4、电机控制基础：直流有刷电机控制、PWM调速原理、H桥驱动电路、电机电流检测

各位同学，今天我们聊聊电机控制。这是汽车电子里最接地气的话题之一。

你想想看，车窗升降、雨刮器、电动座椅、天窗开合……这些动作背后，十有八九都是直流有刷电机在干活。虽然现在无刷电机越来越普及，但有刷电机因为控制简单、成本低，在汽车上依然大量存在。我个人习惯，凡是遇到这类基础执行器，第一反应就是先搞定有刷电机的控制逻辑。

4.1 直流有刷电机的工作原理

说白了，直流有刷电机就是一个靠电刷换向的旋转装置。给它通上电，转子就会转。电压越高，转得越快；负载越大，电流就越大。

它的数学模型其实不复杂：

U = E + I·R + L·(dI/dt)
E = Ke·ω
T = Kt·I

其中U是电枢电压，E是反电动势，I是电枢电流，R是电枢电阻，L是电枢电感，ω是转速，Ke和Kt分别是反电动势常数和转矩常数。

我在项目中遇到过一个问题：电机低速运行时，反电动势很小，电流会很大。如果不加限制，很容易烧MOS管。嗯，这里要注意，低速大扭矩工况是电机控制的第一个坑。

4.2 PWM调速原理

怎么调电机速度？最直接的办法是调电压。但汽车上只有12V或24V的蓄电池，总不能串个可调电阻吧？那太浪费能量了。

所以，我们用的是PWM——脉冲宽度调制。

PWM的原理很简单：以固定频率开关电源，通过改变占空比来调节平均电压。

平均电压 = 电源电压 × 占空比

举个例子：12V电源，占空比50%，平均电压就是6V。电机就以半速运转。

为什么会选择PWM而不是线性调节？因为效率。MOS管要么全开要么全关，导通损耗和开关损耗加起来，比线性调节小得多。你想想看，线性调节时，管子工作在放大区，那热量……啧啧，散热器都能煎鸡蛋。

4.3 H桥驱动电路

电机要正反转怎么办？一个开关管搞不定。这时候就需要H桥了。

H桥由四个开关管组成，形状像字母“H”，电机接在中间横杠上。

        Q1          Q3
      +--/\/\--+--/\/\--+
      |        |        |
      +--------M--------+
      |        |        |
      +--/\/\--+--/\/\--+
        Q2          Q4
      GND         GND

控制逻辑很简单：

模式	Q1	Q2	Q3	Q4	电机状态
正转	ON	OFF	OFF	ON	正转
反转	OFF	ON	ON	OFF	反转
刹车	OFF	ON	OFF	ON	短接制动
滑行	OFF	OFF	OFF	OFF	自由停止

死区时间，就是上下管切换时，先关断一个，等一小段时间再开通另一个。一般设几百纳秒到几微秒，具体看MOS管的关断速度。

4.4 电机电流检测

为什么要测电流？两个原因：

1. 过流保护：堵转、短路时，电流会飙升，必须快速切断。
2. 闭环控制：电流环是速度环和位置环的内环，响应最快。

电流检测的常用方法有三种：

方法	原理	优点	缺点
采样电阻	串联小电阻，测压降	简单、便宜、精度高	有损耗，发热
霍尔电流传感器	利用霍尔效应	隔离、无损耗	贵、体积大
MOS管Rds(on)检测	利用导通电阻压降	无额外损耗	精度差，受温度影响大

我个人习惯，汽车电子里最常用的是采样电阻法。成本低，精度够用。选电阻时要注意功率：

P = I² × R

比如电机峰值电流10A，采样电阻选10mΩ，那功率就是1W。留点余量，选2W的电阻比较稳妥。

电流信号出来后，一般要经过运放放大，再送进ADC。放大倍数怎么算？

Vout = I × R_sense × Gain

假设ADC参考电压3.3V，最大电流10A，采样电阻10mΩ，那最大压降是0.1V。要放大到3.3V，增益就是33倍。选个35倍左右的运放，留点余量。

嗯，这里还要注意一点：电流采样有噪声。PWM开关瞬间，电流波形上会有很大的尖峰。我建议在ADC采样时，避开开关时刻，或者加个低通滤波器。我曾经在项目里没加滤波，结果电流环抖得像筛糠……后来加了个RC滤波，世界清净了。

4.5 小结

这一章我们聊了直流有刷电机的控制基础。说白了，就是三件事：

• 用PWM调电压，控制速度
• 用H桥换方向，控制正反转
• 用采样电阻测电流，做保护和闭环

这些基础搞懂了，后面学无刷电机、步进电机，甚至更复杂的伺服控制，都会轻松很多。下一章我们聊聊无刷电机的FOC控制，那才是真正考验算法功底的地方。

好，今天就到这里。有问题随时问我。