3. PWM与电机调速：直流电机调速原理、占空比与平均电压的关系、死区时间与互补PWM

这一章，我们来聊聊PWM怎么让电机转起来、转多快。说白了，就是怎么用一串方波去控制一个直流电机。我刚开始接触这个的时候，也觉得挺神奇的——一个只有0和1的信号，居然能让电机平滑地调速。

3.1 直流电机调速原理

直流电机的转速，本质上由电枢两端的平均电压决定。电压高，转得快；电压低，转得慢。那问题来了：我们怎么改变这个电压？

传统做法是用一个可变电阻串联在回路里，分掉一部分电压。但电阻会发热，效率低得可怜。另一种是用线性稳压器，同样的问题——能量都耗在调整管上了。

PWM就不一样了。它不浪费能量，而是通过快速开关电源，让电机“看到”一个等效的平均电压。电机本身是个大电感，电流不会突变，所以它会把脉冲串“平滑”成连续的电流。

我在一个项目里遇到过这种情况：电机低速时抖得厉害，怎么调PID都没用。后来发现是PWM频率太低，电机在每一个脉冲周期里都“喘口气”，转速自然不稳。把频率从100Hz提到1kHz，问题就解决了。嗯，这里要注意——频率不是越高越好，后面会讲。

3.2 占空比与平均电压的关系

占空比，就是高电平时间占整个周期的比例。你想想看，一个周期里，高电平时间越长，平均电压就越高。

占空比	高电平时间 (10kHz, 100μs周期)	平均电压 (12V电源)	电机状态
0%	0 μs	0 V	停止
25%	25 μs	3 V	低速
50%	50 μs	6 V	中速
75%	75 μs	9 V	中高速
100%	100 μs	12 V	全速

这个关系是线性的，所以控制起来非常直观。你给一个0~100%的占空比，电机就给你一个0~100%的转速（理想情况下）。

但实际中，有一个“死区”——占空比太低时，电机可能根本不转。因为电机需要一定的启动转矩，克服静摩擦和惯性。我记得有一次调试，占空比从0%慢慢往上加，到8%左右电机才“咔”一下动起来。这个阈值，跟电机本身、负载、电源电压都有关系。

3.3 死区时间与互补PWM

这部分，是很多初学者容易踩坑的地方。尤其是做H桥驱动的时候。

先说说互补PWM。在H桥里，上管和下管不能同时导通，否则就是直通短路，电流会瞬间烧毁MOS管。所以我们需要一对互补的信号：上管导通时，下管必须关断；下管导通时，上管必须关断。

但问题来了——任何开关器件都有导通和关断的延迟。MOS管关断需要时间，导通也需要时间。如果上管还没完全关断，下管就开始导通了，那瞬间就短路了。

这就是死区时间（Dead Time）存在的意义。在互补PWM里，我们在两个信号之间插入一段“都关断”的时间，确保一个管子完全关断后，另一个才导通。

死区时间怎么设？我一般这样估算：

• 查MOS管数据手册，找到关断延迟时间 t_d(off) 和下降时间 t_f
• 死区时间 > t_d(off) + t_f，再留 20%~50% 的余量
• 比如一个MOS管关断延迟 50ns，下降时间 30ns，那死区时间至少设 100ns

死区时间也不是越大越好。太大会导致：

• 波形失真，电机电流谐波增加
• 有效占空比降低，电机出力不足
• 体二极管导通时间变长，发热增加

所以，死区时间是一个权衡。我个人习惯在 100ns~500ns 之间，具体看MOS管的开关速度和PWM频率。频率越高，死区时间占比越大，对波形的影响也越明显。

3.4 实现方式：硬件 vs 软件

互补PWM和死区时间，可以用硬件实现，也可以用软件实现。

方式	优点	缺点	适用场景
硬件（MCU内部定时器）	精确、稳定、不占CPU	配置复杂，受定时器资源限制	大多数电机控制项目
软件（GPIO翻转+延时）	灵活，不受硬件限制	占用CPU，精度受中断影响	简单实验、低速应用
专用驱动芯片	内置死区、保护功能完善	成本高，灵活性差	大功率、高可靠性场合

我强烈建议用硬件方式。现在的MCU，比如STM32、TI的C2000系列，定时器都支持互补PWM输出和可编程死区插入。配置好了之后，CPU几乎不用管，硬件自动生成精确的波形。

下面是一个STM32的配置示例，用CubeMX生成代码，核心配置就这几行：

// 以TIM1为例，配置CH1和CH1N为互补输出
// 死区时间设为 144ns（时钟频率 168MHz，死区寄存器值 24）
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;  // 占空比 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

// 设置死区时间
htim1.Instance->BDTR = TIM_BREAK_OFF | 24;  // 24个时钟周期 ≈ 144ns

你看，代码量很少。但要注意，BDTR寄存器里的死区时间值，不同MCU的计算方式不一样。有的直接写纳秒，有的要换算成时钟周期。一定要看数据手册。