第1章：电机控制基础

1.1 直流电机原理

直流电机，说白了就是最基础的电机类型。你给它通上电，它就转。方向反了，它就反转。电压高了，它就转得快。就这么简单。

但简单归简单，咱们得搞清楚它为什么能转。我刚开始做电机控制时，总觉得这东西就是个黑盒子，通电就转呗。直到有一次调试一个精密定位系统，电机怎么都停不准位置，我才老老实实回去翻电机原理。

直流电机的核心结构其实就三部分：

  • 定子 —— 外壳上的永磁体或励磁绕组，产生固定磁场
  • 转子 —— 中间转动的部分，上面绕有线圈
  • 换向器 —— 这个很关键，它负责切换电流方向

为什么会转？电流通过转子线圈，在定子磁场中受到安培力，产生力矩。换向器保证线圈转到不同位置时，电流方向自动切换，力矩方向始终一致。嗯，这里要注意，换向器是有刷电机的标志，无刷电机用的是电子换向。

我在项目中遇到过一个问题：有刷电机用久了，换向器和碳刷磨损，接触电阻变大，电机就开始抖。后来我养成了一个习惯——但凡用到有刷电机，一定预留碳刷更换周期。

核心公式：

转速 n = (U - I×R) / (Ke×Φ)

其中 U 是电压，I 是电流，R 是电枢电阻，Ke 是电机常数，Φ 是磁通量。

说白了，电压越高转速越快，负载越大转速越慢。

1.2 H桥驱动电路

电机要正反转，怎么办？H桥就是干这个的。

你想想看，一个电机两端，如果左边接正极、右边接负极，它正转。反过来接，它就反转。H桥就是用四个开关管（通常是MOSFET）搭成一个"H"形状的电路，通过控制哪两个管子导通，来决定电流方向。

我画了一张图，帮你理解H桥的工作逻辑：

H桥驱动电路原理图 Q1 Q2 Q3 Q4 M 电机 VCC (+) GND (-) 正转：Q1+Q4导通 反转：Q2+Q3导通

H桥的四种工作状态：

Q1Q2Q3Q4电机状态
ONOFFOFFON正转
OFFONONOFF反转
OFFOFFOFFOFF停止（惰行）
ONONOFFOFF刹车（短路制动）

⚠️ 致命陷阱： 绝对不能让 Q1 和 Q2 同时导通，或者 Q3 和 Q4 同时导通！这叫"直通"，相当于把电源正负极直接短路。我曾经见过一个新手，代码里延时没写对，两个管子同时开了0.5毫秒，MOSFET直接冒烟。嗯，从那以后我写H桥驱动代码，第一件事就是加死区时间。

1.3 PWM调速控制

电机速度怎么调？调电压。但实际电路中，我们很少用可调电源。更常用的办法是——PWM。

PWM，脉冲宽度调制。说白了就是：把电源以很高的频率开关。开的时间长，平均电压就高，电机转得快。开的时间短，平均电压就低，电机转得慢。

关键参数就两个：

  • 频率 —— 开关的快慢。我一般用1kHz到20kHz。低于1kHz电机会"嗡嗡"响，高于20kHz人耳听不到，但MOSFET开关损耗会变大。
  • 占空比 —— 开的时间占总周期的比例。0%就是全关，100%就是全开，50%就是一半电压。

我个人习惯，PWM频率选10kHz左右。为什么？因为人耳听不到这个频率的噪声，而且大多数MOSFET在这个频率下效率还不错。

💡 经验之谈： 占空比不要从0%直接跳到100%。电机启动电流很大，容易烧驱动。我一般做软启动——占空比从0%慢慢升到目标值，每10ms增加5%。这样电流平缓，电机寿命也长。

用C语言控制PWM，其实就是操作定时器的比较寄存器。以STM32为例：

// 初始化PWM，频率10kHz，定时器时钟72MHz
// 预分频器 72-1，自动重装值 100-1
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;      // 72MHz / 72 = 1MHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 100 - 1;         // 1MHz / 100 = 10kHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// 配置PWM通道1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 50;                 // 初始占空比50%
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

// 运行时修改占空比
void set_motor_speed(uint8_t duty) {
    // duty范围 0~100
    TIM_SetCompare1(TIM3, duty);
}

这段代码看着简单，但实际项目中坑不少。我记得有一次，我写了个电机控制程序，占空比设到100%时电机反而不转了。查了半天，发现是定时器自动重装值设成了99，而占空比设了100，比较器永远匹配不到。嗯，边界条件一定要测。

1.4 电机方向控制

方向控制，其实就是控制H桥里哪两个管子导通。在代码层面，我习惯用两个GPIO引脚来控制：一个叫DIR（方向），一个叫EN（使能）。

逻辑是这样的：

  • EN = 1, DIR = 0 → 正转
  • EN = 1, DIR = 1 → 反转
  • EN = 0 → 电机停止

但实际硬件连接上，我建议用四个独立的GPIO分别控制四个MOSFET。这样灵活性最高，还能实现刹车和惰行。

下面是我常用的电机控制函数：

// 电机控制结构体
typedef struct {
    uint8_t pwm_duty;      // 0~100
    uint8_t direction;     // 0:正转, 1:反转
    uint8_t brake;         // 0:惰行, 1:刹车
} MotorControl_t;

void motor_control(MotorControl_t *mc) {
    // 先关所有管子，防止直通
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);
    
    if (mc->brake) {
        // 刹车模式：上下管同时导通
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2);  // Q1和Q3导通
        return;
    }
    
    if (mc->pwm_duty == 0) {
        // 占空比为0，电机惰行停止
        return;
    }
    
    // 设置PWM占空比
    set_motor_speed(mc->pwm_duty);
    
    // 设置方向
    if (mc->direction == 0) {
        // 正转：Q1常开，Q4用PWM
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);   // Q1导通
        // Q4由PWM控制（已在定时器配置中设定）
    } else {
        // 反转：Q2常开，Q3用PWM
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // Q2导通
        // Q3由PWM控制
    }
}

🔑 关键点总结：

  1. 改变方向前，一定要先停止PWM输出，等电机停稳再切换。否则容易烧MOSFET。
  2. 刹车不是立刻停住，电机有惯性。如果需要精确定位，得加编码器做闭环控制。
  3. PWM频率和电机电感要匹配。电感小的电机用高频PWM，电流纹波小。

说到方向切换，我踩过一个坑。有一次做AGV小车，电机正反转切换太频繁，结果MOSFET驱动芯片过热保护了。后来加了切换延时，每次方向切换至少间隔50ms，问题就解决了。你想想看，电机从正转切换到反转，电流方向瞬间改变，产生的反电动势会很大。不加延时，驱动芯片扛不住。

好了，这一章的内容就这些。直流电机原理、H桥驱动、PWM调速、方向控制，这四个知识点是电机控制的基础。搞懂了这些，后面学步进电机、伺服电机、闭环控制，都会轻松很多。

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