3. PWM 调制原理：让电机听懂数字信号
做电机控制这些年，我见过不少新手上来就调 PID，结果电机要么嗡嗡响不动，要么直接烧管子。其实很多问题都出在 PWM 调制上。说白了，PWM 就是数字世界和模拟世界的翻译官——单片机只会输出 0 和 1，但电机需要连续变化的电压。怎么翻译？靠的就是占空比。
3.1 PWM 基本概念
PWM，全称 Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。名字听着唬人，本质就一句话：固定频率，改变高电平的宽度。
想象一个方波信号：
- 周期 T：一个完整脉冲的时间，单位秒
- 频率 f：1/T，单位 Hz
- 脉宽 t_on：高电平持续的时间
- 占空比 D：t_on / T × 100%
核心公式：
平均电压 V_avg = D × V_supply
占空比 50%，12V 供电 → 平均电压 6V
我刚开始做 BLDC 驱动时，总以为 PWM 频率越高越好。后来发现，频率太高，MOSFET 开关损耗直线上升，散热片烫得能煎鸡蛋。频率太低呢？电机噪音大，电流纹波也大。一般直流有刷电机用 10-20kHz，无刷电机用 16-20kHz，刚好避开人耳敏感区。
3.2 占空比与平均电压
为什么改变占空比就能调电压？电机是感性负载，电流不能突变。PWM 高电平时电流上升，低电平时电流通过续流二极管继续流。只要 PWM 频率远高于电机电气时间常数，电流就基本平滑，平均电压就等于占空比乘以电源电压。
举个例子：
| 占空比 | 12V 系统平均电压 | 24V 系统平均电压 | 电机转速（近似） |
|---|---|---|---|
| 0% | 0V | 0V | 停止 |
| 25% | 3V | 6V | 低速 |
| 50% | 6V | 12V | 中速 |
| 75% | 9V | 18V | 高速 |
| 100% | 12V | 24V | 全速 |
实战经验：占空比不要从 0% 直接跳到 100%。电机启动电流很大，我吃过这个亏——一次测试中直接满占空比起动，电源过流保护跳了。建议软启动，几百毫秒内逐步增加占空比。
3.3 H 桥驱动电路
要控制电机正反转，一个开关管不够，得用 H 桥。四个开关管（MOSFET 或 IGBT）摆成 H 形，电机在中间横杠上。
H 桥的四种工作状态：
- 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（能耗制动）：Q1 和 Q3 导通，或 Q2 和 Q4 导通，电机短路
- 滑行（续流）：所有开关管关断，电流通过体二极管续流
⚠️ 致命陷阱：绝对不能让 Q1 和 Q2 同时导通，也不能让 Q3 和 Q4 同时导通。这叫「直通短路」，电流瞬间大到能炸管子、烧 PCB 走线。我见过一块板子直通后 MOSFET 直接炸飞，连焊盘都掀了。
下面这张图是 H 桥驱动电路的核心结构：
3.4 单极性调制 vs 双极性调制
有了 H 桥，怎么给 PWM 信号？两种主流方式。
单极性调制：
- 正转时：Q1 给 PWM，Q4 常开，Q2/Q3 关断
- 反转时：Q2 给 PWM，Q3 常开，Q1/Q4 关断
- 特点：每个周期只有一个管子高频开关，损耗小
- 电流纹波：较小
双极性调制：
- 正转时：Q1/Q4 同时 PWM，Q2/Q3 互补 PWM
- 反转时：Q2/Q3 同时 PWM，Q1/Q4 互补 PWM
- 特点：四个管子都在高频开关，损耗大
- 电流纹波：较大，但零位附近线性度好
| 对比项 | 单极性调制 | 双极性调制 |
|---|---|---|
| 开关损耗 | 低（2 管高频） | 高（4 管高频） |
| 电流纹波 | 小 | 大 |
| 零位线性度 | 有死区非线性 | 好 |
| EMI 干扰 | 较小 | 较大 |
| 适用场景 | 大多数直流电机 | 伺服、高精度位置控制 |
我的选择习惯：做风机、水泵这类应用，我无脑用单极性，效率高发热小。做位置伺服，尤其需要零位附近微调时，双极性的线性度优势就体现出来了。不过代价是 MOSFET 温度会高 10-15°C，散热得跟上。
3.5 死区时间设置
回到刚才说的直通问题。即使软件上保证 Q1 关断后才开 Q2，实际中 MOSFET 关断需要时间。如果 Q1 还没完全关断，Q2 就导通了，瞬间短路。
死区时间就是在上管关断和下管导通之间插入的一段「空白期」，让两个管子都关断一小段时间。
死区时间怎么设？
- 看 MOSFET 数据手册：关断延迟时间 t_off + 下降时间 t_f
- 留余量：一般取计算值的 1.5-2 倍
- 常见值：500ns - 2μs，取决于 MOSFET 和驱动芯片
⚠️ 我曾经踩过的坑：有一款 MOSFET 标称关断时间 80ns，我设了 200ns 死区，觉得绰绰有余。结果批量生产时，一批管子批次差异导致关断时间到了 150ns，200ns 死区不够用，连续烧了 3 块板子。后来我统一设到 500ns，再也没出过问题。记住：死区宁大勿小，大一点只是效率略降，小了就是炸管。
死区时间对波形的影响：
- 死区期间，电机电流通过体二极管续流
- 输出电压会偏离理想值，产生「死区效应」
- 死区效应在低速、轻载时最明显，会导致电流畸变
补偿方法：
- 软件补偿：根据电流方向调整占空比，抵消死区影响
- 硬件补偿：用更快的驱动芯片，减小死区需求
- 我常用的方法：低速时用电流闭环补偿，高速时死区影响小，直接忽略
下面这张图展示了 PWM 信号加上死区时间后的时序关系：
最后说一句，PWM 调制是电机控制的基石。占空比算不对，H 桥搭不对，死区设不对，后面三环调得再好也是白搭。我见过太多人花几周调 PID，结果问题出在 PWM 频率太低导致电流纹波太大。先把这章吃透，后面的事就顺了。