第4章 PWM调制技术

4、PWM调制技术：PWM原理、占空比与频率的关系、分辨率选择

好，咱们进入第四讲。前面聊了电机选型和驱动电路，现在该聊聊怎么让电机转得「听话」了。说白了，就是PWM调制技术。

PWM这东西，你肯定不陌生。但用在电动牙刷这种小玩意儿上，讲究还挺多。我刚开始做这个项目时，觉得PWM嘛，不就是给个方波嘛，能有多难？结果第一次调出来的牙刷，震得我手都麻了，噪音还大。后来才明白，频率、占空比、分辨率，这三者得配合好才行。

4.1 PWM原理：其实就是个开关

PWM的全称是Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。原理很简单：用数字信号模拟模拟信号。

你想想看，单片机只能输出高电平和低电平，没法直接输出3.5V这种中间值。那怎么办？快速开关！

比如，你要让电机转一半的力气。那就让高电平占一半时间，低电平占一半时间。电机因为有惯性，不会跟着每个脉冲跳，它感受到的是平均电压。

核心公式：

平均电压 = 高电平电压 × 占空比

占空比 = 高电平时间 / 整个周期时间

举个例子：供电是5V，占空比60%。那电机感受到的平均电压就是5V × 60% = 3V。嗯，就这么简单。

我在项目中遇到过一个问题：有些新手工程师觉得PWM频率越高越好，结果选了个几百kHz的。电机倒是安静了，但驱动芯片烫得能煎鸡蛋。为什么？因为开关损耗上去了。所以频率不是越高越好，得平衡。

4.2 占空比与频率的关系：别搞混了

这两个概念，我见过太多人搞混了。咱们捋一捋。

频率：一秒钟开关多少次。单位是Hz。
占空比：每次开关中，高电平占多少比例。单位是百分比。

频率决定了「开关的快慢」，占空比决定了「力气的大小」。两者是独立的，但实际应用中会互相影响。

举个例子：

频率20kHz，占空比50%：每秒钟开关20000次，每次高电平占一半时间。
频率20kHz，占空比80%：每秒钟还是开关20000次，但高电平占了八成时间。

你看，频率没变，但电机转速变了。反过来，频率变了，占空比不变，电机转速也不变。

我的经验：

电动牙刷的PWM频率，我一般选在20kHz到40kHz之间。为什么？

低于20kHz：人耳能听到，会有「滋滋」声，用户体验差。
高于40kHz：开关损耗增加，电池续航下降。

20kHz刚好在人类听觉上限附近，大部分用户听不到。当然，年轻人可能还能听到一点点，但已经可以接受了。

4.3 分辨率选择：精度和资源的博弈

分辨率，说白了就是占空比能调多细。

8位分辨率：占空比可以调0/255到255/255，共256级。
10位分辨率：占空比可以调0/1023到1023/1023，共1024级。
16位分辨率：占空比可以调0/65535到65535/65535，共65536级。

分辨率越高，控制越精细。但代价是什么？

定时器资源占用更多
中断频率可能更高
代码复杂度增加

我建议电动牙刷选8位或10位分辨率就够了。为什么？

你想想看，电动牙刷的振动频率控制，其实不需要那么精细。用户能感受到的振动变化，大概在5%的占空比变化以上。8位分辨率有256级，每级变化约0.4%，已经远远超过人眼（或者说人手）能分辨的精度了。

我曾经踩过的坑：

有一次我为了追求「极致控制」，选了16位分辨率。结果定时器溢出中断频繁触发，导致主循环被频繁打断，按键响应都变慢了。后来查了半天才发现是分辨率太高惹的祸。

所以，别盲目追求高分辨率。够用就好。

4.4 实际代码示例：STM32的PWM配置

咱们以STM32为例，看看怎么配置PWM。我用的是HAL库，但原理都一样。

// 定时器句柄
TIM_HandleTypeDef htim2;

// PWM初始化函数
void PWM_Init(void)
{
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    // 定时器基础配置
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;          // 72MHz / (71+1) = 1MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999;            // 1MHz / (999+1) = 1kHz
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
    
    // PWM通道配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;              // 占空比 500/1000 = 50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    // 启动PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

// 动态修改占空比
void PWM_SetDuty(uint16_t duty)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

这段代码里，Prescaler和Period决定了PWM频率。Prescaler=71，Period=999，算下来频率是1kHz。但前面我说了，电动牙刷要用20kHz以上，所以实际项目中我会把Period改成49，这样频率就是20kHz了。

频率计算公式：

PWM频率 = 定时器时钟 / (Prescaler + 1) / (Period + 1)

占空比 = Pulse / (Period + 1) × 100%

你看，Prescaler和Period配合，就能得到想要的频率。Pulse就是占空比控制值。

4.5 避坑指南：PWM常见问题

做PWM控制，有几个坑我帮你们踩过了，直接说结论：

死区时间：如果驱动电路是半桥或全桥，一定要加死区时间。否则上下管直通，瞬间烧管子。我吃过这个亏，一次就烧了三个MOS管。
PWM引脚复用：很多MCU的PWM引脚和普通IO复用。记得配置成复用功能，不然输出不了波形。
负载变化：电机启动时电流大，PWM占空比不要从0直接跳到100%。我习惯做软启动，比如500ms内从0逐渐升到目标值。
滤波电容：PWM输出端加个小电容（比如0.1μF），能滤掉高频噪声。但别太大，否则波形会变圆，影响控制精度。

嗯，PWM这块就聊这么多。下一章咱们讲PID控制算法，那才是让牙刷振动「指哪打哪」的关键。到时候见。