4、PWM调速原理：PWM信号生成、占空比与转速关系、频率选择

好，咱们接着聊电机控制。前面讲了电机怎么转、怎么测速，那问题来了——怎么让电机转得慢一点、快一点？

你可能会想，直接调电压不就行了？理论上没错。但实际项目中，你很难用一个可调电阻去精确控制大电流电机的电压。而且效率低、发热大。所以，工业界和机器人圈子里，大家普遍用PWM。

PWM，全称Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。说白了，就是让电压一会儿开、一会儿关。通过控制“开”的时间比例，来等效地调节电机两端的平均电压。

4.1 PWM信号是怎么生成的？

生成PWM信号，最常用的方式是用定时器+比较器。我早期做项目时，还傻乎乎地用延时函数去手动翻转IO口，结果CPU啥也干不了，全在那数数了。后来才明白，硬件定时器才是正道。

基本原理是这样的：

• 定时器不断计数，从0计到某个最大值（比如ARR，自动重装载值）。
• 同时有一个比较寄存器（CCR），存着你设定的阈值。
• 当计数值小于CCR时，输出高电平；大于等于CCR时，输出低电平。
• 计数值溢出归零，重新开始。这样周期就固定了。

嗯，这里要注意：你改变CCR的值，就改变了高电平的持续时间，也就是占空比。

以STM32为例，一段典型的PWM初始化代码长这样：

// 假设定时器TIM2，通道1输出PWM
TIM_HandleTypeDef htim2;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;      // 72MHz / (71+1) = 1MHz
htim2.Init.Period = 999;        // 1MHz / (999+1) = 1kHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;          // 占空比 500/1000 = 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

你看，Prescaler和Period决定了频率，Pulse决定了占空比。改Pulse，电机转速就变了。

4.2 占空比与转速的关系

占空比，就是高电平时间占整个周期的百分比。比如50%占空比，就是一半时间开、一半时间关。

那占空比和转速是什么关系？

我直接说结论：在大多数直流电机上，占空比与转速近似成正比。

为什么会这样？因为电机绕组有电感，电流不会瞬间跳变。PWM开关频率足够高时，电流会平滑地维持在某个平均值附近。这个平均值正比于占空比乘以电源电压。

举个例子：

• 占空比0%：平均电压0V，电机不转。
• 占空比25%：平均电压3V（假设12V供电），电机慢转。
• 占空比50%：平均电压6V，电机中速。
• 占空比75%：平均电压9V，电机较快。
• 占空比100%：平均电压12V，电机全速。

不过，这里有个坑。我曾经在调试一款小型扫地机器人时发现，占空比低于10%时，电机根本不转。为什么？因为电机启动需要克服静摩擦力和惯性，电压太低，转矩不够。这叫“死区效应”。

4.3 频率怎么选？

频率选择，是PWM调速里最容易忽略、但影响最大的参数。

频率太低，电机运转会一抖一抖的，甚至发出“嗡嗡”的噪音。频率太高，MOS管开关损耗剧增，驱动器发热严重。

我个人习惯，扫地机器人的电机PWM频率，一般选在10kHz ~ 20kHz之间。

为什么是这个范围？

• 低于5kHz：人耳能听到开关噪声，很烦。而且电机电流纹波大，转矩脉动明显。
• 高于20kHz：超出人耳听觉范围，安静了。但开关损耗开始显著增加，驱动芯片温度上升。
• 高于50kHz：除非你用GaN或SiC器件，否则普通MOS管发热会非常严重，得不偿失。

我建议你根据电机类型来选：

电机类型	推荐PWM频率	说明
普通直流有刷电机	10kHz ~ 20kHz	兼顾噪音和效率，最常用
直流无刷电机（BLDC）	20kHz ~ 50kHz	需要更平滑的电流控制
步进电机	20kHz ~ 40kHz	细分驱动时常用
微型振动电机	100Hz ~ 1kHz	频率低反而振动效果好

4.4 实际项目中的避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑，希望能帮你省点时间。

• 我曾经把PWM频率设到100Hz，结果电机低速时一顿一顿的，像在跳舞。后来改成10kHz，问题立刻消失。
• 我曾经用软件延时生成PWM，结果CPU占用率飙到80%，其他任务全卡死。后来换成硬件定时器，CPU占用率降到2%。
• 我曾经没加死区时间，导致H桥上下管直通，MOS管瞬间冒烟。嗯，那味道至今难忘。
• 注意：PWM频率越高，电机电感对电流的平滑效果越好，但驱动芯片的开关损耗也越大。你需要根据实际温升来权衡。

你想想看，PWM调速其实没那么复杂。核心就三件事：生成信号、调占空比、选频率。把这三点搞明白，电机控制就算入门了。

下一节，咱们会把这些知识串起来，讲完整的运动学模型。到时候你会发现，前面这些基础，全都能用上。