2. 电机控制基础：直流有刷电机原理、PWM调速原理、H桥驱动电路、电机模型简化

好，咱们正式开始电机控制的第一课。

说实话，很多做RTOS的朋友，一听到「电机控制」四个字就觉得头大。觉得那是搞电力电子的人该干的事。其实不然。你想想看，电机控制说白了就是「让电机转起来，转得准，转得稳」。而RTOS的任务调度，恰恰是保证「准」和「稳」的关键。

这一章，我们先打好基础。把直流有刷电机、PWM调速、H桥驱动这些概念理清楚。嗯，别急，我会结合我实际踩过的坑来讲。

2.1 直流有刷电机的工作原理

直流有刷电机，结构其实很简单。一个转子（绕线圈），一个定子（永磁体或励磁绕组），再加上两个电刷。

通电后，电流流过转子线圈，在磁场中受力旋转。电刷负责换向——转子每转半圈，电流方向就切换一次，保证转子一直朝一个方向转。

我在项目中遇到过一个问题：电刷磨损太快。后来发现是PWM频率太低，导致电刷处持续拉弧。嗯，这个后面会细讲。

2.2 PWM调速原理

为什么要用PWM？直接调电压不行吗？

行，但效率低。线性调压，多余的能量全变成热量散掉了。PWM就不一样——它靠快速开关，让电机「感觉」到平均电压。

PWM调速的三个关键参数：

• 频率：一般1kHz~20kHz。太低会听到啸叫，太高开关损耗大。我个人习惯用10kHz，人耳听不到，MOS管也不烫。
• 占空比：0%~100%。决定平均电压。50%占空比，12V供电，平均就是6V。
• 分辨率：比如8位PWM，就是256级。够不够用？看需求。我做过一个云台，8位就够。但做伺服，至少12位起步。

2.3 H桥驱动电路

直流有刷电机要正反转，怎么办？用H桥。

H桥由4个开关管（MOSFET或三极管）组成，像个字母「H」。电机接在中间横杠上。

四种工作状态：

Q1	Q2	Q3	Q4	电机状态
ON	OFF	OFF	ON	正转
OFF	ON	ON	OFF	反转
OFF	OFF	OFF	OFF	停止（滑行）
ON	ON	OFF	OFF	刹车（短路制动）

2.4 电机模型简化

做控制，不能把电机当黑箱。但也没必要把麦克斯韦方程组搬出来。我们需要一个「够用」的模型。

直流有刷电机的简化模型，就三个部分：

1. 电阻 R：电枢绕组的直流电阻。决定了堵转电流。
2. 电感 L：电枢绕组的电感。影响电流的上升速度。
3. 反电动势 E：电机旋转时产生的电压，与转速成正比。E = K_e · ω

电压平衡方程：

U = I·R + L·(dI/dt) + E

这个方程，就是电机控制的「牛顿第二定律」。你给它加电压，电流慢慢建立，反电动势慢慢升高，最后稳定在一个转速上。

我个人的经验是：做速度环控制时，重点关注R和K_e。做电流环时，L才是关键。因为L决定了电流环的带宽——电感越大，电流响应越慢。

2.5 小结

这一章，我们聊了直流有刷电机的原理、PWM调速、H桥驱动，还有简化模型。

说白了，电机控制就是三件事：给电压、换方向、测反馈。而RTOS要做的，就是保证这三件事在正确的时间点被执行。

下一章，我们会把电机接到STM32上，用定时器输出PWM，再配合RTOS的任务调度，让电机真正转起来。