2. 直流电机基础

在机器人运动控制系统中，直流电机是最常见的执行元件。无论是两轮差速小车、四轮全向底盘，还是机械臂关节，其底层运动都依赖于直流电机的精确调速与换向。本章将深入剖析直流电机的工作原理、有刷与无刷电机的本质差异，并重点讲解H桥驱动电路以及L298N、TB6612两款主流驱动芯片的工程应用。理解这些基础，是后续实现PWM调速和PID闭环控制的前提。

2.1 直流电机工作原理：从安培力到电磁转矩

直流电机（Brushed DC Motor）的核心物理基础是安培力定律：通电导体在磁场中会受到力的作用。电机内部包含定子（永磁体或电磁铁）和转子（电枢绕组）。当直流电流通过电枢绕组时，载流导体在定子磁场中受到电磁力，产生电磁转矩，驱动转子旋转。转子旋转后，换向器（Commutator）与电刷（Brush）配合，自动切换绕组中的电流方向，保证转矩方向始终一致。

对于机器人应用，我们更关注电机的机械特性方程：n = (U - I·R) / (K_e·Φ)，其中n为转速，U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢电阻，K_e为电动势常数，Φ为磁通。该公式揭示了调速的本质：改变电枢电压U是最直接、最高效的调速方式，这正是后续PWM调速的理论依据。

2.2 有刷与无刷电机的工程对比

有刷电机（Brushed Motor）依靠电刷与换向器进行机械换向，结构简单、成本低、控制容易（只需两根电源线），但存在电刷磨损、换向火花、噪声大、寿命短等缺点。无刷电机（Brushless Motor，BLDC）采用电子换向器（通过MOSFET功率管），转子为永磁体，定子为绕组，需要控制器根据转子位置信号（霍尔传感器或反电动势检测）依次导通各相绕组。

在STM32机器人课程中，我们优先选择带霍尔编码器的有刷电机作为学习对象，原因在于：控制接口简单（PWM+方向），编码器反馈直接，便于理解PID闭环逻辑。无刷电机更适合对效率、噪音和寿命有更高要求的场景，但其换向逻辑和驱动电路复杂度较高，适合进阶学习。

2.3 电机驱动方式：H桥原理与PWM调速

直流电机需要双向转动，而STM32的GPIO只能输出低电平（0V）或高电平（3.3V），无法直接驱动电机。H桥电路（H-Bridge）是解决这一问题的经典方案。H桥由4个开关管（MOSFET或三极管）组成，形似字母"H"。通过控制4个开关管的通断组合，可以改变电机两端的电压极性，从而实现正转、反转、制动和滑行四种状态。

• 正转：Q1和Q4导通，Q2和Q3关断，电流从OUT1流向OUT2。
• 反转：Q2和Q3导通，Q1和Q4关断，电流从OUT2流向OUT1。
• 制动：Q1和Q3导通（或Q2和Q4导通），电机两端短路，产生反向电动势制动。
• 滑行：4个开关管全部关断，电机自由转动。

实际调速时，我们使用PWM（脉冲宽度调制）技术：保持H桥开关状态不变，以高频（通常10kHz-20kHz）切换导通与关断，通过改变占空比（Duty Cycle）来调节电机两端的平均电压。例如，占空比50%时，平均电压为电源电压的一半，电机转速约为空载转速的一半。PWM频率需高于人耳听觉范围（>20kHz）以避免噪音，同时需考虑驱动芯片的开关损耗。

2.4 驱动芯片实战：L298N与TB6612对比选型

分立元件搭建H桥电路繁琐且可靠性低，实际工程中通常使用集成驱动芯片。L298N和TB6612是两款最常用的直流电机驱动芯片，也是本课程实验平台的核心器件。

L298N的优势在于电压范围宽、电流大，适合驱动大功率电机（如12V直流减速电机），但缺点是导通压降大（约2V），导致效率低、发热严重，且逻辑电平为5V，与STM32的3.3V GPIO连接时需注意电平转换或使用模块上的稳压电路。典型接线为：STM32的PA0（PWM）接ENA，PA1接IN1，PA2接IN2，电源12V接VS，GND共地。

TB6612FNG是更现代的选择，其内部采用MOSFET H桥，导通压降仅约0.5V，效率高、发热小，且逻辑电平兼容3.3V，可直接与STM32连接。虽然峰值电流较小（1.2A），但对于常见的N20电机、GA12-N20减速电机（额定电流约200-500mA）完全足够。接线方式为：VM接电机电源（2.5V-13.5V），VCC接3.3V逻辑电源，PWMA接STM32定时器PWM输出，AIN1/AIN2接GPIO控制方向，AO1/AO2接电机。

2.5 案例拆解：基于TB6612的STM32电机驱动与调速实现

下面通过一个完整的实验案例，演示如何用STM32F103C8T6和TB6612驱动一个带霍尔编码器的直流减速电机，并实现开环PWM调速。该案例是后续PID闭环控制的基础。

硬件连接：

STM32F103C8T6    TB6612FNG    直流电机（带编码器）
PA0 (TIM2_CH1)  → PWMA        电机红线 → AO1
PA1             → AIN1        电机黑线 → AO2
PA2             → AIN2        
PB4             → STBY (接3.3V使能)
3.3V            → VCC
12V             → VM (电机电源)
GND             → GND
PA6 (TIM3_CH1)  → 编码器A相
PA7 (TIM3_CH2)  → 编码器B相

软件实现步骤：

1. 初始化GPIO：配置PA0为复用推挽输出（TIM2_CH1），PA1、PA2为推挽输出，PA6、PA7为浮空输入（编码器模式）。
2. 配置定时器PWM：TIM2预分频72-1，自动重载1000-1，输出比较模式为PWM1，占空比初始为0。
3. 配置编码器接口：TIM3设为编码器模式（TI1+TI2），计数范围0-65535，用于读取电机转速。
4. 编写调速函数：设置占空比（0-1000对应0%-100%），通过改变CCR1寄存器值实现。

// PWM初始化（简化版）
void PWM_Init(void) {
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~0xFFF) | 0xBBB; // PA0复用推挽，PA1/PA2推挽
    TIM2->PSC = 72 - 1;   // 1MHz计数频率
    TIM2->ARR = 1000 - 1; // PWM频率1kHz
    TIM2->CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM1模式
    TIM2->CCER = TIM_CCER_CC1E;
    TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;
}

// 设置电机转速和方向
void Motor_SetSpeed(int speed) { // speed: -1000 ~ +1000
    if (speed > 0) {
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR1;   // AIN1=0
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS2;   // AIN2=1
        TIM2->CCR1 = speed;
    } else if (speed < 0) {
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS1;   // AIN1=1
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR2;   // AIN2=0
        TIM2->CCR1 = -speed;
    } else {
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR1 | GPIO_BSRR_BR2; // 制动
        TIM2->CCR1 = 0;
    }
}

测试结果与分析：将占空比从0逐步增加到80%，电机转速从0稳步上升，编码器反馈的脉冲频率与设定值呈线性关系。当占空比超过90%时，转速增长趋缓，这是因为电机反电动势接近电源电压，电流减小导致转矩下降。该实验验证了PWM调速的线性特性，也暴露了开环控制的不足：当负载变化（如车轮碰到障碍物）时，转速会明显下降，这正是后续需要引入PID闭环的原因。

2.6 常见误区与总结复盘

在电机驱动调试中，初学者常犯以下错误：

• 共地问题：STM32的GND与驱动芯片的GND、电源的GND必须可靠连接，否则逻辑电平无法形成回路，电机不转或乱转。
• PWM频率选择不当：频率过低（如100Hz）会导致电机啸叫和转速波动；频率过高（如100kHz以上）会增加开关损耗。推荐使用10kHz-20kHz。
• 忽略使能引脚：TB6612的STBY引脚必须接高电平，否则芯片处于待机状态，电机无法驱动。
• 编码器接线错误：A/B相接反会导致计数方向相反，在闭环控制中会引起正反馈振荡。

本章总结：直流电机通过安培力产生转矩，调速的本质是调节电枢电压。有刷电机结构简单、控制方便，适合教学和轻载场景；无刷电机效率高、寿命长，但控制复杂。H桥电路实现了电机的双向驱动，PWM技术实现了高效调速。L298N适合大功率应用，TB6612更适合与STM32配合的精密控制。掌握这些基础后，下一阶段我们将深入编码器数据读取与PID闭环控制算法，实现机器人的精确速度控制。