第3章 PWM基础与电机开环控制

好，咱们进入第三章。这一章我打算聊聊PWM——脉冲宽度调制。说实话，PWM这东西，搞嵌入式的人天天见。但你真的理解它和电机转速之间的关系吗？我见过不少工程师，代码能跑，波形也能看，但一问到「为什么占空比变了转速就变了」，就支支吾吾了。

这一章，咱们就把这个基础打扎实。从原理到实战，再到示波器实测，一步到位。

3.1 PWM原理：说白了就是开关

PWM，全称Pulse Width Modulation。翻译过来就是「脉冲宽度调制」。什么意思呢？

你想想看，一个直流电机，你给它通12V，它就全速转。你给它断掉，它就停。那如果我想让它半速转呢？

最简单的办法——快速开关。开一会儿，关一会儿。开的时间长，转得快；开的时间短，转得慢。这就是PWM的核心思想。

核心公式：

占空比 = Ton / (Ton + Toff) × 100%

等效电压 = Vcc × 占空比

举个例子。12V供电，占空比50%，那电机感受到的平均电压就是6V。转速自然就降下来了。

我在项目中遇到过一个问题：有人觉得PWM频率越高越好。其实不是。频率太高，MOS管的开关损耗会急剧增加。频率太低，电机运转会「咔咔咔」地抖动。我个人习惯，直流有刷电机用20kHz左右，听不到噪音，效率也还行。

3.2 占空比与转速关系：不是线性的！

很多新手会以为：占空比50%，转速就是50%。

错。

为什么会这样？因为电机有死区电压。说白了，电压太低，电机根本转不起来。我实测过一款小电机，占空比低于15%，它纹丝不动。

另外，负载也会影响。空载时，10%占空比可能就转了。带负载时，可能要到30%才动。

占空比	空载转速（RPM）	带载转速（RPM）
0%	0	0
20%	800	0（未启动）
40%	1800	1200
60%	2800	2400
80%	3700	3500
100%	4200	4100

看到没？低占空比区域，非线性非常明显。所以做按摩仪的时候，我建议你留个「启动占空比」——先给一个较高的占空比让电机转起来，再降到目标值。

避坑指南：我曾经在按摩仪项目里，直接给20%占空比想让它慢转。结果电机嗡嗡响就是不转。后来加了软启动，先给50%持续200ms，再降到20%，问题解决。

3.3 开环调速实现：代码走起

开环控制，就是没有反馈。你给多少，它就转多少。简单粗暴，适合入门。

下面我用STM32的定时器来演示。嗯，这里要注意，不同MCU的PWM配置大同小异，关键是理解原理。

// 定时器PWM初始化（以STM32F103为例）
void PWM_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置PA0为复用推挽输出（TIM2_CH1）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 配置定时器
    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(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. 配置PWM模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;             // 初始占空比0%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 设置占空比函数
void PWM_SetDuty(uint16_t duty)
{
    if(duty > 1000) duty = 1000;  // 限幅
    TIM_SetCompare1(TIM2, duty);
}

这里有个关键点：TIM_Period = 999，TIM_Prescaler = 71。算一下频率：72MHz / (71+1) / (999+1) = 1kHz。如果你想用20kHz，把Period改成49就行。

占空比怎么算？比如你想设50%，那就PWM_SetDuty(500)。因为Period是999，0~999对应0%~100%。

注意：不同MCU的PWM分辨率不一样。8位定时器只能设0~255，16位可以设0~65535。分辨率越高，转速控制越精细。按摩仪电机一般8位就够了，但如果你要做精密控制，建议用16位。

3.4 示波器实测波形分析

代码写完了，怎么验证？上示波器。

我记得第一次调PWM的时候，代码跑起来电机不转。我以为是程序写错了。结果一量波形——嗯，根本没输出。原来是GPIO配置成了推挽输出，忘了改成复用推挽。

所以，示波器是嵌入式工程师的眼睛。咱们来看看典型的PWM波形长什么样。

正常波形：

频率稳定：周期一致，没有抖动
占空比准确：高电平宽度符合设定值
上升沿/下降沿陡峭：没有明显的斜坡

常见问题波形：

波形毛刺多：可能是电源纹波大，或者探头接地没接好
占空比不准：定时器预分频或重装载值算错了
频率漂移：晶振不稳定，或者代码里有中断干扰

我建议你养成一个习惯：每次改完PWM参数，先看波形，再连电机。这样可以避免很多低级错误。

实战技巧：用示波器测量时，把探头打到10×档，带宽限制打开。这样能滤掉高频噪声，看到更真实的波形。另外，接地夹子尽量短，别用那个长长的弹簧地线——那玩意儿就是个天线。

3.5 开环控制的局限性

开环控制虽然简单，但有个致命问题：你没法知道电机实际转了多少。

比如按摩仪里，你设了50%占空比，但电池电压从12V掉到了10V，那实际转速就变了。用户会感觉「怎么按着按着没劲了」。

再比如，按摩头压到骨头上了，阻力变大，转速下降。开环控制不会自动补偿，用户体验就很差。

所以，开环控制适合做原型验证、功能测试。真正产品级的按摩仪，一定要上闭环——也就是后面章节要讲的PID控制。

但别急，先把开环玩明白。地基打不牢，楼盖得再高也得塌。

好，这一章就到这儿。下一章咱们聊聊电机驱动电路——H桥怎么搭，MOS管怎么选，续流二极管怎么配。这些都是实战中绕不开的硬骨头。

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