4、电机控制原理：直流有刷电机PWM调速、H桥驱动电路设计、电流采样与限流保护

直流有刷电机，听起来好像有点古老？其实在工业现场，它依然是最皮实、最直接的动力源之一。我刚开始做运动控制那会儿，第一个项目就是调一个直流有刷电机。那时候经验少，烧了好几个MOS管才摸到门道。今天咱们就把这块硬骨头啃下来。

4.1 直流有刷电机PWM调速

直流有刷电机的转速，说白了跟两端电压成正比。你想让它转快点，就多给点电压；想慢点，就少给点。但问题来了——我们常用的控制器是数字芯片，它只能输出0或3.3V，没法直接输出一个连续可调的电压。怎么办？

答案就是PWM，脉冲宽度调制。我习惯这么理解：把开关打得飞快，让电机“感觉”到的是一个平均电压。占空比50%，平均电压就是电源电压的一半，转速也差不多是一半。

这里有个坑，我踩过。PWM频率不能太低，否则电机会“一抖一抖”的，噪音也大。但频率太高也不行，MOS管的开关损耗会急剧上升。我个人习惯，对于普通直流有刷电机，10kHz到20kHz是个好区间。听不到刺耳声，效率也还行。

4.2 H桥驱动电路设计

电机调速搞定了，但还有个问题——怎么让电机正反转？单靠一个开关管只能单向转。这时候就需要H桥了。

H桥的名字很形象，四个开关管（通常是MOSFET）摆成“H”形，电机在中间横杠上。你想想看：

• 正转：左上和右下导通，电流从左往右流过电机
• 反转：右上和左下导通，电流从右往左流过电机
• 刹车：要么上下同时导通（短路刹车），要么全部关断（滑行）

下面这张图是我手绘的H桥结构，你看一眼就明白了。

实际设计时，有个关键问题——死区时间。上下两个管子不能同时导通，否则电源直接短路，瞬间冒烟。我见过一个实习生，没加死区，一上电MOS管就炸了，那声音真吓人。

4.3 电流采样与限流保护

电机堵转、负载突变、启动瞬间——这些情况电流会飙升。如果不做限流，轻则烧驱动，重则烧电机。我有个血的教训：一台AGV小车，因为没做电流保护，堵转时把减速箱齿轮都打碎了。

电流采样，常用的方法有两种：

采样方式	原理	优点	缺点
低端采样	在GND回路串采样电阻	电路简单，共模电压低	无法检测到短路到GND的故障
高端采样	在电源正极串采样电阻	可检测所有故障	共模电压高，需要差分放大器
霍尔电流传感器	利用霍尔效应隔离测量	隔离、无损耗	成本高，带宽有限

我个人习惯，在低端采样上加一个运放放大信号，然后送给ADC。成本低，效果也不错。采样电阻的阻值要选好——太大了发热严重，太小了信号太弱。一般选0.01Ω到0.1Ω之间。

限流保护的实现，分硬件和软件两种：

• 硬件限流：用比较器+参考电压，电流超了就立刻关PWM。响应快，纳秒级。
• 软件限流：ADC采样→MCU计算→调整占空比。响应慢，但灵活。

下面给一个简单的电流采样代码片段，基于STM32的ADC读取：

// 电流采样与限流保护示例（伪代码）
uint16_t adc_value;
float current;

while(1) {
    adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    current = (adc_value * 3.3f / 4096.0f) / 0.01f;  // 采样电阻0.01Ω
    
    if(current > CURRENT_LIMIT) {
        // 硬件限流已经触发，软件做二次保护
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 0);  // 关PWM
        error_flag = 1;
        break;
    }
    
    // 正常调速
    duty = calculate_duty_from_speed(target_speed, current);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

嗯，到这里，直流有刷电机的PWM调速、H桥驱动、电流采样和限流保护就讲完了。这些是运动控制最基础的东西，但也是最容易出问题的地方。你想想看，一个电机都控不好，后面更复杂的伺服、步进怎么搞？

下次调试的时候，记得先测PWM波形，再看H桥有没有直通，最后确认电流采样是否准确。这三步走完，基本不会出大问题。

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