Таймеры и широтно-импульсная модуляция: первый запуск двигателя … ↩

1. Цели урока

Продолжительность урока — четыре часа: один час теории и три часа практики. После урока слушатель:

• рассчитывает предделитель и период таймера для заданной частоты и разрешения;
• настраивает канал таймера в режиме широтно-импульсной модуляции;
• объясняет, почему выходы одного таймера работают с общей частотой и общим протоколом;
• реализует защиту, которая не допускает импульсов на выходе до разблокировки двигателей;
• запускает двигатель на стенде и измеряет сигнал логическим анализатором.

2. Термины и сокращения

3. Таймер

Счётчик таймера увеличивается на единицу с частотой \( f_{TIM}/(PSC+1) \). Досчитав до значения регистра ARR, счётчик начинает счёт с нуля. В режиме PWM mode 1 на выходе канала держится высокий уровень, пока значение счётчика меньше значения регистра CCR.

\( f_{PWM} = \frac{f_{TIM}}{(PSC + 1)\,(ARR + 1)}, \qquad t_{имп} = \frac{CCR}{f_{TIM}/(PSC+1)} \)

4. Сигналы управления

Расчёт предделителя и периода

Удобно выбрать цену одного отсчёта таймера так, чтобы длительность импульса записывалась без пересчёта. При отсчёте 1 мкс на таймере с частотой 84 МГц предделитель равен 83, и значение CCR равно длительности импульса в микросекундах.

Частота 490 Гц, которую часто называют стандартной для регуляторов, при таком отсчёте точно не получается: \( 1\,000\,000 / 490 \approx 2040{,}8 \). Функция расчёта BeeFC в таком случае возвращает false, а не округляет молча, и выбирается частота 500 Гц с периодом ровно 2000 отсчётов.

Файл core/pwm_calc.h

typedef struct {
    uint32_t psc;   /* значение для регистра TIMx_PSC */
    uint32_t arr;   /* значение для регистра TIMx_ARR */
} pwm_timing_t;

/* timer_hz — частота тактирования таймера, tick_hz — желаемая цена
 * одного отсчёта (разрешение), pwm_hz — частота ШИМ.
 * max_arr — 0xFFFF для 16-битных таймеров, 0xFFFFFFFF для TIM2 и TIM5. */
bool pwm_calc(uint32_t timer_hz, uint32_t tick_hz, uint32_t pwm_hz,
              uint32_t max_arr, pwm_timing_t *out);

/* Длительность импульса в микросекундах переводится в значение CCR. */
uint32_t pwm_us_to_ccr(uint32_t tick_hz, uint32_t pulse_us);

Файл core/pwm_calc.c

bool pwm_calc(uint32_t timer_hz, uint32_t tick_hz, uint32_t pwm_hz,
              uint32_t max_arr, pwm_timing_t *out)
{
    if (tick_hz == 0 || pwm_hz == 0) return false;
    if (timer_hz % tick_hz != 0) return false;      /* дробный делитель недопустим */
    if (tick_hz % pwm_hz != 0) return false;

    uint32_t psc = timer_hz / tick_hz - 1u;
    uint32_t ticks = tick_hz / pwm_hz;
    if (psc ＞ 0xFFFFu || ticks == 0 || ticks - 1u ＞ max_arr) return false;

    out-＞psc = psc;
    out-＞arr = ticks - 1u;      /* счётчик считает от 0 до ARR включительно */
    return true;
}

uint32_t pwm_us_to_ccr(uint32_t tick_hz, uint32_t pulse_us)
{
    return (uint32_t)(((uint64_t)tick_hz * pulse_us) / 1000000u);
}

Файл tests/unit/test_level1.c

void test_pwm_esc_490hz_on_apb1_timer(void)
{
    pwm_timing_t t;
    /* Таймеры шины APB1 тактируются частотой 84 МГц, отсчёт 1 мкс. */
    TEST_ASSERT_TRUE(pwm_calc(84000000u, 1000000u, 490u, 0xFFFFu, &t) == false);
    TEST_ASSERT_TRUE(pwm_calc(84000000u, 1000000u, 500u, 0xFFFFu, &t));
    TEST_ASSERT_EQUAL_UINT32(83, t.psc);
    TEST_ASSERT_EQUAL_UINT32(1999, t.arr);
    TEST_ASSERT_EQUAL_UINT32(1500, pwm_us_to_ccr(1000000u, 1500));
}

Для OneShot125 нужно более высокое разрешение. Таймер TIM1 с частотой 168 МГц и предделителем 20 отсчитывает 8 МГц, и импульс длительностью 125 мкс занимает 1000 отсчётов. Весь диапазон газа делится на тысячу ступеней.

5. Группы выходов

Регистры PSC и ARR общие для всех четырёх каналов таймера. Поэтому выходы одного таймера всегда работают с одинаковой частотой, а значит, и с одинаковым протоколом. Различаются только значения CCR.

Таблица составлена по файлу timer_config.cpp платы mamba-f405-mk2 в PX4. Первый и второй двигатели образуют одну группу, третий и четвёртый — другую. Если подключить к третьему выходу сервопривод с частотой 50 Гц, четвёртый выход тоже будет работать на частоте 50 Гц.

Настройка канала таймера

Файл hal/stm32f4/pwm_stm32.c

bool motor_pwm_init(uint32_t pwm_hz)
{
    pwm_timing_t t;
    if (!pwm_calc(84000000u, 1000000u, pwm_hz, 0xFFFFu, &t)) return false;

    RCC-＞AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;
    RCC-＞APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
    (void)RCC-＞APB1ENR;
    GPIOB-＞MODER = (GPIOB-＞MODER & ~(3u ＜＜ 0)) | (2u ＜＜ 0);   /* PB0: альтернативная функция */
    GPIOB-＞AFR[0] = (GPIOB-＞AFR[0] & ~0xFu) | 2u;             /* AF2 = TIM3 */

    TIM3-＞PSC  = t.psc;
    TIM3-＞ARR  = t.arr;
    TIM3-＞CCR3 = 0;                                  /* до разблокировки — нет импульсов */
    TIM3-＞CCMR2 = (6u ＜＜ TIM_CCMR2_OC3M_Pos)         /* режим PWM 1 */
                | TIM_CCMR2_OC3PE;                   /* новое значение CCR — со следующего периода */
    TIM3-＞CCER = TIM_CCER_CC3E;                      /* включить выход канала */
    TIM3-＞CR1  = TIM_CR1_ARPE;
    TIM3-＞EGR  = TIM_EGR_UG;
    TIM3-＞CR1 |= TIM_CR1_CEN;
    return true;
}

void motor_pwm_write_us(uint32_t pulse_us)
{
    TIM3-＞CCR3 = pwm_us_to_ccr(1000000u, pulse_us);
}

Биты OC3PE и ARPE включают буферизацию: новое значение CCR и ARR вступает в силу только в начале следующего периода. Без буферизации запись в середине периода может дать один импульс неправильной длительности.

6. Безопасность первого запуска

Регулятор частоты вращения ждёт импульсов минимальной длительности, чтобы перейти в рабочий режим. Пока импульсов нет, он подаёт звуковой сигнал об отсутствии управления. Это безопасное состояние, и BeeFC остаётся в нём до разблокировки.

Временная защита уровня «Старт» реализуется модулем ядра motor_guard. Полноценная логика разблокировки с проверками появится в уроке P11.

1. После запуска двигатели заблокированы, на выходе нет импульсов.
2. Команда консоли arm разблокирует двигатели и устанавливает импульс 1000 мкс.
3. Команда motor 1 1100 задаёт длительность импульса, значение ограничивается диапазоном 1000–2000 мкс.
4. Если в течение пяти секунд не поступило ни одной команды, двигатели блокируются автоматически.
5. Команда disarm и любой символ, полученный во время работы двигателя, кроме цифр команды motor, блокируют двигатели немедленно.

Стенд для первого запуска

Двигатель закрепляется винтами на жёсткой пластине, пластина прижимается к столу струбцинами. Плоскость вращения винта закрывается защитным экраном из поликарбоната или сетки. Питание подаётся от лабораторного источника с ограничением тока или от аккумуляторной батареи через предохранитель.

7. Практика

8. Как это сделано в больших прошивках

• В Betaflight модуль motor.c выбирает протокол по настройке motorProtocol и обращается к драйверу через таблицу функций motorDevice.vTable. Это способ получить в языке C поведение, похожее на виртуальные методы C++. Драйвер ШИМ находится в pwm_output.c, таблица таймеров F4 — в timer_stm32f4xx.c.
• В INAV драйвер pwm_output.c построен так же, а выходы распределяет модуль pwm_mapping.c: функция checkPwmTimerConflicts проверяет, не занят ли таймер другой функцией, а назначение «двигатель» или «сервопривод» выдаётся всем выходам таймера сразу.
• В ArduPilot выходы объединены в группы pwm_group_list[], которые генерируются из описания платы hwdef.dat. Частота задаётся сразу для группы, и метод установки частоты применяет её ко всем каналам группы.
• В PX4 модуль PWMOut.cpp получает группы из таблицы io_timers файла timer_config.cpp платы. По этой таблице в разделе «Группы выходов» определено, какие двигатели платы mamba-f405-mk2 делят один таймер.

9. Проверьте себя

1. Рассчитайте предделитель и период для частоты 50 Гц при отсчёте 1 мкс на таймере 84 МГц.
2. Почему выходы одного таймера не могут работать с разной частотой?
3. Почему BeeFC после запуска не выдаёт на двигатели импульсов вовсе?
4. Зачем включается буферизация регистров CCR и ARR?
5. Как Betaflight выбирает драйвер протокола двигателей?

10. Чек-лист самопроверки

• Тесты расчёта таймера пройдены
• Сигнал на выходе первого двигателя проверен логическим анализатором
• Модуль защиты прошёл скрытые тесты
• Автоматическая блокировка через пять секунд проверена до установки воздушного винта
• Двигатель запущен на закреплённом стенде с защитным экраном

11. Источники

1. Справочное руководство RM0090, разделы 17 и 18, таймеры TIM1, TIM8 и TIM2–TIM5.
2. Указания по применению AN4013: введение в таймеры STM32.
3. Описание таймеров платы mamba-f405-mk2 в PX4.
4. Документация ArduPilot: подключение регуляторов и двигателей.

12. Что дальше

• Следующий урок: S9. Аналого-цифровой преобразователь: напряжение и ток аккумуляторной батареи.
• Полный перечень уроков приведён в статье «Курс BeeFC: содержание уровня „Старт“».

Проверено: 13.10.2026