4、电机驱动原理：H桥电路详解、直流电机正反转与调速原理、PWM基础知识

好，咱们进入第四章。前面几章我们把 GPIO 和 UART 的基础打牢了，现在终于要碰电机了。说实话，电机驱动是嵌入式开发里最容易出“烟火表演”的环节——我早年就烧过好几个驱动芯片，那味道，记忆犹新。

这一章的核心就三件事：H桥怎么让电机转起来、怎么让它反转、怎么用PWM调速。说白了，就是控制电机的“方向”和“速度”。

4.1 H桥电路详解

直流电机最简单的玩法：给电就转，断电就停。但你要让它反转怎么办？换电源极性。可单片机不能直接换极性啊，这时候就需要 H 桥了。

H桥的名字很形象——四个开关管（通常是 MOSFET 或三极管）搭成一个“H”形状，电机接在中间横杠上。

4.1.1 基本结构

一个标准的 H 桥由四个开关管组成：

• Q1（左上）、Q2（右上）——高端开关，接电源正极
• Q3（左下）、Q4（右下）——低端开关，接电源负极（GND）
• 电机接在 Q1/Q3 连接点和 Q2/Q4 连接点之间

下面这张图把 H 桥的结构和四种工作状态都画出来了，建议你多看两眼。

4.1.2 四种工作状态

H桥有四种基本状态，我整理成了一张表，方便你对照：

状态	导通的开关	电流方向	电机行为
正转	Q1 + Q4	左 → 右	正向旋转
反转	Q2 + Q3	右 → 左	反向旋转
刹车	Q3 + Q4	无（短接）	急停
惰行	全部关断	无	自由停止

4.2 直流电机正反转与调速原理

有了 H 桥，正反转就很简单了。但调速呢？直流电机的转速和两端电压成正比——电压越高，转得越快。可单片机只能输出 0V 或 3.3V/5V，怎么调出中间电压？

答案就是：PWM（脉冲宽度调制）。

4.2.1 PWM 基础知识

PWM 说白了就是“快速开关电源”。你以很高的频率（比如 1kHz）不停地开、关，电机由于机械惯性，不会跟着每个脉冲抖动，而是感受到一个“平均电压”。

举个例子：

• 5V 电源，50% 时间开，50% 时间关 → 平均电压 ≈ 2.5V
• 5V 电源，80% 时间开，20% 时间关 → 平均电压 ≈ 4.0V

这个“开的时间比例”就叫占空比（Duty Cycle）。

4.2.2 关键参数

参数	说明	典型值
频率	每秒开关次数	1kHz ~ 20kHz
周期	一次开关的总时间	1ms（1kHz时）
占空比	高电平时间占比	0% ~ 100%
分辨率	占空比可调节的步进数	8位（256级）或16位（65536级）

4.2.3 用 PWM 控制电机转速

结合 H 桥和 PWM，我们就可以同时控制方向和速度了：

1. 方向控制：通过 H 桥的开关组合决定
2. 速度控制：对导通的那一组开关管施加 PWM 信号

举个例子，正转调速：

• Q1 和 Q4 导通，但 Q1 的栅极接 PWM 信号
• 占空比 100% → 全速正转
• 占空比 50% → 半速正转
• 占空比 0% → 停止

反转同理，把 PWM 加到 Q2 或 Q3 上就行。

4.3 实战：用 STM32 输出 PWM 控制电机

理论说完了，来点实际的。下面是一个用 STM32 定时器输出 PWM 的代码片段，控制电机正转并调速。

// 使用 TIM2 的通道1（PA0）输出 PWM
// 配置：频率 1kHz，占空比 50%

void Motor_PWM_Init(void) {
    // 1. 使能定时器和GPIO时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

    // 2. 配置 PA0 为复用功能（AF2 = TIM2_CH1）
    GPIOA->MODER &= ~(3 << 0);   // 清零
    GPIOA->MODER |= (2 << 0);    // 复用功能模式
    GPIOA->AFR[0] &= ~(0xF << 0);
    GPIOA->AFR[0] |= (1 << 0);   // AF1 = TIM2

    // 3. 配置定时器
    TIM2->PSC = 83;               // 预分频：84MHz / (83+1) = 1MHz
    TIM2->ARR = 999;              // 自动重装：1MHz / (999+1) = 1kHz
    TIM2->CCR1 = 500;             // 占空比：500 / 1000 = 50%

    // 4. 配置 PWM 模式1
    TIM2->CCMR1 &= ~(7 << 4);    // 清零 OC1M
    TIM2->CCMR1 |= (6 << 4);     // PWM 模式1
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;  // 使能输出

    // 5. 启动定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

// 调速函数
void Motor_SetSpeed(uint16_t duty) {
    if(duty > 1000) duty = 1000;  // 限制范围
    TIM2->CCR1 = duty;            // 更新占空比
}

4.4 常见问题与注意事项

最后总结几个我踩过的坑：

• 电机启动电流很大：堵转时电流可能是额定电流的 5~10 倍。选驱动芯片时一定要留余量，别卡着额定值选。
• 续流二极管不能省：电机是感性负载，关断时会产生反向电动势。不加续流二极管，电压尖峰能击穿 MOSFET。
• PWM 频率别太低：低于 100Hz 电机就会“步进式”转动，噪音大、抖动厉害。
• 死区时间要留够：切换方向时，先关断所有开关，等几十微秒再打开另一组。我一般设 1~5μs。