第三章 电机驱动与控制：直流电机原理、PWM调速控制、H桥电路设计、电机驱动芯片选型

各位同学，欢迎来到第三章。

这一章，我们聊聊电机驱动。说实话，在剃须刀这类便携设备里，电机就是心脏。电机选得好、驱动做得稳，整机体验就成功了一半。我自己做过的几个项目里，因为电机驱动翻车的案例，一只手都数不过来。所以这一章，我会把直流电机原理、PWM调速、H桥电路、驱动芯片选型这些核心内容，掰开了揉碎了讲给你听。

3.1 直流电机原理：从物理到工程

直流电机，说白了就是靠电流产生磁场，推动转子转起来。你想想看，一个线圈放在磁场里，通上电，它就会转。这就是最基础的物理原理——安培力。

但在工程里，我们更关心几个关键参数：

• 额定电压：电机正常工作的电压。比如剃须刀常用3.7V或5V电机。
• 空载转速：电机不带负载时的转速，单位RPM。
• 堵转电流：电机卡住不转时的电流。这个值很重要，选驱动芯片时一定要看它能不能扛住。
• 转矩常数：电流和输出扭矩的关系。

我记得有一次，一个同事选了个小电机，觉得空载电流才几十毫安，结果一装到剃须刀头上，刀网一卡，电流直接飙到1.2A。驱动芯片瞬间过热保护，整机停机。嗯，这就是典型的「堵转电流」没算清楚。

3.2 PWM调速控制：不只是调电压

很多人以为，调电机转速就是调电压。其实不对。你调电压，电机确实会转得快或慢，但效率会下降，发热会增大。真正高效的方式是——PWM（脉宽调制）。

PWM的原理很简单：用固定频率的方波，控制导通时间（占空比）。占空比越大，平均电压越高，转速越快。频率一般选在20kHz以上，这样人耳听不到噪音。

我个人的习惯是：

• 剃须刀电机：PWM频率选25kHz~30kHz。太低会有啸叫声，太高会增加MOS管开关损耗。
• 占空比范围：10%~95%。低于10%电机可能不转，高于95%容易烧驱动。

这里给一个简单的PWM控制代码示例（基于STM32）：

// 初始化定时器TIM3，输出PWM
void Motor_PWM_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置PA6为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 定时器配置
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;        // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;      // 预分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // PWM模式配置
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;           // 初始占空比50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 设置占空比函数
void Motor_SetSpeed(uint16_t duty) {
    if(duty > 950) duty = 950;   // 上限保护
    if(duty < 50)  duty = 50;    // 下限保护
    TIM_SetCompare1(TIM3, duty);
}

3.3 H桥电路设计：正反转与刹车

直流电机只能正转？当然不是。用H桥电路，你可以实现正转、反转、刹车、滑行四种状态。

H桥的名字很形象——四个开关管（通常是MOSFET）组成一个「H」形状。电机接在中间横杠上。控制四个管的通断，就能改变电流方向。

四种工作状态：

状态	Q1	Q2	Q3	Q4	电机行为
正转	ON	OFF	OFF	ON	正向旋转
反转	OFF	ON	ON	OFF	反向旋转
刹车	OFF	ON	OFF	ON	电机短接，快速停止
滑行	OFF	OFF	OFF	OFF	电机自由停止

这里有个关键点：绝对不能出现Q1和Q2同时导通，或者Q3和Q4同时导通。那叫「直通」，相当于电源短路，瞬间烧毁MOS管。我曾经在一个原型板上，因为软件延时没算好，两个管同时开了0.5ms，结果MOS管直接冒烟。嗯，从那以后我每次写H桥控制代码，都会加死区时间。

3.4 电机驱动芯片选型：以DRV8833为例

自己搭H桥？当然可以。但说实话，对于剃须刀这种消费级产品，我更推荐用集成驱动芯片。体积小、保护全、设计简单。

DRV8833是我用得比较多的一款。它是个双通道H桥驱动芯片，每个通道能持续输出1.5A，峰值2A。对于剃须刀电机来说，绰绰有余。

DRV8833的几个关键特性：

• 工作电压：2.7V~10.8V，覆盖单节锂电池到三节电池。
• 内置保护：过流保护、过热保护、欠压锁定。这些保护功能，自己搭H桥很难做得这么全。
• PWM频率：最高支持250kHz，完全够用。
• 封装：QFN封装，3mm×3mm，非常适合空间受限的产品。

我个人的选型建议：

• 如果电机电流<1A，用DRV8837（更小、更便宜）。
• 如果电机电流1A~2A，用DRV8833（性价比最高）。
• 如果电机电流>2A，考虑DRV8870或外置MOS管方案。

下面是一个DRV8833的典型应用电路：

// DRV8833 引脚连接（以STM32为例）
// nSLEEP -> PB0 (高电平使能)
// IN1    -> PA0 (PWM输入)
// IN2    -> PA1 (方向控制)
// OUT1   -> 电机正极
// OUT2   -> 电机负极

void DRV8833_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // nSLEEP引脚配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // IN1、IN2配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 使能芯片
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}

// 设置电机正转，占空比50%
void Motor_Forward(void) {
    TIM_SetCompare1(TIM2, 500);  // PA0输出PWM
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);  // IN2低电平
}

// 设置电机反转，占空比50%
void Motor_Reverse(void) {
    TIM_SetCompare1(TIM2, 500);
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // IN2高电平
}

// 刹车
void Motor_Brake(void) {
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);   // IN1高电平
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // IN2高电平
}

3.5 避坑指南：电机驱动的常见问题

最后，我总结几个实际项目中容易踩的坑：

1. 电源纹波过大：电机启动瞬间电流很大，会导致电源电压跌落。我建议在电机电源引脚附近加一个470μF电解电容+0.1μF陶瓷电容。
2. EMI干扰：电机电刷会产生火花，干扰MCU工作。解决办法：在电机两端并联一个0.1μF电容，或者加一个磁珠。
3. PWM频率选择不当：频率太低，电机有啸叫声；频率太高，MOS管发热严重。20kHz~30kHz是黄金区间。
4. 死区时间不够：前面说过了，至少1μs。如果你用DRV8833这类集成芯片，它内部已经处理好了，但自己搭H桥一定要小心。

我曾经在一个量产项目中，因为PCB布局时把电机驱动线和信号线走得太近，结果电机一转，ADC采集的数据全是乱的。后来把驱动线单独走一层，中间加地平面隔离，问题才解决。嗯，这就是所谓的「布局决定成败」。

好了，第三章就到这里。下一章我们讲传感器与反馈控制，到时候会用到这一章的PWM和H桥知识。记得动手练一练，光看是学不会的。