STM32上的PWM相位控制：定时器同步方法

STM32 上精确 PWM 相位控制：无损硬件方法

STM32 微控制器缺少直接调整硬件 PWM 信号相位的寄存器。此问题在需要严格时序偏移的多通道同步任务中至关重要。我们将展示如何实现精确相位控制，同时对性能影响最小，且无需软件仿真。

为什么需要调整 PWM 相位？

STM32 上的硬件 PWM 可以轻松设置频率和占空比，但标准库并不提供直接相位偏移的方法。此限制在以下场景中变得关键：

• 使用两个带有固定偏移的 PWM 信号模拟正交编码器
• 为正交混频器生成 sin/cos 对（90° 偏移）
• 控制三相 BLDC 电机（通道间 120° 偏移）
• 同步内燃机中的汽油喷射器或点火线圈
• 在 SDR 接收机中生成 LO 信号
• 通过在电源电路中人为错开相位来降低 EMI

没有硬件同步的情况下，信号相位由随机因素决定：定时器初始化时间、代码执行速度、总线频率。这使得可预测的同步变得不可能。

理论基础：主从架构

核心思路是使用一个定时器（主定时器）作为另一个定时器（从定时器）的参考同步源。通过主定时器的比较器值来调整从定时器的相位。当此值达到时，从定时器的计数器将被复位，从而产生所需的时序偏移。


重要的是，相位以相对单位度量：

• 0° — 同相信号
• 180° — 反相
• 360° — 完整周期（等同于 0°）

偏移精度由定时器分辨率决定。对于 1 ms 周期和 84 MHz 总线时钟，误差可低至 11.9 ns（1/84e6）。

实际实现方法

方法 0：极性反转（180° 偏移）

最简单的方法是切换 TIMx_CCER 寄存器中的 CCxP 位。这是一个原子操作，无需额外资源。缺点是仅有两个固定状态（0° 和 180°）。适用于 BPSK 调制，但无法满足平滑调整的需求。

方法 1：软件计数器调整

朴素方法是直接写入从定时器的 CNT 寄存器：

bool pwm_phase_set_counter_adjust(uint8_t num, int32_t phase_us) {
    bool res = false;
    PwmHandle_t *Node = PwmGetNode(num);
    if(Node) {
        int32_t compare_value = TimerPhaseUsToCompareValue(Node->PhaseComparator.timer, phase_us);
        int32_t counter_base = (int32_t) timer_counter_get(Node->PhaseComparator.timer);
        int32_t value = counter_base + compare_value;
        res = timer_counter_set(Node->TimChan.timer, (uint32_t) value);
    }
    return res;
}

此方法在 1 kHz 时误差高达 3 µs（0.29%），原因是代码执行时间。主要缺点：

• 写入期间需要停止定时器
• 校正时刻破坏信号完整性
• 增加 CPU 的中断负担

方法 2：通过主从硬件同步

最佳方案利用内置定时器同步机制。设置包括：

• 将主定时器（TIM8）配置为在 OC1 比较器匹配时触发生成模式（TIM_TRGO_OC1）
• 将从定时器（TIM4）设置为在内部触发（TIM_TS_ITR3）上复位
• 设置从模式为复位（TIM_SLAVEMODE_RESET）

HAL 配置如下：

const TimerConfig_t TimerConfig[] = {
    { 
        .num = TIMER_NUM_LO_BASE,
        .role = TIMER_ROLE_MASTER,
        .master_out_trigger = TIMER_MASTER_OUT_TRG_OC1,
    },
    { 
        .num = TIMER_NUM_LO,
        .role = TIMER_ROLE_SLAVE,
        .slave_input_trigger = TIMER_SLAVE_IN_TRIG_INTERNAL_TRIGGER_3,
        .slave_mode = TIMER_SLAVE_MODE_RESET,
    },
};

方法优势：

• 完全硬件实现，无需中断
• 偏移精度达总线时钟周期（84 MHz 时为 11.9 ns）
• 动态调整期间输出信号无毛刺
• CPU 负载最小（仅写入主定时器比较器寄存器）

限制：

• 需要支持主从连接的定时器对
• 每个主定时器最多 4 个从定时器（受比较器数量限制）
• 某些定时器（6、7、10、11、13、14）不支持从模式

使用逻辑分析仪诊断相位

正确设置的验证使用示波器或逻辑分析仪进行。测试步骤：

• 将主定时器（TIM8_CH1）设置为 1 kHz、50% 占空比
• 将从定时器（TIM4_CH2）设置为 90° 相位偏移
• 将探头连接到对应引脚

预期结果：

• 零偏移时，主信号上升沿与从周期起始对齐
• 对于 1 ms 周期的 90° 偏移，从信号偏移 250 µs


关键点：误差以总线时钟周期度量。对于 STM32F407 的 84 MHz 总线，最小步进为 11.9 ns。在 1 kHz 实际应用中，精度达 0.012%。

关键要点

• 方法选择取决于精度要求：0.01% 误差使用硬件同步；0.3% 误差可接受软件调整
• 检查定时器兼容性：并非所有对都支持主从连接（参见 RM0090 中的表格）
• 避免停止定时器：硬件方法在相位变化期间不中断信号生成
• 考虑从设备限制：一个主定时器最多连接 4 个从定时器
• 使用示波器诊断相位：关键系统必须进行视觉验证

— Editorial Team