第二讲：电机控制基础与PWM测试
好，咱们进入第二讲。这一讲要解决一个核心问题——怎么让电机听话地转起来。
你想想看，窗帘电机本质上就是个直流电机。让它转不难，难的是让它转得稳、转得准、转得可控。这里面的关键，就是PWM。
PWM原理回顾——说白了就是“开关的艺术”
PWM，脉冲宽度调制。名字听着高大上，其实原理特别简单：
你有一个开关，每秒开关几千次。开的时间长，负载得到的平均电压就高；开的时间短，平均电压就低。就这么回事。
我习惯用“水龙头”来类比：
- PWM频率 = 你开关水龙头的速度
- 占空比 = 每次打开的时间比例
- 平均电压 = 流出来的水量
举个例子，5V供电，50%占空比，电机得到的平均电压就是2.5V。100%占空比就是全速，0%就是停。
关键参数：
- 频率：窗帘电机一般用1kHz-20kHz。太低会听到“滋滋”声，太高MOS管损耗大。我个人习惯用10kHz，兼顾噪音和效率。
- 占空比：0%~100%，对应电机从停止到全速。
- 分辨率：比如8位PWM，就是0~255共256级。够用吗？说实话，窗帘控制8位足够了。
避坑指南：我曾经在一个项目里把PWM频率设成了50Hz，结果电机没转，倒是听到喇叭一样的蜂鸣声。后来才发现，50Hz是人耳可听范围，电机线圈在“唱歌”。嗯，从此我记住了——PWM频率至少要在人耳听觉范围以上。
电机驱动芯片DRV8833——小身材大能量
单片机IO口直接驱动电机？别想了。IO口电流也就几毫安，电机启动瞬间可能几百毫安。所以需要驱动芯片。
DRV8833是我在窗帘项目里常用的芯片。为什么选它？
- 双H桥，一路控制电机正反转，另一路可以控制刹车或第二路电机
- 工作电压2.7V~10.8V，窗帘电机常用的5V或12V都支持
- 每通道最大1.5A持续电流，窗帘电机绰绰有余
- 内置过流保护、过热保护——省心
控制逻辑其实就一张真值表：
| IN1 | IN2 | 电机状态 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 刹车（滑行停止） |
| 0 | 1 | 反转 |
| 1 | 0 | 正转 |
| 1 | 1 | 刹车（主动制动） |
注意看，两个输入都是1时是主动制动，相当于把电机两端短路，利用反电动势快速停止。这个在窗帘到位停止时特别有用。
重要提醒：千万不要让IN1和IN2同时为1的同时还输入PWM！我见过有人这么干，结果芯片瞬间过流保护。正确的做法是：正转时IN1给PWM，IN2给0；反转时反过来。
PWM占空比与速度——不是简单的线性关系
很多人以为：50%占空比 = 50%速度。错！
为什么？因为电机有启动电压。你给个10%的占空比，电机可能根本不转。这叫“死区”。
我实测过一款窗帘电机，数据如下：
| 占空比 | 实际转速（RPM） | 备注 |
|---|---|---|
| 0% | 0 | 停止 |
| 10% | 0 | 死区，不转 |
| 20% | 12 | 刚启动，抖动 |
| 40% | 35 | 平稳低速 |
| 60% | 58 | 中速 |
| 80% | 80 | 高速 |
| 100% | 100 | 全速 |
看到了吗？从20%到100%，转速从12到100，近似线性但起点不是0。所以写代码时，我习惯做一个“死区补偿”：
// 实际占空比 = 目标占空比 * (100% - 死区) + 死区
// 假设死区为15%
uint8_t calc_duty(uint8_t target_percent) {
if (target_percent == 0) return 0;
if (target_percent < 15) target_percent = 15; // 跳过死区
return (uint8_t)((float)target_percent * 0.85f + 15.0f);
}个人经验：死区值不是固定的，跟电机负载、电压都有关系。我建议在单元测试里专门写一个“死区标定”用例，自动找出当前电机的死区阈值。
编写PWM输出单元测试用例
好，理论讲完了，咱们来点实际的。怎么写PWM的单元测试？
我习惯把测试分成三个层次：
- 寄存器级：检查PWM寄存器是否写对了值
- 逻辑级：检查占空比计算、死区补偿是否正确
- 集成级：用示波器或逻辑分析仪抓实际波形
单元测试主要做前两层。下面是我常用的测试用例模板：
// 测试用例1：验证PWM初始化
void test_pwm_init(void) {
pwm_init(10000); // 10kHz
TEST_ASSERT_EQUAL(10000, pwm_get_frequency());
TEST_ASSERT_EQUAL(0, pwm_get_duty()); // 初始占空比为0
}
// 测试用例2：验证占空比设置范围
void test_pwm_duty_range(void) {
// 边界测试
TEST_ASSERT_TRUE(pwm_set_duty(0)); // 0% 应该成功
TEST_ASSERT_TRUE(pwm_set_duty(100)); // 100% 应该成功
TEST_ASSERT_FALSE(pwm_set_duty(101)); // 超出范围应该失败
TEST_ASSERT_FALSE(pwm_set_duty(255)); // 非法值
}
// 测试用例3：验证死区补偿
void test_dead_zone_compensation(void) {
// 假设死区为15%
pwm_set_dead_zone(15);
TEST_ASSERT_EQUAL(0, calc_duty(0)); // 0% -> 0%
TEST_ASSERT_EQUAL(15, calc_duty(10)); // 10% -> 15%（跳过死区）
TEST_ASSERT_EQUAL(15, calc_duty(15)); // 15% -> 15%
TEST_ASSERT_EQUAL(57, calc_duty(50)); // 50% -> 57%（线性映射）
TEST_ASSERT_EQUAL(100, calc_duty(100));// 100% -> 100%
}
// 测试用例4：验证正反转控制
void test_motor_direction(void) {
motor_set_direction(MOTOR_FORWARD);
TEST_ASSERT_EQUAL(1, GPIO_ReadPin(IN1_PIN));
TEST_ASSERT_EQUAL(0, GPIO_ReadPin(IN2_PIN));
motor_set_direction(MOTOR_REVERSE);
TEST_ASSERT_EQUAL(0, GPIO_ReadPin(IN1_PIN));
TEST_ASSERT_EQUAL(1, GPIO_ReadPin(IN2_PIN));
motor_set_direction(MOTOR_STOP);
TEST_ASSERT_EQUAL(0, GPIO_ReadPin(IN1_PIN));
TEST_ASSERT_EQUAL(0, GPIO_ReadPin(IN2_PIN));
}
// 测试用例5：验证PWM频率稳定性
void test_pwm_frequency_stability(void) {
pwm_init(10000);
uint32_t start = get_system_ticks();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
pwm_set_duty(50);
}
uint32_t elapsed = get_system_ticks() - start;
// 1000次设置应该在10ms内完成
TEST_ASSERT_TRUE(elapsed < 10);
}测试要点总结：
- 边界值测试：0%、100%、超出范围的值
- 死区补偿逻辑：确保低占空比被正确映射
- 方向控制：IN1/IN2组合是否正确
- 性能测试：频繁设置占空比会不会卡顿
我曾经踩过的坑：有一次测试PWM，寄存器值明明写对了，但电机就是不动。查了半天，发现是GPIO复用功能没配置——PWM输出引脚被当成了普通IO。所以测试用例里一定要加一条：验证GPIO模式是否为复用功能。
嗯，这一讲的内容就到这里。PWM看似简单，但细节不少。下一讲我们会聊电机的位置控制——怎么让窗帘停在你想停的位置。那才是真正考验算法的地方。
记住：测试不是找茬，是帮自己省时间。你想想看，一个PWM死区问题，如果在产线上才发现，那代价可就大了。