第1章 电机驱动基础：H桥原理、MOSFET开关逻辑、PWM调速原理
各位同学，欢迎来到《售货机电机驱动控制算法实战解析》的第一课。
做售货机驱动，说白了就是跟直流电机打交道。你想想看，货道要转、弹簧要推、升降台要动，背后都是电机在干活。而控制电机最核心的硬件基础，就是我今天要讲的这三个东西：H桥、MOSFET、PWM。
我刚开始做电机驱动那会儿，总觉得H桥就是个开关组合，没什么难的。结果第一次上电，MOS管直接冒烟了……嗯，从那以后我再也不敢小看这几个基础元件了。
1.1 H桥原理：让电机正转、反转、刹车
H桥为什么叫H桥？你看它的电路拓扑，四个开关管摆成“H”形，电机横在中间，像一座桥。它的任务很简单：控制电流方向。
核心逻辑：
- 正转：左上Q1 + 右下Q4 导通，电流从左往右流过电机
- 反转：右上Q2 + 左下Q3 导通，电流从右往左流过电机
- 刹车（急停）：同时导通上管Q1+Q2，或同时导通下管Q3+Q4，电机两端短路
- 滑行（自由停止）：四个管子全关，电机靠惯性转
我在项目中遇到过一个问题：售货机出货时，电机到位后需要立刻刹车，防止货物甩出去。如果只用滑行，弹簧会多转半圈，货物就卡住了。所以刹车逻辑必须用H桥的“同侧导通”来实现。
个人经验： 我建议你在设计H桥控制逻辑时，永远不要同时导通上下两个管子（比如Q1和Q2同时开）。那叫“直通”，相当于电源短路，MOSFET瞬间就炸了。我曾经因为代码里一个延时没处理好，烧了三个驱动板才长记性。
1.2 MOSFET开关逻辑：从“通”到“断”的细节
H桥里的开关，实际用的是MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）。它有三个脚：栅极G、漏极D、源极S。控制逻辑其实就一句话：G极电压高于S极一定值，管子就导通；低于阈值，管子就关断。
但实际用起来，坑不少。我列几个关键点：
| 参数 | 说明 | 我的建议 |
|---|---|---|
| Vgs(th) 阈值电压 | 管子开始导通的最小G-S电压 | 选3V以下逻辑电平的MOSFET，3.3V单片机直接驱动 |
| Rds(on) 导通电阻 | 导通时D-S之间的电阻，越小发热越少 | 售货机电机电流一般1-3A，选Rds(on) < 50mΩ的 |
| Qg 栅极电荷 | 开关一次需要的电荷量，影响开关速度 | PWM频率高时（>10kHz），选Qg小的管子 |
为什么会烧管子？我遇到过两种情况：
- 开关速度太慢：MOSFET在导通和关断的中间状态，内阻很大，电流一过就发热。PWM频率越高，这个问题越明显。
- 栅极振荡：G极走线太长，寄生电感导致电压振荡，管子反复开关。我后来在G极串了个10Ω电阻，问题就解决了。
避坑指南： 我曾经在批量生产时发现，同一批MOSFET的Vgs(th)能差0.5V。如果你的驱动电压刚好卡在阈值附近，有些板子能工作，有些不行。所以我建议驱动电压留足余量，比如用12V驱动，Vgs(th)选2-3V的管子。
1.3 PWM调速原理：用“占空比”控制速度
电机调速，最常用的方法就是PWM（脉冲宽度调制）。说白了就是：给电机通一会儿电，断一会儿电，通断交替。通的时间比例越大，电机转得越快。
这里有个关键概念——占空比：
- 占空比 = 导通时间 / 周期 × 100%
- 占空比50%：电机半速
- 占空比100%：全速
- 占空比0%：停止
你想想看，电机是个大电感，电流不会突变。PWM频率足够高时（比如20kHz），电流波形基本是连续的，电机转起来就很平滑。频率太低呢？电机会“咔咔咔”地抖动，噪音大，还容易烧管子。
我常用的PWM参数：
- 频率：20kHz（人耳听不到，安静）
- 分辨率：8位（0-255），步进1%
- 死区时间：500ns（防止上下管直通）
代码实现其实很简单，以STM32为例：
// 初始化定时器TIM1，输出PWM到PA8
void PWM_Init(void) {
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 128; // 初始占空比50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}
// 设置占空比，speed范围0-255
void SetMotorSpeed(uint8_t speed) {
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, speed);
}嗯，这里要注意：PWM频率不是越高越好。频率太高，MOSFET的开关损耗会急剧增加，管子发热严重。我一般控制在16kHz到25kHz之间，既听不到噪音，发热也能接受。
一个小技巧： 如果你发现电机在低速时（占空比<10%）不转，别急着换硬件。先检查PWM分辨率够不够。8位分辨率下，1%的占空比对应2.5左右的脉宽，有些电机启动需要更大的初始力矩。我习惯在软件里加个“软启动”，前50ms给一个30%的占空比，然后再降到目标值。
小结一下
这一章我们聊了三个基础：
- H桥：控制电流方向，实现正反转和刹车
- MOSFET：H桥里的开关，注意阈值电压和开关速度
- PWM：通过占空比调速，频率选20kHz左右最合适
这些是电机驱动的“地基”。下一章我会讲怎么用PID算法让电机转得又稳又准，到时候你会发现，今天这些基础理解得越深，后面调PID就越顺手。
好，今天就到这儿。有问题欢迎在课程群里讨论，咱们下章见。
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