📚 课程目录第1章直流电机PWM开环调速系统搭建

1. 直流电机PWM开环调速系统搭建

系统组成与信号链

本案例用一块通用MCU（以STM32F103为例）的定时器TIM3_CH1在PA6引脚输出PWM，经H桥驱动模块（如L298N或TB6612）放大后驱动直流有刷电机。开环意味着不采集转速反馈，占空比D直接决定电枢平均电压，从而决定空载/轻载转速。整条信号链为：定时器计数 → 比较寄存器CCR → 占空比D → 驱动平均电压 → 电机转速。

硬件连接与定时器配置

接线要点：PA6接驱动模块PWM输入，驱动模块输出接电机两端，共地。定时器配置为PWM模式1，预分频PSC=71，自动重装ARR=999，系统时钟72MHz时PWM频率 = 72MHz / (72 × 1000) = 1kHz。占空比D由比较寄存器CCR1决定：CCR1 = D × (ARR+1) = D × 1000。

参数	值	说明
系统时钟	72 MHz	STM32F103标准配置
PSC	71	分频后计数时钟 = 1 MHz
ARR	999	计数周期 = 1000 个时钟
PWM频率	1 kHz	1MHz / 1000
CCR1	0~1000	对应占空比 0%~100%

关键代码实现

#include "stm32f10x.h"

void PWM_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    /* PA6 复用推挽输出 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 时基：72MHz/(71+1)=1MHz，ARR=999 → 1kHz */
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    /* PWM模式1，初始占空比0 */
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

/* 设置占空比，duty: 0~100 */
void PWM_SetDuty(uint8_t duty)
{
    if (duty > 100) duty = 100;
    TIM_SetCompare1(TIM3, duty * 10);  /* CCR1 = duty × 1000 / 100 */
}

int main(void)
{
    PWM_Init();
    while (1)
    {
        for (uint8_t d = 0; d <= 100; d += 10)
        {
            PWM_SetDuty(d);
            for (volatile uint32_t i = 0; i < 7200000; i++); /* 约1s延时 */
        }
    }
}

占空比-转速测量方法

用光电转速表或编码器（后续案例展开）测量电机轴端转速。操作流程：从D=0开始，每次增加10%，待转速稳定后记录读数，填入下表。注意：开环系统在低速段（D<15%）可能因静摩擦不转，属于正常死区现象。

占空比 D (%)	CCR1 值	实测转速 (rpm)	现象记录
0	0	0	停转
10	100	—	可能不转（静摩擦）
20	200	约 500	缓慢启动
40	400	约 1100	平稳运行
60	600	约 1700	平稳运行
80	800	约 2300	接近额定
100	1000	约 2900	全速

测量时保持电机空载或轻载恒定，否则负载变化会破坏占空比-转速的单值对应关系。若需提高低速分辨率，可降低PWM频率至500Hz或提高ARR值。

驱动模块使能端必须置有效电平，否则PWM信号无法到达电机。共地不良会导致PWM波形畸变、转速抖动。切勿将电机电源与MCU电源直接并联而不加滤波。

结果判读与验证

线性度检查：以D为横轴、转速为纵轴作图，空载下应近似直线，斜率反映电机KV特性。
死区确认：D从0缓慢增加，记录电机刚开始转动的最小D值，即为该电机的启动死区。
重复性验证：同一D值下多次测量转速，偏差应在±5%以内（空载稳定后）。
异常判断：若D增加但转速不增或下降，检查驱动供电是否跌落、电机是否堵转、PWM极性是否配置错误。