电机驱动基础

一，电机的精确控制

电机控制技术让我们能够将数字世界的"想法"转化为物理世界的"行动"。
观察一下你身边的智能设备（扫地机器人、无人机、3D打印机等），想想它们是如何实现精确运动控制的？
扫地机器人：使用编码器电机控制移动，通过轮速差实现转向，激光雷达配合电机实现精确导航和路径规划。
无人机：四个无刷电机分别控制，通过调节不同电机的转速实现前后左右和旋转运动，电机响应速度直接影响飞行稳定性。
3D打印机：X、Y、Z轴使用步进电机实现精确定位，挤出机使用直流电机控制材料供给，每一层的精度都依赖电机的准确控制。
核心作用：电机控制技术是这些设备的"肌肉系统"，将数字指令转化为精确的物理运动，是实现智能化的关键技术基础。

二，PWM基础

PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制平均功率的技术。在电机控制中，PWM是实现速度调节的核心方法。

1，占空比（Duty Cycle）：

高电平时间占整个周期的百分比
0% 占空比 = 电机停止
50% 占空比 = 电机半速运行
100% 占空比 = 电机全速运行

2，PWM频率：

PWM信号的重复频率
太低（<100Hz）：电机会产生明显的振动和噪音
适中（1-20kHz）：平衡控制精度和开关损耗
太高（>50kHz）：开关损耗增大，效率降低

3，STM32中PWM实现

// 1. 定时器PWM初始化（在CubeMX中配置后自动生成）
void MX_TIM1_Init(void) {htim1.Instance = TIM1;htim1.Init.Prescaler = 72-1;        // 72MHz/72 = 1MHzhtim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim1.Init.Period = 1000-1;         // 1MHz/1000 = 1kHz PWMhtim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
}// 2. 启动PWM输出
void Motor_PWM_Start(void) {HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}// 3. A4950电机驱动控制函数（-100到+100对应反转到正转）
int8_t Motor_SetSpeed(Motor_t* motor, int8_t speed) {// 参数和速度范围检查if (motor == NULL || speed < -100 || speed > 100) {return -1;  // 参数错误}// A4950控制逻辑：if (speed == 0) {// 停止：DIR=0, PWM=0HAL_GPIO_WritePin(motor->hw.dir_port, motor->hw.dir_pin, GPIO_PIN_RESET);__HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->hw.htim, motor->hw.channel, 0);} else if (speed > 0) {// 正转：DIR=0, PWM=速度值HAL_GPIO_WritePin(motor->hw.dir_port, motor->hw.dir_pin, GPIO_PIN_RESET);__HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->hw.htim, motor->hw.channel, speed);} else {// 反转：DIR=1, PWM=100+负数值HAL_GPIO_WritePin(motor->hw.dir_port, motor->hw.dir_pin, GPIO_PIN_SET);__HAL_TIM_SET_COMPARE(motor->hw.htim, motor->hw.channel, 100 + speed);}return 0;  // 成功
}

4，PWM参数选择技巧

频率选择：电机PWM频率通常选择1-20kHz，既避免听觉噪音，又保证控制精度
分辨率选择：1000级分辨率（0-999）通常足够，提供0.1%的控制精度
死区时间：对于H桥驱动，需要设置死区时间防止上下管同时导通

为什么PWM能够控制电机速度？如果PWM频率太低会发生什么？ 试想一下，如果用手动开关来快速开关电机电源，会是什么效果？
PWM控制电机速度的原理：
PWM通过快速开关电源，电机感受到的是平均电压。占空比越大，平均电压越高，电机转速越快。这就像调节水龙头，虽然水压固定，但通过控制开关时间比例来调节平均流量。
PWM频率太低的后果：
• 电机会产生明显的振动和噪音（能听到"嗡嗡"声）
• 转速不稳定，出现明显的脉动
• 电机发热增加，效率降低
• 控制精度下降
手动开关的效果：
如果用手动开关，由于人手速度有限（最快几Hz），电机会出现明显的启停，无法形成连续转动，就像老式电风扇档位切换时的顿挫感。

三，电机驱动系统

1，电机驱动系统的组成

MCU（微控制器）- 大脑
负责决策和控制逻辑，生成PWM信号，处理传感器反馈。 就像人的大脑，决定要做什么动作。

驱动芯片 - 肌肉
将MCU的弱电信号放大为强电信号，为电机提供足够的电流。 就像人的肌肉，将神经信号转化为实际的力量。

电机 - 执行器
将电能转化为机械能，产生旋转运动。 就像人的手脚，执行具体的动作。

2，驱动芯片的必要性

MCU的输出能力：电压3.3V，电流几十毫安
电机的需求：电压6-12V，电流几百毫安到几安培
这就像用小水管的水压去推动大水轮 - 力量不够！
驱动芯片就是"水泵"，将小水流变成大水流。

常见驱动芯片对比：

芯片型号	最大电流	工作电压	特点
TB6612FNG	1.2A	2.7-5.5V	小型项目首选，效率高
L298N	2A	5-35V	经典选择，应用广泛
DRV8833	1.5A	2.7-10.8V	集成度高，体积小

// A4950ELJTR-T引脚连接（双电机驱动）
STM32引脚    ->  A4950引脚    ->  功能说明
PE11(PWM)    ->  PWM1         ->  电机1的PWM速度控制
PE9          ->  DIR1         ->  电机1方向控制
PE14(PWM)    ->  PWM2         ->  电机2的PWM速度控制
PE13         ->  DIR2         ->  电机2方向控制
3.3V         ->  VCC          ->  逻辑电源
GND          ->  GND          ->  公共地
7.4V         ->  VM           ->  电机电源A4950引脚连接
// A4950控制逻辑（快慢衰减模式）
DIR=0, PWM=速度值     ->  正转（慢衰减）
DIR=1, PWM=100+负值   ->  反转（快衰减）
DIR=0, PWM=0          ->  停止

如果直接用MCU的GPIO引脚连接电机会发生什么？ 为什么A4950只需要一个方向控制引脚（DIR）而不是两个
直接用GPIO连接电机的后果：
• 电流不足：STM32的GPIO最大输出电流只有25mA，而电机需要几百毫安甚至几安培
• 电压不匹配：GPIO输出3.3V，电机通常需要6-12V
• 损坏MCU：电机的反电动势可能损坏GPIO引脚
• 无法反转：GPIO只能输出单向电压，无法实现电机反转
A4950的单引脚控制优势：
A4950采用先进的快慢衰减控制模式：
• DIR=0：慢衰减模式，适合正转和停止，运行平稳
• DIR=1：快衰减模式，适合反转，制动效果好
这比传统的双引脚H桥控制更简单，同时避免了直通风险，提高了可靠性。

四，开环控制和闭环控制

1，开环控制 - 简单但不精确

优点：结构简单，成本低，响应快
缺点：精度差，易受干扰，无法自我纠正
适用场景：精度要求不高的场合，如风扇调速

// 开环控制：直接设置PWM值
void OpenLoop_Control(void) {// 设置电机速度为50%Motor_SetSpeed(500);  // 0-1000对应0%-100%// 问题：不知道电机实际转速是多少// 负载变化时，实际转速会变化// 电池电压下降时，转速也会下降
}

2，闭环控制 - 复杂但精确

优点：精度高，抗干扰能力强，能自我纠正
缺点：结构复杂，成本高，需要传感器
适用场景：精度要求高的场合，如机器人定位

// 闭环控制：根据反馈调节PWM值
void ClosedLoop_Control(void) {int16_t target_speed = 1000;  // 目标转速：1000 RPMint16_t actual_speed = Encoder_GetSpeed();  // 读取实际转速int16_t error = target_speed - actual_speed;  // 计算误差// 根据误差调节PWM（简单比例控制）static uint16_t pwm_value = 500;if (error > 0) {pwm_value += 10;  // 实际转速低，增加PWM} else if (error < 0) {pwm_value -= 10;  // 实际转速高，减少PWM}// 限制PWM范围if (pwm_value > 1000) pwm_value = 1000;if (pwm_value < 0) pwm_value = 0;Motor_SetSpeed(pwm_value);
}

踩油门踏板是开环控制还是闭环控制？ 定速巡航功能是开环控制还是闭环控制？为什么？
踩油门踏板：开环控制
• 司机踩油门只是给发动机一个"期望输出"
• 不知道车辆实际速度是多少
• 上坡时需要司机主观判断加大油门
• 没有自动反馈调节机制
定速巡航：闭环控制
• 设定值：司机设定目标速度（如120km/h）
• 传感器：车速传感器实时检测当前速度
• 控制器：ECU比较目标速度和实际速度
• 执行器：自动调节油门开度
• 反馈：持续监控速度变化并调
这就是为什么定速巡航能在上坡下坡时自动保持恒定车速的原因！