名：main.c
  • 六、工程编译与调试
  • • 6.1 编译工程
    • 6.2 下载程序
    • 6.3 波形调试
  • 七、常见问题与解决方案
  • • 7.1 PWM无输出
    • 7.2 互补通道波形异常
    • 7.3 占空比调整无效果
  • 八、功能扩展建议
  • • 总结

一、项目背景与原理概述

三相逆变器是新能源发电、电机驱动等领域的核心功率变换单元，其核心控制需求是生成6路互补且带死区保护的PWM信号。STM32G4系列MCU的高级定时器（TIM1/TIM8）原生支持互补PWM输出、死区插入、刹车保护等功能，是实现三相逆变器驱动的理想选择。

1.1 核心原理

• 互补PWM：每一路主PWM通道对应一路互补PWM通道（如CH1对应CH1N），用于驱动逆变器上下桥臂，避免桥臂直通
• 死区时间：在上下桥臂切换时插入固定延时，防止同一桥臂上下开关管同时导通
• 高级定时器特性：STM32G4的TIM1/TIM8为高级控制定时器，支持中心对齐/边沿对齐模式、死区生成、刹车功能，满足逆变器驱动的严苛要求

二、硬件准备与环境搭建

2.1 硬件清单

• 主控：STM32G431RBT6开发板
• 功率器件：三相逆变器桥（如IR2104驱动的MOS管/H桥）
• 辅助工具：示波器（用于观测PWM波形）、USB-TTL模块（调试）、5V/12V电源

2.2 软件环境

• IDE：STM32CubeIDE 1.15.0
• 固件库：STM32CubeG4 1.6.0
• 调试工具：ST-Link V2

三、开发流程总览

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环境搭建

CubeMX配置

时钟与GPIO配置

高级定时器TIM1配置

互补PWM参数设置

死区时间配置

代码生成与移植

工程编译与下载

PWM波形调试验证

功能优化与定型

四、STM32CubeMX详细配置步骤

4.1 新建工程

4.2 时钟配置

4.3 高级定时器TIM1配置

4.4 死区时间配置

4.5 GPIO配置

TIM1的PWM通道对应GPIO引脚（STM32G431RBT6）：

• CH1: PA8
• CH1N: PB13
• CH2: PA9
• CH2N: PB14
• CH3: PA10
• CH3N: PB15

确认上述引脚已被自动配置为Alternate Function Mode，无需手动修改。

4.6 生成代码

五、代码编写与实现

5.1 核心代码文件说明

5.2 代码实现

文件名：tim.h

#ifndef __TIM_H
#define __TIM_H

#include "main.h"

/* TIM1 相关宏定义 */
#define TIM1_PWM_FREQ 1000 // PWM频率1kHz
#define TIM1_PRESCALER 169 // 预分频值
#define TIM1_ARR 999 // 自动重装载值
#define TIM1_DEAD_TIME 100 // 死区时间

/* 函数声明 */
void MX_TIM1_Init(void);
void TIM1_Set_PWM_DutyCycle(uint32_t channel, uint16_t duty);
void TIM1_Start_PWM(void);

#endif /* __TIM_H */

文件名：tim.c

#include "tim.h"

TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};

/**
* @brief TIM1 Initialization Function
* @param None
* @retval None
*/
void MX_TIM1_Init(void)
{
/* TIM1 基础配置 */
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = TIM1_PRESCALER; // 预分频
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数模式
htim1.Init.Period = TIM1_ARR; // 自动重装载值
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频
htim1.Init.RepetitionCounter = 0; // 重复计数器
htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE; // 使能ARR预装载
if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* CH1 配置 */
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // PWM模式1
sConfigOC.Pulse = TIM1_ARR / 2; // 初始占空比50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 通道极性高
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW; // 互补通道极性低
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; // 关闭快速模式
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET; // 空闲状态复位
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; // 互补通道空闲状态复位
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* CH2 配置 */
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* CH3 配置 */
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 死区配置 */
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_1;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = TIM1_DEAD_TIME; // 死区时间设置
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_ENABLE; // 自动输出使能
if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

/**
* @brief 设置PWM占空比
* @param channel: 通道号（TIM_CHANNEL_1/2/3）
* @param duty: 占空比（0~TIM1_ARR）
* @retval None
*/
void TIM1_Set_PWM_DutyCycle(uint32_t channel, uint16_t duty)
{
// 边界检查，防止占空比超出范围
if(duty > TIM1_ARR)
{
duty = TIM1_ARR;
}

TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = duty;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;

if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, channel) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

// 重新使能通道输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, channel);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, channel);
}

/**
* @brief 启动TIM1所有PWM通道
* @param None
* @retval None
*/
void TIM1_Start_PWM(void)
{
// 启动主通道PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);

// 启动互补通道PWM输出
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
}

/**
* @brief 定时器底层初始化（GPIO、时钟）
* @param htim: 定时器句柄
* @retval None
*/
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef* htim_pwm)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(htim_pwm->Instance==TIM1)
{
/* TIM1 时钟使能 */
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();

/* GPIO 时钟使能 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

/* TIM1_CH1 (PA8) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* TIM1_CH2 (PA9) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* TIM1_CH3 (PA10) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* TIM1_CH1N (PB13) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* TIM1_CH2N (PB14) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_14;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* TIM1_CH3N (PB15) 配置 */
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
}

/**
* @brief 定时器底层反初始化
* @param htim: 定时器句柄
* @retval None
*/
void HAL_TIM_PWM_MspDeInit(TIM_HandleTypeDef* htim_pwm)
{
if(htim_pwm->Instance==TIM1)
{
/* TIM1 时钟禁用 */
__HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE();

/* GPIO 引脚反初始化 */
HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10);
HAL_GPIO_DeInit(GPIOB, GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15);
}
}

/**
* @brief 错误处理函数
* @param None
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* 用户可自定义错误处理逻辑，如LED闪烁 */
__disable_irq();
while(1)
{
// 空循环，方便调试
}
}

文件名：main.c

/* Includes ——————————————————————*/
#include "main.h"
#include "tim.h"

/* Private function prototypes ———————————————–*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* 初始化HAL库 */
HAL_Init();

/* 配置系统时钟 */
SystemClock_Config();

/* 初始化所有配置的外设 */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM1_Init();

/* 启动TIM1的6路PWM输出（3路主通道+3路互补通道） */
TIM1_Start_PWM();

/* 主循环 */
while (1)
{
/* 动态调整占空比示例：循环改变CH1占空比（0~100%） */
static uint16_t duty = 0;
static uint8_t dir = 1; // 1:占空比增加，0:占空比减少

// 调整占空比
TIM1_Set_PWM_DutyCycle(TIM_CHANNEL_1, duty);
TIM1_Set_PWM_DutyCycle(TIM_CHANNEL_2, 300); // CH2固定30%占空比
TIM1_Set_PWM_DutyCycle(TIM_CHANNEL_3, 700); // CH3固定70%占空比

// 占空比方向控制
if(dir)
{
duty += 10;
if(duty >= TIM1_ARR)
{
dir = 0;
}
}
else
{
duty -= 10;
if(duty <= 0)
{
dir = 1;
}
}

/* 延时50ms，控制占空比变化速度 */
HAL_Delay(50);
}
}

/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

/* 配置电源电压缩放 */
HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

/* 配置振荡器 */
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = RCC_PLLM_DIV4;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 85;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

/* 配置系统时钟 */
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

/**
* @brief GPIO Initialization Function
* @param None
* @retval None
*/
static void MX_GPIO_Init(void)
{
/* GPIO初始化已在tim.c的HAL_TIM_PWM_MspInit中完成，此处留空 */
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* 用户可自定义打印错误信息 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

六、工程编译与调试

6.1 编译工程

6.2 下载程序

6.3 波形调试

七、常见问题与解决方案

7.1 PWM无输出

• 原因1：TIM1输出未使能 → 解决方案：确认TIM1_Start_PWM()函数已调用，且HAL_TIMEx_PWMN_Start已执行
• 原因2：GPIO引脚配置错误 → 解决方案：检查GPIO的Alternate Function是否为AF6_TIM1
• 原因3：死区配置导致输出被禁用 → 解决方案：确认Automatic Output已使能

7.2 互补通道波形异常

• 原因1：极性配置错误 → 解决方案：主通道设为TIM_OCPOLARITY_HIGH，互补通道设为TIM_OCNPOLARITY_LOW
• 原因2：死区时间设置过大/过小 → 解决方案：根据功率器件的开关时间调整DeadTime值

7.3 占空比调整无效果

• 原因：未重新配置通道参数 → 解决方案：调用HAL_TIM_PWM_ConfigChannel后需重新启动PWM输出

八、功能扩展建议

总结