第2章电机驱动基础

2、电机驱动基础：直流电机工作原理、步进电机与伺服电机区别、H桥驱动电路详解、PWM调速原理

各位同学，咱们今天聊聊电机驱动。说实话，在自动售货机这个行当里，电机就是货道的「手」和「脚」。你逻辑写得再漂亮，电机不动，货就出不来。我这些年调试过的售货机主板少说也有上千块，电机驱动这块踩过的坑，今天一次性给你们讲透。

2.1 直流电机工作原理

直流电机，说白了就是最朴素的电机。给它通上电，它就转。怎么转的？

你想象一下：一个线圈放在磁场里，通上电流，线圈就会受力转动。这就是安培力的基本原理。线圈转半圈后，换向器会把电流方向反过来，让线圈继续朝同一个方向转。就这么简单。

核心公式：

转速 n = (U - I×R) / (K×Φ)

其中 U 是电压，I 是电流，R 是电枢电阻，K 是电机常数，Φ 是磁通量。

说白了：电压越高，转速越快；负载越大（电流大），转速越慢。

我在项目中遇到过一个问题：某款售货机出货时，电机转着转着突然卡住。查了半天，发现是电压降得太厉害。电源线太细，电机启动瞬间电流大，把电压拉低了。嗯，这里要注意——直流电机启动电流是额定电流的 5-7 倍，设计电源时一定要留余量。

2.2 步进电机与伺服电机区别

很多新手会问：售货机里到底用步进还是伺服？我直接说结论：绝大多数售货机货道用的是直流减速电机，不是步进也不是伺服。但作为工程师，这两种电机你必须懂，因为高端机型、特殊货道会用到。

对比项	步进电机	伺服电机
控制方式	开环控制（无反馈）	闭环控制（有编码器反馈）
精度	较高（取决于步距角）	很高（可达±1个脉冲）
低速性能	容易共振	平稳
高速性能	力矩下降快	力矩平稳
成本	低	高
典型应用	3D打印机、小型机械臂	数控机床、工业机器人

为什么会这样？步进电机是靠「一步一步」走，没有反馈，你给它发 100 个脉冲，它就转 100 步。但如果负载太大，它可能「丢步」——你发了 100 个脉冲，它只转了 80 步，你还不知道。

伺服电机就不一样了。它屁股后面有个编码器，实时告诉控制器「我现在转到哪了」。控制器一算：咦，还差 20 步？再补上。这就是闭环控制的好处。

我的建议：

如果你做售货机货道，老老实实用直流减速电机加限位开关。成本低、控制简单、可靠性高。别为了「高大上」非要用步进或伺服，那是给自己找麻烦。

2.3 H桥驱动电路详解

直流电机怎么正反转？用 H 桥。名字很形象，四个开关管组成一个「H」形状，电机在中间横杠上。

// H桥四种工作状态
// Q1、Q2、Q3、Q4 分别代表四个开关管

// 正转：Q1和Q4导通
// 电流路径：VCC → Q1 → 电机 → Q4 → GND

// 反转：Q2和Q3导通
// 电流路径：VCC → Q2 → 电机 → Q3 → GND

// 刹车：Q1和Q3导通（或Q2和Q4导通）
// 电机两端短路，产生反向电动势制动

// 滑行：所有开关管断开
// 电机自由旋转，靠惯性

你想想看，如果 Q1 和 Q2 同时导通会发生什么？VCC 直接到 GND，短路！这就是「直通」现象。我刚开始做驱动板时，就犯过这个错。程序里一个延时没处理好，两个管子同时开了，啪的一声，MOS管冒烟了。

避坑指南：

我曾经因为 H 桥死区时间设置太短，导致上下管轻微导通，MOS管发热严重。后来加了 1μs 的死区时间，问题解决。

死区时间：切换方向时，先关断所有管子，等一会儿再打开另一组。这个「一会儿」就是死区时间。

实际项目中，我很少用分立元件搭 H 桥。太麻烦，而且可靠性不好。常用的集成 H 桥芯片有：

L298N：经典双 H 桥，驱动能力强，但压降大、发热厉害
TB6612FNG：东芝出品，体积小、效率高，适合小电机
DRV8833：TI 的，带电流限制，保护功能齐全
A4950： Allegro 的，耐压高，适合 24V 系统

我个人习惯用 DRV8833，因为它内置了过流保护、过热保护，而且死区时间自动处理好了。省心。

2.4 PWM调速原理

直流电机怎么调速？调电压。但怎么调电压方便？用 PWM。

PWM 的全称是 Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。说白了，就是把电源开关开关开关，通过调整「开」的时间比例来控制平均电压。

关键概念：

占空比 = 高电平时间 / 周期时间 × 100%

平均电压 = 电源电压 × 占空比

比如 12V 电源，50% 占空比，平均电压就是 6V。

你可能会问：开关开关的，电机不会一抖一抖吗？不会。因为电机有电感，电流是连续的。PWM 频率足够高时（通常 1kHz 以上），电机感受到的就是一个平滑的平均电压。

// 以STM32为例，PWM初始化代码片段
void Motor_PWM_Init(void)
{
    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;          // 50% 占空比
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

这里有个坑：PWM 频率不是越高越好。频率太高，MOS管的开关损耗会变大，发热严重。频率太低，电机可能会发出「滋滋」的噪音。我一般选 1kHz 到 20kHz 之间。20kHz 以上人耳听不见，但驱动芯片的开关损耗会明显增加。

经验之谈：

我曾经调试一款售货机，电机低速运行时抖得厉害。后来发现是 PWM 频率太低，只有 100Hz。电机在每个 PWM 周期里「启动-停止-启动-停止」，能不抖吗？把频率提到 2kHz，问题解决。

另外，低速时占空比太小（比如小于 10%），电机可能根本转不起来。因为启动需要克服静摩擦力。我的做法是：先给一个高占空比（比如 80%）启动，持续 50ms，然后再降到目标速度。