3. 电机驱动基础：H桥驱动电路原理、PWM调速原理、驱动芯片选型
好，咱们进入第三讲。前面聊了PID的数学基础，但算法再漂亮，最终得落到硬件上。电机不会自己转，你得给它“喂”电。怎么喂？这就是今天要聊的核心——电机驱动。
说白了，驱动电路就是功率放大器。单片机那点电流，连个LED都带不动，更别说直流电机了。我们需要一个“大力士”，把控制信号放大成能驱动电机的电流和电压。这个“大力士”，就是H桥。
3.1 H桥驱动电路原理
H桥这个名字很形象。你看它的电路结构，四个开关管（通常是MOSFET或三极管）摆成“H”形，电机横在中间那杠上。通过控制这四个开关的通断，就能控制电机的正转、反转、刹车和滑行。
核心逻辑： 电机两端电压差决定转向。谁高谁低，电机就往哪边转。
我画个简单的逻辑图，你一看就明白：
你看，正转时Q1和Q4导通，电流从VCC→Q1→A点→电机→B点→Q4→GND。反转时反过来，Q2和Q3导通。刹车就是把电机两端短路，利用反电动势快速停转。
⚠️ 致命陷阱： 绝对不能让Q1和Q2同时导通！这等于把电源正负极直接短路，瞬间电流能烧毁MOS管。这叫“直通”或“穿通”，我见过太多新手烧板子，都是这个原因。
3.2 PWM调速原理
好，现在电机能转了。怎么调速？
你可能会想：改变电压呗。没错，但单片机没法直接输出可变的模拟电压。怎么办？用PWM——脉冲宽度调制。
说白了，就是让电源以极高的频率开关。开的时候电机全速跑，关的时候靠惯性滑行。开的时间比例越大，平均速度就越快。这个比例叫“占空比”。
核心公式： 平均电压 = 电源电压 × 占空比
占空比 = 高电平时间 / (高电平时间 + 低电平时间) × 100%
举个例子。12V电源，50%占空比，电机得到的平均电压就是6V。100%就是全速12V，0%就是停转。
这里有个关键参数——PWM频率。频率太低，电机会“咔咔”响，像拖拉机。频率太高，MOS管开关损耗变大，发热严重。
| 应用场景 | 推荐PWM频率 | 说明 |
|---|---|---|
| 普通直流电机 | 1kHz - 10kHz | 人耳能听到，会有轻微啸叫 |
| 带减速箱的电机 | 100Hz - 1kHz | 齿轮箱会放大噪音，低频更明显 |
| 无刷电机（BLDC） | 10kHz - 50kHz | 需要更高频率，减少转矩脉动 |
| 精密伺服 | 20kHz以上 | 避开人耳听觉范围，减少噪音 |
💡 我的经验： 做普通小车，我习惯用10kHz。这个频率下，电机噪音不大，MOS管发热也能接受。如果做静音要求高的项目，比如医疗设备，我会提到20kHz以上，人耳就听不到了。
3.3 驱动芯片选型
自己搭H桥？可以，但没必要。现在市面上成熟的驱动芯片很多，选对了能省不少事。我重点说两款最常见的：L298N和TB6612。
3.3.1 L298N
L298N是老将了，ST公司的经典产品。双H桥，能同时驱动两个电机。最大电流2A，峰值3A。逻辑电压5V，电机电压最高46V。
优点：
- 皮实耐造，不容易烧
- 驱动能力强，适合大电流电机
- 价格便宜，几块钱一片
缺点：
- 压降大，内部是达林顿管，饱和压降有1.5V左右
- 发热严重，需要加散热片
- 开关速度慢，不适合高频PWM
⚠️ 我曾经踩过的坑： 用L298N驱动12V电机，PWM频率设到20kHz，结果芯片烫得能煎鸡蛋。后来查手册才发现，L298N的开关频率最好别超过10kHz。频率高了，开关损耗剧增。
3.3.2 TB6612
TB6612是东芝的，后来被很多国产厂仿制。也是双H桥，但用的是MOSFET，性能比L298N好很多。
优点：
- 压降小，MOSFET内阻只有0.5Ω左右
- 效率高，发热小
- 开关速度快，支持100kHz以上PWM
- 体积小，SOP封装
缺点：
- 最大电流1.2A，峰值2A，不如L298N
- 价格稍贵
- 比较娇气，容易静电击穿
我做个对比表，你一看就明白：
| 参数 | L298N | TB6612 |
|---|---|---|
| 类型 | 达林顿管 | MOSFET |
| 最大电流 | 2A (峰值3A) | 1.2A (峰值2A) |
| 导通内阻 | 约1.5V压降 | 约0.5Ω |
| 最高PWM频率 | 10kHz | 100kHz+ |
| 工作电压 | 4.5V - 46V | 2.7V - 5.5V (电机端) |
| 封装 | MultiWatt15 | SOP-24 |
| 价格 | 便宜 | 中等 |
| 适用场景 | 大电流、低速、不介意体积 | 小电流、高频、高效率 |
3.3.3 选型建议
怎么选？我个人的经验是：
- 做智能小车、机器人： 用TB6612。效率高，体积小，PWM频率高，控制更平滑。
- 做大负载、工业设备： 用L298N或者直接上MOSFET分立方案。TB6612那1.2A扛不住。
- 做电池供电的产品： 优先TB6612。压降小，省电，电池续航更长。
💡 一个小技巧： 不管用哪个芯片，电源端一定要加一个大电容（470μF以上），靠近芯片引脚。电机启动和换向时电流冲击很大，不加电容，电压会瞬间跌落，导致单片机复位。我吃过这个亏，调试时小车一启动，屏幕就闪一下。
嗯，驱动这块就聊这么多。记住，H桥是骨架，PWM是灵魂，驱动芯片是肌肉。三者配合好了，电机才能听话。下一讲，咱们把这些东西串起来，开始写真正的PID控制代码。