📚 课程目录第2章直流电机基础与驱动原理

直流电机基础与驱动原理

做电机控制这么多年，我始终觉得——搞懂直流电机的工作原理，是入门电机控制的第一道坎。说白了，你连电机怎么转起来的都不清楚，后面调PID、调速度、调位置，全是空中楼阁。

这一章，咱们就扎扎实实地把直流电机的底裤扒干净。从工作原理，到H桥怎么搭，再到PWM调速的细节，一步到位。

2.1 直流电机工作原理

直流电机为什么能转？核心就一句话：通电导体在磁场中受力。这是初中物理就讲过的左手定则，但真正用到工程里，你会发现没那么简单。

我简单画个图，帮你理解内部结构：

你看，定子（N/S极）产生固定磁场，转子（电枢绕组）通入直流电后，在磁场中受力产生转矩。换向器的作用就是保证转子转到一定角度后，电流方向自动切换，让转矩方向始终一致——这样电机才能持续转下去。

关键点：直流电机的转速与电枢电压成正比，转矩与电枢电流成正比。这两个关系，是后面PID调速的基础。

我在项目里遇到过一个问题：电机低速时抖动厉害。查了半天，发现是电刷磨损导致换向不良。嗯，这种机械问题在工业现场很常见，尤其是长时间运行的电机。

2.2 H桥驱动电路详解

直流电机要正反转，怎么办？你想想看，总不能手动换电源极性吧？H桥就是干这个的。

H桥的名字很形象——四个开关管搭成一个"H"形，电机在中间横杠上。通过控制四个管的通断组合，就能控制电机正转、反转、刹车、滑行。

H桥的四种工作状态，我整理成了一张表，你对照着看：

工作模式	Q1	Q2	Q3	Q4	电机状态
正转	导通	关断	关断	导通	电流从左到右，正转
反转	关断	导通	导通	关断	电流从右到左，反转
刹车	导通	导通	关断	关断	电机两端短路，急停
滑行	关断	关断	关断	关断	电机自由停止

⚠️ 致命陷阱：绝对不能让Q1和Q3同时导通，也不能让Q2和Q4同时导通！这叫"直通短路"，瞬间就能烧掉MOS管。我曾经在调试时手抖了一下，代码里延时没写够，结果一缕青烟……从那以后，我写H桥驱动代码必加死区时间。

2.3 PWM调速原理

直流电机调速，最常用的方法就是PWM——脉冲宽度调制。说白了，就是给电机通一会电、断一会电，通过调整"通电时间占比"来控制平均电压，从而控制转速。

你想想看，如果一直通100%的电，电机全速跑。如果通一半时间、断一半时间，平均电压就是一半，转速也差不多一半。这就是PWM调速的本质。

PWM有三个关键参数：

频率：每秒开关多少次，单位Hz。频率太低，电机会"咔咔"响，甚至抖动。频率太高，MOS管开关损耗增大。我一般选10kHz~20kHz，人耳听不到，效率也还行。
占空比：高电平时间占整个周期的比例，0%~100%。占空比越大，平均电压越高，转速越快。
幅值：高电平的电压值，一般等于电机额定电压。

平均电压的计算公式很简单：

V_avg = V_max × DutyCycle

举例：
V_max = 12V，占空比 = 60%
V_avg = 12 × 0.6 = 7.2V

💡 经验之谈：占空比不要低于10%。太低的话，电机可能根本转不起来——启动转矩不够。我在做AGV小车项目时，最低给到15%的占空比才能让轮子平稳起步。

用单片机产生PWM信号，通常有两种方式：

硬件PWM：用定时器的PWM输出通道，CPU不参与，精度高。首选方案。
软件模拟PWM：用GPIO+延时或定时中断，CPU被占用。实在没资源时才用。

下面是一个用STM32硬件PWM驱动直流电机的代码片段：

// STM32 TIM2 通道1 PWM初始化
void PWM_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    // 使能时钟
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // PA0 配置为TIM2_CH1
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // TIM2 配置：频率 = 72MHz / (72-1) / (100-1) = 10kHz
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;        // 预分频
    htim2.Init.Period = 99;           // 自动重装值
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    
    // PWM通道配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 50;             // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    // 启动PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

// 设置占空比函数
void SetMotorSpeed(uint8_t duty) {
    // duty范围：0~100
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

这段代码里，我设定了PWM频率为10kHz。为什么选这个值？因为10kHz在大多数直流电机的工作范围内，既听不到明显噪声，MOS管发热也能接受。你如果做的是大功率电机，频率可以降到5kHz左右，减少开关损耗。

最后，我把这一章的核心知识点串成一张图，方便你复习：