第4章 PWM调速原理

4、PWM调速原理：PWM信号生成、占空比与转速关系、PWM频率选择策略

好，咱们进入正题。点钞机电机调速，说白了就是靠PWM。你想想看，电机要转得快，就得给足电压；要转得慢，就得少给点。但直接调电压太笨了，效率也低。PWM这招就高明多了——它用一连串的脉冲，通过调整脉冲的宽窄，来“骗”电机达到不同的转速。

我刚开始做电机驱动那会儿，总觉得PWM很玄乎。后来亲手搭了个电路，用示波器一看波形，瞬间就明白了。嗯，咱们今天就把它彻底讲透。

PWM，全称是脉冲宽度调制。它的核心思想很简单：用数字信号模拟出模拟电压的效果。

具体怎么生成呢？我习惯用定时器+比较器的方式。拿STM32或者51单片机来说，内部都有一个定时器，它不停地从0计数到一个设定值（比如1000）。同时，我们设定一个比较值（比如500）。当计数值小于比较值时，输出高电平；大于比较值时，输出低电平。这样，一个周期内，高电平的宽度就是由这个比较值决定的。

说白了，就是拿一个“锯齿波”和一个“阈值”去比。阈值高，脉冲就宽；阈值低，脉冲就窄。

核心公式：

占空比 = 高电平时间 / 整个周期时间 × 100%

等效电压 = 电源电压 × 占空比

举个例子，电源是12V，占空比是50%，那电机感受到的平均电压就是6V。这就是PWM调速的本质。

我的小习惯：在项目中，我一般把定时器的自动重装载值（ARR）设成1000或10000。这样占空比的计算就是整数，调试时心里有数。比如ARR=1000，那占空比50%就是比较值=500，非常直观。

占空比越大，电机转速越快。这个关系听起来简单，但实际没那么线性。

为什么会这样？因为电机有启动电压。你想想看，占空比太小，比如只有5%，等效电压可能只有0.6V。这点电压连电机线圈的电阻都克服不了，转子根本转不起来。这就是所谓的“死区”。

我在项目中遇到过这样的情况：调试一台点钞机，发现占空比从0%调到15%，电机纹丝不动。一开始我还以为是电路坏了，后来一查，是电机本身的启动电压需要3V左右。也就是说，占空比至少要达到25%（12V供电）才能转起来。

所以，实际应用中，占空比和转速的关系大致是这样的：

你看，真正好用的区间是40%到80%。我一般把点钞机的正常工作点设在这个范围内，既保证了调速的线性，又留出了上下调节的余量。

注意：占空比100%不等于电机能一直满速跑。电机有额定电压，超过额定电压会烧线圈。所以，如果你的电源电压高于电机额定电压，千万别把占空比开到100%。我曾经见过有人把12V电机接到24V电源上，占空比只开了50%就冒烟了——因为等效电压已经12V了，再往上加就危险了。

频率选多少？这是个好问题。选低了，电机会“咔咔”响，像拖拉机；选高了，驱动管发热严重，效率下降。

我个人习惯把PWM频率分成三个档次：

为什么中频最合适？你想想看，电机线圈本身就是一个电感。电感有滤波作用，频率越高，电流纹波越小，电机运行越平稳。但频率太高，MOS管每次开关都要消耗能量，发热就上来了。

我做过一个对比实验：同一个电机，用1kHz驱动，MOS管温度40度；换成20kHz，温度直接飙到65度。虽然噪音没了，但散热成本上去了，得不偿失。

我的频率选择口诀：

“低频抖，高频热，中频最稳妥。”

具体选多少？看你的电机电感量。电感大的，频率可以低一点（2kHz-4kHz）；电感小的，频率高一点（8kHz-10kHz）。

讲到这里，我得分享几个我踩过的坑。

坑一：频率和占空比分辨率的关系。 定时器的ARR值决定了PWM的分辨率。ARR=100时，占空比只能调1%的步进；ARR=1000时，可以调0.1%。但ARR越大，定时器溢出的频率就越低。所以，频率和分辨率是矛盾的。我一般取ARR=1000，频率设在4kHz左右，两者兼顾。

坑二：死区补偿。 前面说了，占空比太低电机不转。所以，我在软件里会做一个“死区补偿”：当目标占空比低于20%时，直接输出0；当目标占空比在20%-25%之间时，强制拉到25%。这样电机就不会在临界区抖动。

坑三：PWM频率和电流采样。 如果你要做电流检测（比如堵转保护），采样频率最好和PWM同步。我习惯在PWM的中间点采样，避开开关噪声。这个细节，很多新手会忽略。

一个小技巧：调试时，用示波器看电机两端的电压波形。如果波形边缘有严重的过冲或振铃，说明你的驱动电路布局有问题，或者PWM频率太高了。这时候，要么优化PCB走线，要么降低频率。

好了，PWM调速的原理就讲到这里。总结一下：占空比决定等效电压，频率决定运行品质。选对了参数，电机就能听话地转；选错了，要么抖要么热。下一节，咱们聊聊怎么用PWM实现点钞机的加减速控制，那才是真正考验功夫的地方。