第4章 PWM 与电机驱动

第4章 PWM 与电机驱动：PWM 原理与定时器配置、直流减速电机驱动（L9110S/H桥）、占空比与转速控制

各位同学，欢迎来到第四章。这一章我们要聊的是共享单车锁控系统里最“动感”的部分——电机驱动。你想想看，车锁的弹开、锁舌的收回，靠的就是电机那一下精准的转动。而控制电机转多快、转多大力，核心就是PWM。

我最早接触PWM，是在做一款智能窗帘的项目。当时电机一启动就“嗡嗡”响，转速还忽快忽慢。后来才发现，是PWM频率没选对，占空比抖动得厉害。从那以后，我对PWM和电机驱动就格外上心。今天咱们就把这块彻底讲透。

4.1 PWM 原理：说白了就是“开关”的艺术

PWM，全称 Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。名字听着唬人，其实原理特简单——就是让一个信号在“高电平”和“低电平”之间快速切换。通过改变高电平持续的时间（也就是脉宽），来模拟一个连续变化的电压。

你想想看，如果给电机通5V电，它全速转。通0V，它停。那如果我在1秒钟内，让5V通0.5秒、0V通0.5秒，电机平均得到的电压就是2.5V。它就会以一半的速度转。这就是PWM的核心思想。

这里有两个关键参数：

频率：1秒钟内开关多少次。单位是Hz。频率太低，电机会“咔咔”响，像步进电机一样一顿一顿的。频率太高，开关损耗会变大，驱动芯片发热严重。
占空比：高电平时间占整个周期的百分比。0%就是一直关，100%就是一直开。50%就是一半时间开、一半时间关。

核心公式：

平均电压 = 电源电压 × 占空比

比如：5V × 60% = 3V。电机就以3V对应的转速运行。

我个人习惯，在共享单车这种电池供电的场景下，PWM频率选在1kHz到10kHz之间。太低会有噪音，太高会浪费电池。嗯，这里要注意，频率选好后，定时器的配置就要跟着来。

4.2 定时器配置：让硬件自动干活

PWM信号不能靠软件延时去“手动”翻转IO口，那样CPU就废了。必须用定时器的硬件PWM模式。以STM32为例，我常用的就是通用定时器TIM3或TIM4。

配置步骤其实就四步：

使能定时器时钟：比如RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
配置GPIO为复用推挽输出：把对应的引脚（比如PA6）设为AF_PP模式。
设置定时器参数：包括预分频器PSC和自动重装载值ARR。这两个值决定了PWM的频率。
配置PWM通道：设置比较值CCR，这个值直接控制占空比。

频率的计算公式很简单：

PWM频率 = 定时器时钟 / ( (PSC+1) × (ARR+1) )

举个例子，STM32的定时器时钟通常是72MHz。我想要一个1kHz的PWM，那么可以设PSC=71，ARR=999。算一下：72,000,000 / (72 × 1000) = 1000 Hz。完美。

占空比则由CCR控制：占空比 = CCR / (ARR+1) × 100%。如果ARR=999，CCR=500，占空比就是50%。

我的小技巧： 在调试时，我习惯先用示波器看PWM波形。频率对不对？占空比稳不稳？一眼就能看出来。千万别只靠感觉调参数，示波器是嵌入式工程师最好的朋友。

代码示例（基于STM32标准库）：

// 定时器3 PWM初始化，频率1kHz
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_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 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);

    // 3. 定时器基础配置
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;        // ARR
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;      // PSC
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. PWM通道1配置
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;           // CCR = 500, 占空比50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 设置占空比函数
void PWM_SetDuty(uint16_t duty)
{
    TIM_SetCompare1(TIM3, duty);  // duty范围0~999
}

4.3 直流减速电机驱动：L9110S 与 H桥

单片机的IO口电流太小，直接推不动电机。必须用驱动芯片。共享单车锁里，L9110S是性价比很高的选择。它内部集成了两个H桥，可以驱动两路直流电机。说白了，H桥就是四个开关管组成的电路，通过控制开关管的通断，让电流正向或反向流过电机，从而实现正转和反转。

L9110S的控制逻辑很简单：

IA	IB	电机状态
0	0	刹车（停止）
1	0	正转
0	1	反转
1	1	刹车（停止）

注意看，IA和IB同时为1也是刹车。这是H桥的一种特殊状态，叫“同侧导通”，相当于把电机两端短路，利用电机自身的反电动势快速制动。我在项目中遇到过，有些同学把IA和IB都置1，发现电机反而发热严重。嗯，这是因为电流过大，驱动芯片扛不住了。所以刹车时，我建议用IA=0, IB=0，让电机自由停止，或者用PWM慢慢减速。

避坑指南： 我曾经在一个项目中，把L9110S的电源和电机电源共用了一路。结果电机启动瞬间，电压被拉低，单片机直接复位。后来我加了一个100μF的电解电容在电机电源旁边，问题就解决了。记住，电机启动电流是额定电流的好几倍，电源设计一定要留余量。

4.4 占空比与转速控制：从理论到手感

占空比和转速的关系，并不是线性的。你设50%占空比，电机转速不会是最大转速的50%。因为电机有启动电压，低于某个阈值它根本不转。这个阈值叫“死区电压”。

我一般会实测一下。比如给10%占空比，电机不动。给20%，开始慢慢转。给50%，转速明显提升。给80%以上，转速基本饱和了。所以实际控制时，我会把占空比范围限制在20%~90%之间，这样控制起来更线性。

还有一个细节：电机启动时，需要较大的占空比来克服静摩擦力。我习惯在启动瞬间给一个“软启动”——先给一个较高的占空比（比如70%），持续100ms，然后降到目标值。这样电机启动更平稳，也不会因为冲击电流过大而损坏驱动芯片。

代码实现软启动：

void Motor_Start(uint16_t target_duty)
{
    uint16_t duty = 700;  // 先给70%占空比
    PWM_SetDuty(duty);
    delay_ms(100);        // 保持100ms
    
    // 然后逐渐降到目标值
    while(duty > target_duty)
    {
        duty -= 10;
        PWM_SetDuty(duty);
        delay_ms(5);
    }
}

你看，代码很简单，但效果很明显。共享单车锁的锁舌弹出，要求干脆利落，但又不能“哐”的一声砸出去。通过PWM控制，完全可以做到“柔中带刚”。

最后总结一下这一章的核心：

PWM就是通过快速开关来模拟电压，频率和占空比是两个关键参数。
定时器配置要算好PSC和ARR，确保频率在1kHz~10kHz之间。
L9110S驱动电机，注意电源滤波和刹车方式。
占空比和转速不是线性关系，要实测并做软启动处理。

下一章，我们会把PWM和电机驱动整合到锁控系统的整体逻辑中。到时候，你会看到这些底层知识是如何串联起来的。好了，今天就到这里，动手试试吧。

📚 课程目录