PWM波形生成控制电机转速

原创于 2025-11-13 15:41:47 发布 · 699 阅读

13 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#PWM # 电机控制 # STM32

AI助手已提取文章相关产品：

PWM波形生成控制电机转速

你有没有遇到过这种情况：给小车装上电机，代码一烧录，结果轮子“嗡嗡”响、抖得像在跳街舞？ 🤯
或者明明调了速度，电机却忽快忽慢，像个情绪不稳定的选手……其实，问题很可能出在—— PWM没调对！

别看它只是个“方波”，这背后可是藏着让电机听话的大学问。今天咱们就来深挖一下：如何用PWM精准控制电机转速，从原理到实战，手把手带你避开那些年我们都踩过的坑 💣。

什么是PWM？为什么它能“模拟”电压？

我们都知道，MCU输出的是数字信号——要么高电平（比如3.3V），要么低电平（0V）。但电机想要的是“中间态”：50%速度、70%扭矩……怎么实现？

答案就是： 快速开关 + 平均效应 = 等效模拟电压 ！

这就是 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制） 的核心思想。它不是真的输出一个中间电压，而是通过改变高电平持续的时间比例——也就是“占空比”，来控制负载接收到的平均能量。

举个生活化的例子🌰：
想象你在用水龙头浇花，不能调节水流大小，只能全开或全关。怎么办？你可以每秒开关五次，每次开0.2秒、关0.8秒——这样植物实际得到的水量，就相当于“20%流量”。
PWM 就是这个道理，只不过开关速度极快，电机根本“反应不过来”。

数学表达也很简单：

$$
V_{\text{avg}} = V_{\text{in}} \times D
$$

其中 $D$ 是占空比（0~1 或 0%~100%），$V_{\text{in}}$ 是电源电压。
比如输入12V，占空比设为60%，那电机“感受到”的就是等效7.2V电压。

是不是有点“以假乱真”的味道了？😎

那么，PWM频率该设多少才合适？

很多人以为只要占空比对了就行，其实 频率选错，照样翻车 ！

如果频率太低（<1kHz）：你会听到电机“哒哒哒”地响，甚至车身都在抖——因为它真的在断续供电；
而频率太高（>100kHz）：虽然听不见噪音了，但MOSFET频繁开关带来的 开关损耗 会让你的驱动芯片烫得能煎蛋🍳；

所以，黄金区间一般推荐在 16kHz ~ 20kHz ——
👉 刚好超过人耳听力上限（20kHz），彻底告别“蜂鸣音”；
👉 又不至于让功率器件累趴下。

当然啦，具体还得看应用场景：
- 小功率风扇？10kHz也够用；
- 高精度伺服系统？可能要上到48kHz甚至更高；
- 无刷电机FOC控制？那基本都在20kHz以上起步。

一句话总结： 够用就好，别贪高 。毕竟效率和温升都是实打实的问题。

分辨率也很关键：你能调得多精细？

假设你用的是8位定时器，周期值最大是255，那就意味着你的PWM只有256个档位（0~255）。
换算成百分比，最小步进约0.4%——听起来还行？

但如果换成16位定时器呢？65536级调节！这意味着你可以做到0.0015%的微调精度，适合精密仪器、云台稳定这类应用。

所以在选MCU的时候注意看看：
- 是否支持高级定时器？
- 最大计数值是多少？
- 支持哪些PWM模式（边沿对齐/中心对齐）？

像STM32系列在这方面就很给力，TIM1/TIM8这些高级定时器不仅能产生互补PWM，还能加死区时间，专为H桥设计优化。

实战来了！STM32上怎么生成PWM？

下面这段代码基于HAL库，在STM32上用TIM3通道1输出PWM信号控制电机转速。准备好了吗？🚀

// 启动PWM输出
void MX_TIM3_PWM_Start(void)
{
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

// 设置电机速度（0~100%）
void Set_Motor_Speed(uint8_t speed_percent)
{
    if (speed_percent > 100) speed_percent = 100;

    // 假设定时器自动重载值为255（8位分辨率）
    uint32_t pulse = (uint32_t)((speed_percent * 255) / 100);

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM3_Init(); // CubeMX生成的初始化

    MX_TIM3_PWM_Start();

    while (1)
    {
        Set_Motor_Speed(30);  // 慢悠悠前进
        HAL_Delay(2000);

        Set_Motor_Speed(70);  // 加速冲刺
        HAL_Delay(2000);

        Set_Motor_Speed(100); // 全力以赴！
        HAL_Delay(2000);
    }
}

🔍 关键点解析：
- __HAL_TIM_SET_COMPARE() 是实时修改比较寄存器的关键函数，动态调整脉冲宽度；
- 占空比映射做了线性处理，用户传入0~100，内部转成0~255；
- 使用非阻塞延时 HAL_Delay() ，保证系统仍有响应能力（后续可升级为定时中断调度）；

💡 小技巧：想做成闭环调速？加上编码器反馈 + PID算法，就能稳如老狗🐶！

光有信号还不够！你还得会“放大”

别忘了，MCU引脚最多输出几毫安电流，而电机动辄几安培起步。这时候就得靠 功率驱动电路 来“扛大旗”。

常见的几种方案👇：

方案	适用场景	特点
N-MOSFET + 续流二极管	单向小功率	成本低，适合DIY项目
L298N模块	中小型直流电机	易上手，但发热严重 ♨️
DRV8871	中高功率单路驱动	集成保护功能，效率高
自建H桥（IR2104+MOSFET）	大功率/双向控制	灵活可控，适合工业级

MOSFET怎么接？记住这几个要点：

栅极（Gate）接PWM信号（最好经过驱动IC缓冲）；
源极（Source）接地；
漏极（Drain）接电机一端，另一端接VCC；
并联一个 续流二极管 （反并联于电机两端），吸收断电时的反电动势 ❗❗❗

⚠️ 忘记续流二极管？轻则MOSFET反复损坏，重则整个板子冒烟🔥。这不是吓唬你，是血泪教训！

另外，如果要做正反转控制，必须上 H桥结构 ，用两组MOSFET组成上下桥臂，才能让电流反向流动。

设计中容易忽略的细节 ⚙️

你以为焊完就能跑？Too young too simple！以下是工程师踩坑后总结的最佳实践：

✅ 电源去耦不能省 ：在驱动芯片附近放0.1μF陶瓷电容 + 10μF钽电容，滤掉高频噪声；
✅ PCB走线要粗短 ：大电流路径尽量宽（≥2mm）、短、直，减少寄生电感；
✅ 散热必须到位 ：持续电流超过1A建议加散热片，必要时加风扇；
✅ 隔离可提升可靠性 ：在电磁干扰强的环境中，使用光耦（如PC817）或数字隔离器隔离MCU与驱动部分；
✅ 死区时间别忘了 ：H桥切换时，上下管不能同时导通！否则直接“直通短路”，炸机预警💣！

现代驱动芯片如DRV8871已经内置了很多保护机制（过流、过热、欠压锁定），但外置保险丝+TVS二极管仍是最后一道防线。

常见问题 & 解决思路 💡

Q1：电机启动无力，卡住不动？

🔍 很可能是启动力矩不足。低占空比下电压太低，带不动负载。

✅ 解法：加入“软启动”逻辑，初始给30%~50%占空比“助跑”一下，再慢慢降到目标值。

Q2：运行中有异响或震动？

🔍 大概率是PWM频率落在了音频范围（20Hz~20kHz）。

✅ 解法：把频率拉到16kHz以上，进入超声频段，世界瞬间清净 😌。

Q3：MOSFET莫名其妙烧了？

🔍 几种可能：没加续流二极管、栅极驱动不足、PCB布局不合理导致振荡。

✅ 解法：检查回路完整性，改用专用栅极驱动IC（如TC4427），并在G-S之间加10Ω电阻抑制振铃。

Q4：转速忽快忽慢不稳定？

🔍 开环控制的通病：电压波动、负载变化都会影响实际转速。

✅ 解法：上编码器测速，做PID闭环控制！这才是真正的“稳如泰山”。

如何构建一个完整的调速系统？

一个靠谱的PWM调速系统，应该是这样的链路：

[用户指令] → [MCU]
               ↓
         [PWM生成]
               ↓
     [隔离/电平转换] ←（可选）
               ↓
      [H桥/MOSFET驱动]
               ↓
           [直流电机]
               ↓
       [编码器/霍尔传感器] ←（闭环必备）
               ↓
          [PID调节器]
               ↖_________↓
                   反馈形成闭环

有了反馈，系统就能自动补偿外部扰动——比如坡道阻力增大时，PID会自动提高占空比维持原速，这才是智能控制的魅力所在！