第一章 电机驱动基础：直流有刷电机与无刷电机原理、H桥电路、PWM调速原理、电流采样
各位同学好，我是老张。做窗帘电机调试这些年，我踩过的坑比你们见过的电机型号还多。今天咱们就从最基础的电机驱动讲起。别小看这些基础，我见过太多工程师在H桥上烧管子，在PWM频率上翻车。说白了，基础不牢，后面调试起来真要命。
1.1 直流有刷电机 vs 无刷电机
先说说这两种电机。窗帘电机里，有刷电机和无刷电机都有应用。我个人习惯，小功率、成本敏感的项目用有刷，要求寿命长、噪音低的项目用无刷。
直流有刷电机，结构简单。里面有个换向器，靠电刷接触来换向。优点就是控制简单，给电就转，换向就反转。缺点嘛，电刷会磨损，有火花，噪音大。我在一个酒店窗帘项目里遇到过，有刷电机用了半年，电刷磨出来的碳粉把电路板都污染了，导致控制失灵。嗯，从那以后我对有刷电机的寿命格外关注。
直流无刷电机，没有电刷，靠电子换向器控制。转子是永磁体，定子是线圈。需要检测转子位置，通常是霍尔传感器或者反电动势检测。无刷电机效率高、寿命长、噪音低，但控制复杂，需要专门的驱动芯片或者MCU加MOS管。
我给你们列个对比表，方便选型时参考：
| 特性 | 有刷电机 | 无刷电机 |
|---|---|---|
| 控制复杂度 | 简单，直接调电压 | 复杂，需要换相逻辑 |
| 寿命 | 短（电刷磨损） | 长（无磨损部件） |
| 噪音 | 较大（电刷摩擦） | 小（运行平稳） |
| 效率 | 低（约70-80%） | 高（约85-95%） |
| 成本 | 低 | 高 |
| 典型应用 | 低成本窗帘、玩具 | 智能窗帘、电动百叶 |
1.2 H桥电路——电机正反转的核心
H桥，说白了就是四个开关管组成的电路，形状像字母H。两个上管，两个下管。控制电机正转、反转、停止、刹车。
为什么叫H桥？你看电路图，电机在中间，四个开关在四角，连线就像H。我刚开始学的时候，总觉得这名字起得挺形象。
H桥的基本工作模式：
- 正转： Q1和Q4导通，电流从左到右流过电机
- 反转： Q2和Q3导通，电流从右到左流过电机
- 停止： 所有开关断开，电机自由停止
- 刹车： 两个下管导通（或两个上管导通），电机线圈短路，快速制动
这里有个大坑——直通。什么叫直通？就是同一侧的上管和下管同时导通了。比如Q1和Q2同时打开，电源直接短路，瞬间大电流，管子秒烧。我曾经在调试一个窗帘电机时，软件里延时没设好，上下管切换时重叠了，啪的一声，MOS管冒烟了。从那以后，我写代码必加死区时间。
实际项目中，我们很少用分立元件搭H桥，太容易出问题。一般用集成驱动芯片，比如L298N、DRV8833、TB6612等。这些芯片内部集成了死区控制、过流保护，省心很多。
1.3 PWM调速原理
电机调速，最常用的就是PWM——脉宽调制。说白了，就是给电机一个方波信号，通过调节占空比来控制平均电压，从而控制转速。
占空比 = 高电平时间 / 周期时间 × 100%
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。电机转速大概就是全速的一半。
PWM频率怎么选？这是个学问。频率太低，电机会抖动，噪音大。频率太高，MOS管开关损耗大，发热严重。我一般这样选：
- 有刷电机：1kHz - 20kHz。低于1kHz能听到明显的嗡嗡声，高于20kHz人耳听不到，但要注意MOS管发热
- 无刷电机：10kHz - 50kHz。无刷电机需要更高的PWM频率来保证电流波形平滑
我个人习惯，窗帘电机用16kHz左右。为什么？因为16kHz刚好超过人耳听觉上限，听不到噪音，同时MOS管损耗也能接受。你想想看，如果客户晚上睡觉时听到窗帘电机嗡嗡响，那体验得多差。
PWM调速的代码实现，以STM32为例：
// 初始化定时器为PWM模式
void PWM_Init(void) {
// 配置TIM2，输出PWM到PA0
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
// GPIO配置为复用功能
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_1; // 复用模式
GPIOA->AFR[0] |= 0x01; // AF1 = TIM2_CH1
// 定时器配置
TIM2->PSC = 83; // 预分频，84MHz / 84 = 1MHz
TIM2->ARR = 62; // 自动重装，1MHz / 63 ≈ 16kHz
TIM2->CCR1 = 31; // 占空比50%
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能输出
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器
}
// 设置占空比，speed范围0-100
void PWM_SetDuty(uint8_t speed) {
if(speed > 100) speed = 100;
TIM2->CCR1 = (uint16_t)(TIM2->ARR * speed / 100);
}1.4 电流采样——保护电机的眼睛
电流采样，说白了就是监测电机吃了多少电。为什么要采样？两个原因：一是过流保护，防止堵转烧电机；二是力矩控制，通过电流估算负载。
采样方法主要有三种：
- 串联采样电阻： 在电机回路串一个小电阻（比如0.1Ω），测电阻两端电压。便宜，但会有功率损耗
- 霍尔电流传感器： 用ACS712之类的芯片，隔离性好，精度高，但贵
- MOS管导通电阻采样： 利用MOS管导通时的Rds(on)来估算电流，不额外增加元件，但精度差
我项目中用得最多的是采样电阻法。成本低，精度够用。一般选0.1Ω/1W的电阻，配合运放放大后送ADC。
采样电路设计要注意几点：
- 采样电阻要放在低端（GND侧），这样共模电压低，运放好选
- 运放要选轨到轨的，因为小电流时电压很低
- PCB布线时，采样电阻的走线要宽，减少寄生电阻
- ADC采样要多次平均，滤除PWM开关噪声
我曾经在一个项目中，采样电阻布局离大电流回路太近，结果采样值一直跳，根本没法用。后来把采样电阻单独拉出来，用开尔文接法，问题才解决。嗯，这里要注意，采样电阻的走线一定要单独走，不要和功率回路共用。
电流采样的软件处理：
// ADC采样并滤波
#define SAMPLE_COUNT 10
uint16_t Get_Motor_Current(void) {
uint32_t sum = 0;
uint16_t sample;
for(uint8_t i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {
// 启动ADC转换
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
while(!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC)); // 等待转换完成
sample = ADC1->DR;
sum += sample;
delay_us(10); // 等待PWM稳定
}
// 返回平均值
return (uint16_t)(sum / SAMPLE_COUNT);
}
// 过流保护
void OverCurrent_Check(void) {
uint16_t current = Get_Motor_Current();
uint16_t current_mA = (current * 3300) / 4096; // 3.3V参考，12位ADC
if(current_mA > OVER_CURRENT_THRESHOLD) {
// 过流，立即停止电机
H_Bridge_Stop();
Set_Error_Flag(ERROR_OVER_CURRENT);
// 这里可以加蜂鸣器报警或者LED指示
}
}好了，第一章的内容就这些。电机驱动基础是后面所有调试工作的根基。H桥怎么搭、PWM频率怎么选、电流怎么采，这些搞不清楚，后面调试窗帘电机时你会很痛苦。下一章我们讲电机控制算法，包括PID调速和位置控制，到时候见。