第3章 电机调速系统概述
做电机控制这些年，我最大的体会是：不懂硬件原理，PID调得再好也是空中楼阁。这一章咱们把直流电机、PWM调速、H桥驱动、编码器测速这几个基础模块讲透。你想想看，连电机怎么转的都不清楚，怎么去调它的速度？
3.1 直流电机工作原理
直流电机说白了就是电生磁、磁生力。我给新手讲课时经常用这个比喻：电机就像个"电磁秋千"，通电后线圈在磁场里来回摆动，最后转起来了。
核心公式：
- 转速公式：n = (U - IR) / (KeΦ)
- 转矩公式：T = KtΦI
n — 转速，U — 电枢电压，I — 电枢电流，R — 电枢电阻，Φ — 磁通量
从公式能看出什么？调电压就能调转速。这就是PWM调速的理论基础。我在项目里遇到过有人非要用调电阻的方式调速，结果电阻发热严重，效率低得可怜。
3.2 PWM调速原理
PWM，脉冲宽度调制。说白了就是用开关信号模拟模拟电压。
你想想看，如果给电机通12V电，它全速转。通0V，它停。那如果以极快的速度在12V和0V之间切换呢？电机就会"感觉"到中间某个电压。
| 占空比 | 等效电压(12V系统) | 电机状态 |
|---|---|---|
| 0% | 0V | 停止 |
| 25% | 3V | 低速 |
| 50% | 6V | 中速 |
| 75% | 9V | 中高速 |
| 100% | 12V | 全速 |
经验之谈：PWM频率选多少合适？我个人习惯用10kHz-20kHz。太低会听到电机啸叫（人耳能听到），太高会增加MOS管开关损耗。我做过一个项目，频率选到40kHz，结果MOS管烫得能煎鸡蛋。
3.3 H桥驱动电路
H桥，长得像字母"H"而得名。它的作用就两个：控制电机正反转，控制电机速度。
一个标准的H桥由4个开关管组成：
- Q1、Q2：上桥臂（高端）
- Q3、Q4：下桥臂（低端）
工作模式：
- 正转：Q1和Q4导通，电流从左到右
- 反转：Q2和Q3导通，电流从右到左
- 刹车：Q3和Q4同时导通，电机短接
- 滑行：所有开关断开，电机自由转动
我曾经踩过的坑：H桥最怕"直通短路"。就是上下桥臂同时导通，瞬间大电流烧管子。所以软件里一定要加死区时间——切换时先关断再开通，留出几十纳秒的缓冲。我见过有人省掉这一步，结果板子一上电就冒烟。
实际项目中常用的H桥芯片有L298N、TB6612、DRV8833等。如果电流大，可以用分立MOS管搭，但要注意栅极驱动电路的设计。
3.4 编码器测速原理
要调速，首先得知道当前速度。编码器就是干这个的。
常用的编码器分两种：
| 类型 | 原理 | 精度 | 成本 |
|---|---|---|---|
| 增量式编码器 | 输出脉冲，通过计数测速 | 中等 | 低 |
| 绝对式编码器 | 直接输出角度值 | 高 | 高 |
做电机调速，增量式编码器用得最多。它输出两路正交信号：A相和B相。通过判断A、B的相位关系，就能知道电机正转还是反转。
测速有两种常用方法：
- M法（频率法）：固定时间T内数脉冲数。适合高速场景。
- T法（周期法）：测量两个脉冲的时间间隔。适合低速场景。
实际应用建议：
- 高速时用M法，低速时用T法
- 或者用M/T法结合，全速段都准
- 编码器线数（PPR）选多少？我一般选500-2000线，够用又不贵
3.5 知识体系总览
下面这张图把本章的核心知识点串起来了。你看一遍，心里就有谱了。
我的学习建议：别急着调PID。先把这章的基础搞扎实。我见过太多人上来就调参数，结果电机嗡嗡响就是不转，最后发现是H桥死区没设对。基础不牢，地动山摇。