📚 课程目录第4章电机驱动与控制

4、电机驱动与控制：直流电机、步进电机、舵机的驱动原理，L298N、TB6612等驱动模块的接线与PWM调速

在STM32机器人项目中，电机是执行机构的核心，直接决定了机器人的运动性能、定位精度和响应速度。直流电机、步进电机和舵机分别适用于不同的场景：直流电机适合高速连续旋转，步进电机适合精确的角度定位，舵机则适合关节或转向控制。本章将深入剖析三类电机的驱动原理，重点讲解L298N与TB6612两款主流驱动模块的接线方法、PWM调速机制，并结合实际工程案例给出选型与调试建议。

上图展示了STM32、驱动模块与三类电机之间的完整控制链路。STM32通过定时器输出PWM信号控制电机速度或舵机角度，通过GPIO控制方向引脚和使能引脚。驱动模块（L298N或TB6612）作为功率放大级，将逻辑电平转换为电机所需的大电流驱动信号。电源分配是整个系统的关键，逻辑电源与电机电源必须严格分离，否则会导致单片机复位或驱动芯片烧毁。

4.1 直流电机的驱动原理与PWM调速

直流电机是最基础的执行元件，其转速与端电压成正比，转矩与电枢电流成正比。STM32无法直接驱动电机（GPIO输出电流仅约20mA），必须通过驱动模块进行功率放大。PWM调速的本质是改变电机端电压的平均值，从而控制转速。

核心原理：H桥电路是直流电机驱动的标准拓扑。四个开关管（MOSFET或三极管）组成桥式结构，通过控制对角开关管的导通组合，实现电机正转、反转、刹车和滑行四种状态。PWM信号施加在使能端（ENA/ENB）或输入引脚上，通过调节占空比改变平均电压。

L298N是经典的H桥驱动芯片，内部包含两个H桥，可同时驱动两台直流电机或一台步进电机。其逻辑电源Vcc为5V，电机电源VS为6~12V。每个通道有3个控制引脚：ENA（PWM使能）、IN1、IN2（方向控制）。当ENA为高电平时，IN1=1、IN2=0为正转，反之为反转；当ENA为低电平时，电机滑行停止。

TB6612是新一代MOSFET H桥驱动芯片，相比L298N具有更低的导通压降（约0.5V vs 2V），因此效率更高、发热更小。其逻辑电源Vcc支持2.7~5.5V，可直接由STM32的3.3V供电，电机电源VM最高15V。TB6612的控制逻辑与L298N类似，但增加了STBY（待机）引脚，低电平时所有输出关闭，用于省电。

参数	L298N	TB6612
驱动方式	双H桥（BJT）	双H桥（MOSFET）
逻辑电压 Vcc	5V	2.7~5.5V（推荐3.3V）
电机电压 VS/VM	6~12V	2.5~15V
最大持续电流	2A/通道	1.2A/通道
导通压降	约2V	约0.5V
PWM频率上限	约40kHz	约100kHz
待机模式	无	STBY引脚
典型应用	大电流电机、教学实验	电池供电机器人、低功耗设计

4.2 步进电机的驱动原理与细分控制

步进电机将电脉冲信号转换为角位移，每接收一个脉冲，电机旋转一个固定角度（步距角）。常见的28BYJ-48步进电机步距角为5.625°/64（减速比1:64），即每个脉冲旋转约0.0879°。步进电机适合开环位置控制，无需编码器即可实现精确定位。

驱动步进电机需要按照特定的通电顺序切换绕组电流。以四相五线步进电机为例，有单四拍（A-B-C-D）、双四拍（AB-BC-CD-DA）和八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）三种工作方式。八拍方式步距角减半，运行更平滑。STM32通过GPIO输出脉冲序列，配合ULN2003或专用驱动芯片（如A4988、DRV8825）实现功率驱动。

工程经验：对于28BYJ-48电机，推荐使用八拍方式，虽然速度稍慢，但振动和噪声明显降低。若需要更高转速，可改用双四拍。注意：步进电机在静止时仍保持转矩，但长时间通电会发热，建议在不需要保持位置时关闭使能。

在实际接线中，ULN2003模块的IN1~IN4连接STM32的GPIO，OUT1~OUT4连接电机绕组。驱动时序通过软件延时或定时器中断产生。若使用A4988等细分驱动模块，则只需STEP（脉冲）和DIR（方向）两个引脚，通过MS1/MS2/MS3设置细分倍数（1、1/2、1/4、1/8、1/16），可显著降低振动和噪声。

4.3 舵机的驱动原理与PWM控制

舵机是一种位置伺服驱动器，通过PWM信号的脉宽控制输出轴角度。标准舵机（如SG90）的PWM周期为20ms（50Hz），脉宽0.5ms对应0°，1.5ms对应90°，2.5ms对应180°。舵机内部包含直流电机、减速齿轮组、位置反馈电位器和控制电路，形成闭环控制。

STM32驱动舵机时，需要生成50Hz的PWM信号，并精确控制高电平脉宽。使用定时器时，若时钟频率为72MHz，预分频器设为71（得到1MHz计数频率），自动重载值设为19999（得到50Hz），则比较寄存器CCR的值直接对应脉宽微秒数。例如，CCR=1500时，脉宽为1.5ms，舵机处于中位。

// 舵机PWM初始化（TIM2, PA0）
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
TIM_OCInitTypeDef OC_InitStruct;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = 71;        // 72MHz/72 = 1MHz
TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_InitStruct.TIM_Period = 19999;        // 1MHz/20000 = 50Hz
TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);

OC_InitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
OC_InitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
OC_InitStruct.TIM_Pulse = 1500;           // 1.5ms 中位
OC_InitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &OC_InitStruct);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

舵机的PWM信号对脉宽精度要求较高，1μs的误差约对应0.1°的角度偏差。因此，建议使用定时器硬件PWM而非软件延时模拟，以避免中断干扰导致抖动。

4.4 L298N与TB6612的接线实战与PWM调速案例

下面以双直流电机小车为例，分别给出L298N和TB6612的完整接线方案，并对比实际调试效果。

案例背景：设计一台两轮差速驱动小车，使用STM32F103C8T6控制，电机为6V直流减速电机（额定电流约300mA），电池为7.4V 2S锂电池。要求实现PWM调速、正反转和急停功能。

L298N接线方案：

将L298N的VS接电池正极（7.4V），GND接电池负极，Vcc接5V稳压输出（或从板载5V取电）。
将STM32的PA0（PWM）接ENA，PA1接IN1，PA2接IN2（左电机）；PA3（PWM）接ENB，PA4接IN3，PA5接IN4（右电机）。
电机M1、M2分别接OUT1/OUT2和OUT3/OUT4。
将L298N的GND与STM32的GND共地。

TB6612接线方案：

将TB6612的VM接电池正极（7.4V），Vcc接STM32的3.3V，GND共地。
将STM32的PA0（PWM）接PWMA，PA1接AIN1，PA2接AIN2（左电机）；PA3（PWM）接PWMB，PA4接BIN1，PA5接BIN2（右电机）。
STBY引脚接STM32的3.3V（或GPIO高电平），使能芯片。
电机A、B分别接AO1/AO2和BO1/BO2。

两种方案的PWM调速代码逻辑相同，核心是设置定时器输出比较值。以1kHz PWM频率为例，若定时器预分频为71，自动重载值为999，则CCR值从0到999对应占空比0%~100%。

// 设置左电机速度，speed范围 -1000 ~ 1000
void Motor_SetSpeed(int16_t speed) {
    if (speed > 0) {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // IN1=1
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2); // IN2=0
        TIM_SetCompare1(TIM2, speed);       // PWM占空比
    } else if (speed < 0) {
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // IN1=0
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);   // IN2=1
        TIM_SetCompare1(TIM2, -speed);
    } else {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // 刹车
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
        TIM_SetCompare1(TIM2, 0);
    }
}

实测对比：在相同7.4V电源和6V电机条件下，L298N输出端实测电压约5.2V（压降1.8V），电机最高转速约180rpm；TB6612输出端实测电压约6.8V（压降0.6V），电机最高转速约230rpm。在持续运行5分钟后，L298N散热片温度达65℃，而TB6612仅微温（约40℃）。

风险提示：L298N的压降会导致电机在低电压时启动困难，尤其在电池电量下降时更为明显。若使用3.7V单节锂电池，建议直接选用TB6612或DRV8833等低压差驱动芯片。另外，务必在电机电源端并联100μF电解电容和0.1μF陶瓷电容，吸收电机换向产生的反电动势尖峰。

4.5 常见误区与调试要点

在电机驱动调试中，以下问题最为常见，需要特别注意：

共地问题：驱动模块的GND必须与STM32的GND相连，否则PWM信号无参考电平，电机无法正常工作。
逻辑电源不足：L298N的Vcc若直接从STM32的5V引脚取电，当电机电流较大时可能导致单片机复位。建议使用独立稳压芯片供电。
PWM频率选择：直流电机PWM频率低于10kHz时会产生可闻噪声，高于20kHz时驱动芯片开关损耗增大。推荐15kHz左右。
舵机抖动：若舵机在静止位置抖动，通常是PWM信号不稳定或电源纹波过大。检查定时器配置和电源滤波。
步进电机失步：加速过快或负载过大时，步进电机会失步。应设置加减速曲线，避免瞬间启停。

调试建议：先用万用表测量驱动模块逻辑端电压，确认ENA/ENB为高电平；再用示波器观察PWM波形，确认频率和占空比正确；最后空载测试电机转向，再带载调试。若电机不转，优先检查使能引脚和方向引脚的电平组合。

总结而言，直流电机、步进电机和舵机的驱动原理各有侧重，但都离不开PWM信号和H桥/专用驱动电路。L298N适合教学和低要求场景，TB6612更适合电池供电的移动机器人。在实际项目中，应根据电机额定电压、电流、控制精度和电源效率综合选型，并严格遵循共地、滤波和散热规范，才能保证系统稳定可靠运行。