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第8章 PWM 波与电机驱动

8 第八章 - PWM 波与电机驱动

8.1 PWM 波形简介

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过改变脉冲占空比来调控平均功率或电压的技术。保持固定频率下，改变高电平持续时间（占空比）即可改变负载上的平均电压，从而控制电机转速或 LED 亮度等。

8.2 PWM 的等效原理

  • 平均值模型：对低通响应慢的负载（如电机转子和惯性系统），PWM 在周期内的快速开关相当于一个等效直流电平，其平均值为 Vavg = Vcc * DutyCycle。
  • 低通滤波器视角：在频率远高于机械或电气系统带宽时，负载+滤波元件（电感、电容）把 PWM 的高频分量滤除，只响应平均分量。
  • 等效功率与 RMS：在功率计算或发热评估时，用有效值（RMS）比平均值更合适，特别在电感较小时需注意谐波导致的附加损耗。

8.3 如何产生 PWM 波

  • 硬件定时器输出（推荐）：微控制器（如 STM32）定时器的 PWM 模式，硬件直接产生高精度、稳定的 PWM 并可配合 DMA/中断。优点是精度高、占用 CPU 少。
  • 软件 PWM（软 PWM）：通过周期性中断或轮询翻转 IO 引脚实现。适用于简单或低频场景，但精度、抖动和 CPU 占用较差。
  • 高级协议：针对无刷电机（BLDC），存在 DShot、OneShot、Multishot 等高速数字协议，替代传统 50Hz 或 400Hz 的伺服 PWM，提供更低延迟与更高分辨率。

示例（STM32 HAL 伪代码，生成 TIMx PWM）：

// TIM 初始化略，确保计数频率与周期设定满足目标 PWM 频率
htim.Instance = TIM3;
htim.Init.Prescaler = 79;  // 例如 80MHz -> 1MHz
htim.Init.Period = 999;    // 1kHz PWM
HAL_TIM_PWM_Init(&htim);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 250;  // 25% duty
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);

8.4 电机分类与驱动方式

  • 有刷直流电机（Brushed DC Motor）
  • 驱动方法：常用 H 桥（H-bridge）进行方向控制与 PWM 调速；PWM 控制电压，配合电流检测与限流保护。开关 MOSFET/晶体管需加续流二极管或使用带续流路径的桥堆。
  • 优点：驱动简单、成本低；缺点：有刷部件易磨损、寿命受限。
  • 无刷直流电机（BLDC / Brushless Motor）
  • 驱动方法：三相逆变器（电子换向器），通常使用外部 ESC（电调）或 MCU+驱动器实现六步/FOC 控制。输入信号可以是标准伺服 PWM（1-2ms）、OneShot/DShot 等。
  • FOC（Field-Oriented Control）可获得更高效率、更平稳的转矩输出。
  • 步进电机（Stepper Motor）
  • 驱动方法：步进驱动器（如 A4988、DRV8825、TMC 系列），通过细分步进与电流限制实现精确位置控制。驱动器通常接收 STEP/ DIR 信号或 SPI 控制（高级驱动器）。
  • 舵机（Servo）
  • 驱动方法：典型舵机内部集成直流电机与减速箱，外部通过 50Hz PWM（1~2ms）控制角度；现代数字舵机也支持高速信号或串行协议。

8.5 行星（Y）电机及其驱动注意事项

  • 行星（Y 或 Wye）连接常见于三相电机：三相绕组一端并联为公共点（中性点），另一端接三相电源或逆变器相输出。
  • 与三角形（Δ）连接对比：行星在相电压更低（相电压 = 线电压 / √3），适合高压或需要较低相电流的场景；三角形更适合低压高电流场景。
  • 驱动要点：三相逆变器需对三相绕组做 PWM 调制（正弦 PWM 或空间矢量 PWM），并处理换向、过流保护、死区时间等问题。带中性点的测量/监控可用于故障检测与更多控制策略。

8.6 驱动器硬件设计要点

  • MOSFET/IGBT 选择：注意导通损耗与开关损耗、门极驱动能力、耐压与电流余量。
  • 死区时间（Dead-time）：防止高低侧同时导通造成直通短路，特别在半桥或逆变器设计中必不可少。
  • 续流/自由轮路径：电机感性负载需要合适续流路径，或在硬件上配置续流二极管/同步整流 MOSFET。
  • 电流检测与限流：使用电阻/霍尔/专用放大器进行闭环电流控制与过流保护。
  • EMI/滤波：PWM 切换引入高频噪声，需要布局、滤波（LC）与共模抑制设计。

8.7 工程例子：轮式机器人驱动电机

  • 场景：差速驱动的两轮或四轮机器人，使用有刷直流电机或无刷直流电机。
  • 常见做法（有刷 DC）:
  • 硬件：电机 + H 桥驱动器（L298、DRV8871、TB6612、或 MOSFET H 桥）。
  • 控制：主控通过 PWM 控制占空比以调速，通过 DIR/EN 或 H 桥控制方向。编码器用于闭环速度/位置控制（PID）。
  • 保护：加速度限制、过流检测、欠压锁定（UVLO）与反接保护。

示例控制伪代码：

// 设置目标速度 -> 根据 PID 输出得出 PWM 占空比与方向
if (pid_output >= 0) {
  set_dir_forward();
  set_pwm(pid_output);
} else {
  set_dir_backward();
  set_pwm(-pid_output);
}
  • 无刷 BLDC 作差速驱动时通常使用小型 ESC 或专用三相驱动器，若自己实现需注意电子换向与闭环速度控制。

8.8 工程例子：多旋翼（无人机）驱动

  • 场景：多旋翼（四轴、六轴等）使用小型高转速 BLDC 电机与外置 ESC。
  • 驱动方式：飞控通过 PWM（或更高速的数字协议如 DShot）向 ESC 发送油门信号，ESC 负责电机的换向、转速控制与低层闭环（基于背 EMF 或霍尔/传感器）。
  • 特点与要求：高响应、低延迟的信号更利于飞控稳定；电调需支持足够的电流与功率（关注持续电流与峰值电流）；电源与电调需合理布局以降低干扰。

示例：ESC 控制信号 - 传统伺服 PWM：1ms(停止) ~ 2ms(全油门)，频率约 50Hz 到 400Hz（取决于 ESC）。 - DShot：数字协议，无需模拟 PWM，误差低且延迟小，广泛用于竞速与现代飞控系统。

工程注意事项： - 电调校准、动力匹配（电机-螺旋桨-电调-电池）是保证飞行安全的关键。 - 电源布线、滤波与 BEC（如需）设计也影响系统可靠性。

8.9 实验与练习建议

  1. 使用单片机定时器生成 PWM，控制直流电机的转速并通过编码器实现速度闭环（PID）。
  2. 使用三相逆变器或 ESC 控制小型 BLDC，尝试观察不同 PWM 协议（PWM/OneShot/DShot）的响应差异。
  3. 设计并测试 H 桥的热耗、开关损耗与加装电流限流保护。
  4. 对比行星与三角形连接电机的相电压与性能差异（在安全范围内实验）。

8.10 参考资料

  • 电力电子、功率半导体与电机驱动相关书籍与资料
  • 各类电机驱动器与 ESC 的数据手册
  • STM32、Arduino 等平台 PWM 与定时器应用示例

8.11 本章测验

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1) PWM（脉宽调制）的等效平均电压计算公式是：

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2) 在电机驱动中，"低通响应"视角下 PWM 能等效为直流电平的原因是：

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3) 有刷直流电机最常用的驱动电路是：

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4) 无刷直流电机（BLDC）的驱动方式通常使用：

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5) 舵机（Servo）的典型控制信号是：

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6) 在半桥或全桥驱动电路中，死区时间（Dead-time）的作用是：

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7) 步进电机的驱动通常需要：

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8) 以下关于行星（Y）连接电机的描述，正确的是：

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9) 多旋翼无人机的电调（ESC）通常使用什么信号接收油门指令？

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10) 对于电机感性负载，续流路径（Freewheeling Path）的作用是：

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（本章为综合性工程级概述，具体项目请结合目标电机、电源与驱动器手册进行设计与验证。）