关于AVR的PWM的使用

这一段帮同学用AVR128A做毕设，航模遥控控制机械臂工作台，使用驱动的时候遇到了锁不住电机的问题。原来解决这个问题是两个方案：一是设置驱动的截断的电流，＜多少转速是死区。第二种方法是自己用编码器写一个抱死的程序。

    下面是我的程序的设计思路： 这个程序用了两个定时器：timer0和timer1。
    timer0用来产生pwm。timer0产生pwm信号是这样实现的：程序中有一个timer0的溢出事件计数器，和两个保存两路pwm信号占空比的变量，当timer0溢出事件计数器计数超过100时，如果某个pwm信号占空比不为0，则把相应pwm引脚置高电平，同时清零此计数器，当此计数器等于某个占空比时，则把相应引脚置低电平，从而实现timer0溢出事件计数器从0计数到100时输出一个周期的pwm信号。通过调节timer0的溢出频率，即可调节pwm信号输出的频率。
     timer1用来对编码器的输出进行计数，同时调整pwm的占空比，实现对电机的控制。对编码器的输出计数是利用了timer1的输入捕捉功能，由于电机可以正转，也可以反转，导致编码器的CHA和CHB的输出也不同，所以可以在程序中可以判断电机是正转还是反转，再对编码器的输出脉冲进行计数，当电机正转的时候计数增加，电机反转的时候计数减少，所以编码器的计数值是有正负的。从而可以知道什么时候该通过调整pwm来控制电机。
    下面是我的调试过程，也算是一点经验吧：以开始的思路是只要编码器的计数值不为0，我就要让电机反方向转动，以保持电机抱死，发送给电机的pwm是固定的数值，但是这样反而是抱不死，它在前后地抖动，而且pwm的占空比越大，电机抖动得越厉害，这样显然不行；后来想了一个办法，就是如果编码器的计数值在一定的范围内，我就不用让电机反方向转动。因为这个电机是变速电机，如果电机里面只转动一点点，在外面看来就相当于不动，这样的话就给电机预留了一部分转动的空间，用来消除抖动，就是说在这个空间内是不发送pwm给电机的，或者说电机两极的pwm占空比都为0。这样一来，当pwm占空比比较低时，是可以消除抖动，但是力气不大，就是说还是可以用钳子拧得动，调了很久都无法在抖动和电机力气之间取得平衡。后来又想了一个办法，在这个基础上再改进，因为之前的pwm占空比都是不变的，所以很难达到令人满意的效果，现在的方法是，根据电机被拧动的角度，或者说编码器的计数值大小来调整pwm的占空比，编码器的计数值偏离0越多（正或负得越大），pwm的占空比就越大，电机的力气也就越大，从而不会出现电机一旦被拧动就马上以最大速度转回去的情况，抖动也就消除了，而且电机力气很大。

  编译环境是AVR Studio 5.0，下面是程序代码：
#include 
#include  
 
 
int forward = 0, reverse = 0;//存储电机正转和反转pwm占空比的变量
int timer0_count = 0;//timer0溢出事件计数器
int capt_count = 0;//输入捕捉事件计数器
 
 
void port_init(void)
{
PORTA = 0x00;
DDRA  = 0x00;
PORTB = 0x00;
DDRB  = 0x00;
PORTC = 0x00; //m103 output only
DDRC  = 0x00;
PORTD = 0x00;
DDRD  = 0xC0;
PORTE = 0x00;
DDRE  = 0x00;
PORTF = 0x00;
DDRF  = 0x00;
PORTG = 0x00;
DDRG  = 0x00;
}
 
 
void timer0_init(void)
{
TCCR0 |= 5;//256分频,普通模式
TIMSK |= 0x01;//timer0溢出中断
TCNT0 = 0xFE;//TCNT0赋初值
}
 
 
void timer1_init(void)
{
TCCR1B = 0x00;//停止
TCCR1A = 0x00;//普通模式
TCCR1C = 0x00;
TCNT1 = 0;//计数初值
TCCR1B = 0xC4;//启动定时器，256分频,使能输入捕捉噪声抑制器,输入捕捉触发沿选择：上升沿
TIMSK = 0x24;//输入捕捉中断使能，T/C1溢出中断使能
}
 
/************************************************************************/
/*  timer0溢出中断函数，产生提供给电机的pwm                             */
/************************************************************************/
ISR(TIMER0_OVF_vect)//200kHz
{
TCNT0 = 0xFE;//TCNT0重新赋值
//当timer0_count等于100时，如果正转或反转的占空比不为0，则相应引脚输出高电平
if(++timer0_count >= 100)//对timer0溢出事件计数100次，相当于100分频，最后输出到电机的pwm频率是2kHz
{
timer0_count = 0;
if(forward != 0)//forward, reverse存储电机正转和反转pwm占空比的变量
{PORTD |= (1<<6);}
if(reverse != 0)
{PORTD |=(1<<7);}
}
//当timer0_count等于正转或反转的占空比时，相应引脚输出低电平，实现输出pwm信号
if(timer0_count == forward)
{PORTD &= ~(1 << 6);}
if(timer0_count == reverse)
{PORTD &= ~(1 << 7);}
}
 
/************************************************************************/
/*  timer1输入捕捉中断函数,对编码器输出的上升沿进行计数              */
/************************************************************************/
ISR(TIMER1_CAPT_vect)
{
　　if(PIND & (1 << 5))//电机反转
　　{capt_count--;}//输入捕捉计数器减1
　　else               //电机正转
　　{capt_count++;}//输入捕捉计数器加1
}
 
 
/************************************************************************/
/*  timer1溢出中断函数，100Hz,用于调整电机转速和转动的方向，实现电机抱死*/
/************************************************************************/
ISR(TIMER1_OVF_vect)
{
TCNT1 = 64910;                           //重新给TCNT1赋值
static unsigned char motor_state = 0;    //电机的状态，标志电机是正转还是反转，0：正转，1：反转
switch(motor_state)
{
case 0://电机正转时
if(capt_count > 40)              //如果编码器正转计数超过40，则电机需要反转，以保持电机不动
{reverse = capt_count - 40;} //直接把编码器计数值减去40，作为反转的占空比
else if(capt_count < 0)          //如果编码器计数值小于0
{motor_state = 1;}           //进入状态1
else                             //如果编码器计数值在0~40内，为了不发生抖动，不需要反转
{reverse = 0;}               //反转的占空比为0，相当于负极接地
forward = 0;                     //正转的占空比为0，相当于正极接地
break;
 
case 1:
if(capt_count < -40)             //如果编码器反转计数超过40，则电机需要正转，以保持电机不动
{forward = (-capt_count) - 40;}//直接把编码器计数值减去40，作为正转的占空比
else if(capt_count > 0)          //如果编码器计数值大于0
{motor_state = 0;}           //返回状态0
else                             //如果编码器计数值在-40~0内，为了不发生抖动，不需要正转
{forward = 0;}               //正转的占空比为0，相当于正极接地
reverse = 0;                     //反转的占空比为0 ，相当于负极接地
break;
 
default:
break;
}
}
 
 
void Init_Devices(void)
{
cli();//关闭全局中断
port_init();//I/O口初始化
timer1_init();//定时/计数器1初始化
timer0_init();//计时/计数器0初始化
sei();//打开全局中断
}
 
 
int main(void)
{
    Init_Devices();
    while(1)
    {}
 
    return 0;
}

这是比较麻烦的方法，需要用到编码器。后来仔细再读一遍AVR的说明书。发现是PWM模式的选择有问题。下面是5种模式说明

 1    普通模式 WGM1=0  
      跟51的普通模式差不多，有TOV1溢出中断标志，发生于MAX(0xFFFF)时  
      1 采用内部计数时钟       用于 ICP捕捉输入场合---测量脉宽/红外解码  
          (捕捉输入功能可以工作在多种模式下，而不单单只是普通模式)  
      2 采用外部计数脉冲输入    用于 计数，测频  
      其他的应用，采用其他模式更为方便，不需要像51般费神  
      
    2 CTC模式 [比较匹配时清零定时器模式] WGM1=4,12  
       跟51的自动重载模式差不多  
       1 用于输出50%占空比的方波信号  
       2 用于产生准确的连续定时信号  
       WGM1=4时，最大值由OCR1A设定，TOP时产生OCF1A比较匹配中断标志  
       WGM1=12时，最大值由ICF1设定， TOP时产生ICF1输入捕捉中断标志  
             ------如果TOP=MAX，TOP时也会产生TOV1溢出中断标志  
       注:WGM=15时，也能实现从OC1A输出方波，而且具备双缓冲功能  
       计算公式： fOCn="fclk"_IO/(2*N*(1+TOP))  
                     变量N 代表预分频因子(1、8、64、256、1024)，T2多了(32、128)两级。       
       
    3 快速PWM模式 WGM1=5,6,7,14,15   
      单斜波计数，用于输出高频率的PWM信号(比双斜波的高一倍频率)  
      都有TOV1溢出中断，发生于TOP时[不是MAX,跟普通模式，CTC模式不一样]  
      比较匹配后可以产生OCF1x比较匹配中断.  
        WGM1=5时, 最大值为0x00FF， 8位分辨率  
        WGM1=6时, 最大值为0x01FF， 9位分辨率  
        WGM1=7时, 最大值为0x03FF，10位分辨率   
       WGM1=14时,最大值由ICF1设定， TOP时产生ICF1输入捕捉中断 (单缓冲)  
       WGM1=15时,最大值由OCR1A设定，TOP时产生OCF1A比较匹配中断(双缓冲,但OC1A将没有PWM能力，最多只能输出方波)  
       改变TOP值时必须保证新的TOP值不小于所有比较寄存器的数值  
      注意，即使OCR1A/B设为0x0000，也会输出一个定时器时钟周期的窄脉冲，而不是一直为低电平  
      计算公式：fPWM=fclk_IO/(N*(1+TOP))  
    4 相位修正PWM模式 WGM1=1,2,3,10,11   
      双斜波计数，用于输出高精度的，相位准确的，对称的PWM信号  
      都有TOV1溢出中断，但发生在BOOTOM时  
      比较匹配后可以产生OCF1x比较匹配中断.  
        WGM1=1时, 最大值为0x00FF， 8位分辨率  
        WGM1=2时, 最大值为0x01FF， 9位分辨率  
        WGM1=3时, 最大值为0x03FF，10位分辨率   
       WGM1=10时,最大值由ICF1设定， TOP时产生ICF1输入捕捉中断 (单缓冲)  
       WGM1=11时,最大值由OCR1A设定，TOP时产生OCF1A比较匹配中断(双缓冲,但OC1A将没有PWM能力，最多只能输出方波)  
      改变TOP值时必须保证新的TOP值不小于所有比较寄存器的数值  
      可以输出0%~100%占空比的PWM信号  
      若要在T/C 运行时改变TOP 值，最好用相位与频率修正模式代替相位修正模式。若TOP保持不变，那么这两种工作模式实际没有区别  
      计算公式：fPWM=fclk_IO/(2*N*TOP)  
    5 相位与频率修正PWM模式 WGM1=8，9   
      双斜波计数，用于输出高精度的、相位与频率都准确的PWM波形  
      都有TOV1溢出中断，但发生在BOOTOM时  
      比较匹配后可以产生OCF1x比较匹配中断.  
       WGM1=8时,最大值由ICF1设定， TOP时产生ICF1输入捕捉中断 (单缓冲)  
       WGM1=9时,最大值由OCR1A设定，TOP时产生OCF1A比较匹配中断(双缓冲,但OC1A将没有PWM能力，最多只能输出方波)  
      相频修正修正PWM 模式与相位修正PWM 模式的主要区别在于OCR1x 寄存器的更新时间  
      改变TOP值时必须保证新的TOP值不小于所有比较寄存器的数值  
      可以输出0%~100%占空比的PWM信号  
      使用固定TOP 值时最好使用ICR1 寄存器定义TOP。这样OCR1A 就可以用于在OC1A输出PWM 波。  
      但是，如果PWM 基频不断变化(通过改变TOP值)， OCR1A的双缓冲特性使其更适合于这个应用。  
      计算公式：fPWM=fclk_IO/(2*N*TOP)  

说一下使用的体验吧。我使用的是四个冯哈伯的24V电机，与一个5相步进电机加5807np驱动器。5相步进除了供电外，如果不设置扭矩，输出脉冲检测，步距角，只往CW和CCW输入脉冲就可以实现正反转。开始的想法是PWM直接输出给CW，CCW。发现一直转，无法停止，猜测应该是有脉冲一直输出，手头没有示波器。采用的是快速PWM模式，问题是在OCRXX设置为0的时候还是有短暂的脉冲输出。换成相位修正模式解决问题。相位修正可以直接输出0和5V。实际上，后来实验，还没有直接IO取反顺畅，跟PWM的分频有关系，频率不够快。

后面使用到了舵机，因为2个定时器用来采集，两个用来输出PWM。没有用来定时的资源了。就打算偷懒直接输PWM。使用快速或者相位修正的10位模式可以做到使其转动，但是因为周期不是20ms，对应的时间设置和数字对不上，控制也不准确。如果想准确定时，通过自己的分频计算，使用相频可调模式，设置

TCCR1A=0XA0;
TCCR1B=0X13;
TCR1=1152;
OCR1A=87;//1.5MS 360舵机的停止

可准确完成定时，输出脉冲。