1. PWM 基础概念
1.1 什么是 PWM
PWM，全称 Pulse Width Modulation，中文叫脉冲宽度调制。说白了，就是用一串方波信号，通过改变高电平的宽度，来模拟一个连续变化的电压。
我刚开始接触电机控制时，总觉得这玩意儿有点绕。明明要的是 3.3V，为什么给一串 5V 的脉冲就能搞定？后来在实验室调一个直流有刷电机才真正明白——电机的响应速度没那么快，它看的是脉冲的「平均效果」。
你想想看，一个灯泡接 5V 电源，全亮。如果我用开关以极快的速度一开一关，开的时间占一半，关的时间占一半，灯泡看起来就是半亮。PWM 的原理，本质上就是这个开关动作的电子版。
核心理解：PWM 不是真的改变了电压幅值，而是通过调整高电平的持续时间，让负载感受到一个等效的平均电压。
1.2 PWM 的波形参数
一个标准的 PWM 波形，有三个关键参数。我在项目中吃过不少亏，都是因为对这三个参数理解不到位。咱们一个一个说。
频率（Frequency）
频率就是 PWM 信号每秒钟重复的次数，单位是 Hz。比如 10kHz 的 PWM，意味着每秒钟有 10000 个脉冲周期。
频率的选择很讲究。选低了，电机会发出刺耳的啸叫声——我最早做的一个风扇驱动项目，用了 200Hz 的 PWM，结果整个实验室的人都在找哪里来的蚊子声。后来才知道，人耳对 20Hz-20kHz 的声音敏感，PWM 频率最好避开这个范围，或者直接选 20kHz 以上。
但频率也不是越高越好。频率高了，开关损耗会增大，MOSFET 发热严重。我记得有一次调试一个 48V 的电机驱动器，把 PWM 频率从 10kHz 提到 40kHz，结果散热片烫得能煎鸡蛋。
| 频率范围 | 典型应用 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 100Hz - 1kHz | 大功率电机、加热控制 | 可能产生 audible noise |
| 1kHz - 20kHz | 通用直流电机、步进电机 | 人耳敏感区间需注意 |
| 20kHz - 100kHz | 无刷直流电机、伺服电机 | 开关损耗显著增加 |
占空比（Duty Cycle）
占空比就是高电平时间占整个周期的比例，用百分比表示。50% 的占空比，意味着高电平和低电平各占一半时间。
占空比直接决定了电机的转速或力矩。我习惯用一个简单的公式来估算等效电压：
V_avg = V_supply × DutyCycle
举例：电源电压 12V，占空比 75%
V_avg = 12V × 0.75 = 9V嗯，这里要注意——这个公式是理想情况。实际电路中，MOSFET 的导通压降、死区时间、线路阻抗都会让实际电压偏低。我曾经在一个精密位置控制项目里，因为没考虑 MOSFET 的压降，导致电机在低占空比下根本转不动，排查了两天才找到原因。
分辨率（Resolution）
分辨率决定了你能把占空比调到多精细。比如 8 位分辨率，意味着占空比可以分成 256 级；10 位就是 1024 级。
分辨率越高，电机控制越平滑。但高分辨率也有代价——需要更高的定时器时钟频率，或者更复杂的 PWM 生成逻辑。
我的经验：对于大多数直流电机控制，8 位分辨率（256 级）已经够用。如果是伺服电机或需要精细位置控制的场景，建议用 12 位以上。我做过一个机械臂项目，用了 16 位分辨率，结果发现电机本身的机械抖动比 PWM 的量化误差还大——有时候过高的分辨率只是心理安慰。
1.3 PWM 在电机控制中的作用
PWM 在电机控制里，主要干三件事。我画了一张图，帮你理清它们之间的关系。
速度控制
这是 PWM 最直接的应用。改变占空比，就是改变电机两端的平均电压，电机的转速随之变化。我在做电动工具项目时，就是用 PWM 加一个简单的 PID 闭环，把无刷电机的转速精度控制在 ±1% 以内。
力矩控制
很多人以为 PWM 只能控速度，其实它也能控力矩。通过限制 PWM 的占空比上限，或者配合电流采样做限流，就能控制电机的输出力矩。
我曾经犯过一个错误——在一个自动门项目中，只做了速度控制，没做力矩限制。结果门碰到障碍物时，电机还在拼命转，直接把齿轮箱打坏了。后来加了电流检测，一旦电流超过阈值就降低占空比，问题才解决。
方向控制
单靠一路 PWM 没法让电机反转。你需要 H 桥电路，配合两路互补的 PWM 信号来实现正反转。这个在后面的章节会详细讲，这里先记住一个概念：
重要提醒：H 桥的上下管绝对不能同时导通！否则就是短路，MOSFET 瞬间烧毁。我亲眼见过一个实习生调试时忘了加死区时间，上电 0.5 秒后管子直接冒烟。从那以后，我写 PWM 初始化代码时，第一件事就是检查死区配置。
1.4 一个简单的 PWM 生成示例
说了这么多理论，咱们看一段实际的代码。这是用 STM32 的定时器生成 PWM 的配置，我习惯用寄存器操作，因为更直观：
// 以 STM32F103 TIM2 为例，输出 20kHz PWM
// 系统时钟 72MHz，预分频 72-1，自动重载 50-1
TIM2->PSC = 72 - 1; // 预分频：72MHz / 72 = 1MHz
TIM2->ARR = 50 - 1; // 自动重载：1MHz / 50 = 20kHz
TIM2->CCR1 = 25; // 占空比：25/50 = 50%
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM 模式 1
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能输出
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器这段代码配置了一个 20kHz、50% 占空比的 PWM 信号。如果你想调转速，只需要改 CCR1 的值就行。比如 CCR1 = 10，占空比就是 20%，电机转速会明显下降。
一个小技巧：调试 PWM 时，我习惯先用示波器看波形，确认频率和占空比正确，再接电机。千万别凭感觉直接上电——我曾经因为定时器时钟配置错了，实际频率只有预期的十分之一，电机抖得像筛子一样。
1.5 本章小结
PWM 的本质就是用数字信号模拟模拟量。三个参数——频率、占空比、分辨率——决定了 PWM 的质量。在电机控制中，PWM 负责速度、力矩和方向三个维度的调节。
记住一句话：PWM 不是目的，而是手段。我们真正关心的是电机转得稳不稳、力矩够不够、响应快不快。PWM 只是实现这些目标的一个工具。