揭秘单片机控制直流电机：PWM技术详解：10个步骤快速提升电机控制性能

# 1. 单片机控制直流电机基础

单片机控制直流电机是一种广泛应用于工业自动化、机器人和电子产品中的技术。它通过单片机输出脉宽调制（PWM）信号，控制直流电机的转速和方向。

### 1.1 直流电机的基本原理

直流电机是一种通过直流电能转换成机械能的电机。它由定子和转子组成，定子产生磁场，转子在磁场中旋转产生扭矩。直流电机的转速与施加的电压成正比，与磁场强度成反比。

### 1.2 单片机控制直流电机的优势

使用单片机控制直流电机具有以下优势：

- 精确控制转速和方向
- 响应速度快
- 功耗低
- 体积小，易于集成
- 可实现复杂的控制算法

# 2. 脉宽调制（PWM）技术

### 2.1 PWM的基本原理和优势

脉宽调制（PWM）是一种数字调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制模拟信号的幅度。在单片机控制直流电机中，PWM技术用于调节电机供电电压的幅度，从而控制电机的转速和方向。

PWM的基本原理是将一个周期性方波信号的脉冲宽度进行调制，当脉冲宽度增加时，模拟信号的幅度也随之增加。通过改变脉冲宽度，可以实现对模拟信号幅度的精确控制。

PWM技术在单片机控制直流电机中具有以下优势：

- **高效率：**PWM技术通过开关方式控制电机供电，减少了能量损耗，提高了电机效率。
- **精确控制：**PWM技术可以精确控制脉冲宽度，从而实现对电机转速和方向的精细控制。
- **低噪声：**PWM技术产生的方波信号具有较低的谐波分量，减少了电机的噪声和振动。

### 2.2 PWM波形的产生和调制方法

PWM波形的产生和调制是PWM技术中的关键环节。单片机通常通过硬件定时器模块产生PWM波形，并通过软件对脉冲宽度进行调制。

**PWM波形的产生：**

// 初始化定时器
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);

// 启动定时器
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

**PWM脉冲宽度的调制：**

// 设置 PWM 比较值
TIM_SetCompare1(TIM2, 500);

在上述代码中，定时器 TIM2 被配置为 1000Hz 的时钟频率。当 TIM2 计数器达到 500 时，PWM 比较器将产生一个下降沿，从而产生一个脉冲宽度为 50% 的 PWM 波形。

除了硬件定时器，单片机还可以通过软件方式产生 PWM 波形，例如使用 GPIO 引脚的输出比较功能。

# 3.1 PWM模块的配置和使用

**PWM模块简介**

单片机中的PWM模块是一种专门用于产生PWM波形的硬件模块。它通常具有以下功能：

- 可配置的时钟源和分频器
- 多个PWM输出通道
- 可编程的占空比和频率
- 死区时间控制
- 中断功能

**PWM模块配置**

PWM模块的配置通常涉及以下步骤：

1. **时钟源选择：**选择PWM模块的时钟源，可以是内部时钟或外部时钟。
2. **分频器设置：**设置时钟分频器，以获得所需的PWM频率。
3. **输出通道配置：**配置PWM输出通道的引脚和模式。
4. **占空比设置：**设置PWM波形的占空比，以控制电机的转速。
5. **频率设置：**设置PWM波形的频率，以满足电机控制要求。
6. **死区时间设置：**设置PWM输出通道之间的死区时间，以防止短路。

**代码示例**

// 设置PWM模块时钟源为内部时钟，分频系数为64
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);

// 设置PWM输出通道1的占空比为50%
TIM4->CCR1 = (uint16_t)(TIM4->ARR / 2);

// 设置PWM输出通道1的频率为100Hz
TIM4->PSC = (uint16_t)(SystemCoreClock / 100000) - 1;

// 启用PWM输出通道1
TIM4->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

// 启动PWM模块
TIM4->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

### 3.2 电机控制算法的设计和实现

**电机控制算法**

电机控制算法是控制电机转速和方向的软件算法。常见的电机控制算法包括：

- **开环控制：**根据预设的占空比直接控制电机转速，不考虑电机实际转速。
- **闭环控制：**通过传感器反馈电机实际转速，并根据偏差调整占空比，以达到精确控制电机转速的目的。

**闭环控制算法**

闭环控制算法通常采用PID（比例积分微分）算法。PID算法通过计算电机实际转速与目标转速之间的偏差，并根据偏差调整占空比，从而实现电机转速的精确控制。

**代码示例**

// PID控制算法实现
float pid_control(float error) {
  // 计算比例项
  float p = error * Kp;

  // 计算积分项
  float i = i + error * Ki * dt;

  // 计算微分项
  float d = (error - prev_error) / dt;

  // 计算PID输出
  float output = p + i + d;

  // 更新上一次误差
  prev_error = error;

  return output;
}

# 4. 电机控制性能优化

### 4.1 PID控制算法的原理和应用

PID（比例-积分-微分）控制算法是一种广泛应用于电机控制领域的反馈控制算法。其原理是通过测量电机实际转速与目标转速之间的误差，并根据误差的大小和变化率进行控制，从而使电机转速稳定在目标转速附近。

PID控制算法的数学表达式为：

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

其中：

* `u(t)` 为控制输出（PWM占空比）
* `e(t)` 为误差（实际转速 - 目标转速）
* `Kp` 为比例系数
* `Ki` 为积分系数
* `Kd` 为微分系数

**参数说明：**

* `Kp`：控制误差的幅度，增大`Kp`可以提高响应速度，但也会增加系统震荡。
* `Ki`：控制误差的累积，增大`Ki`可以消除稳态误差，但也会降低响应速度。
* `Kd`：控制误差的变化率，增大`Kd`可以提高系统的稳定性，但也会增加控制输出的噪声。

**逻辑分析：**

PID控制算法通过三个项的组合来实现对电机的控制：

* **比例项（Kp * e(t))：**根据误差的幅度进行控制，误差越大，控制输出越大。
* **积分项（Ki * ∫e(t)dt）：**根据误差的累积进行控制，误差累积越大，控制输出越大。
* **微分项（Kd * de(t)/dt）：**根据误差变化率进行控制，误差变化率越大，控制输出越大。

### 4.2 滤波和抗干扰措施的实施

在电机控制系统中，不可避免地会受到各种干扰，如电磁干扰、机械振动等。这些干扰会影响电机的转速稳定性，甚至导致系统不稳定。因此，需要采取滤波和抗干扰措施来提高系统的鲁棒性。

**滤波措施：**

* **RC滤波：**使用电阻和电容组成滤波器，滤除高频噪声。
* **数字滤波：**使用数字信号处理技术，滤除特定频率范围的噪声。

**抗干扰措施：**

* **隔离：**使用隔离变压器或光耦合器，隔离电机驱动电路与其他电路，防止干扰信号的传播。
* **屏蔽：**使用金属屏蔽罩，屏蔽电机驱动电路和电线，防止电磁干扰。
* **接地：**确保电机驱动电路和电机良好的接地，防止干扰信号通过地线传播。

**代码示例：**

// RC滤波
void RC_Filter(float *input, float *output, float RC) {
    *output = (*output) + (*input - *output) * RC;
}

// 数字滤波
void Digital_Filter(float *input, float *output, float alpha) {
    *output = alpha * (*input) + (1 - alpha) * (*output);
}

# 5. 实战应用

### 5.1 电机控制系统的搭建和调试

**搭建步骤：**

1. 连接单片机、电机驱动器和直流电机。
2. 配置单片机PWM模块并设置占空比。
3. 编写电机控制算法并下载到单片机。
4. 调试系统，调整PWM占空比以控制电机转速。

**调试技巧：**

* 使用示波器观察PWM波形，确保占空比准确。
* 逐步调整占空比，观察电机转速变化。
* 监测电机电流和温度，避免过载或过热。

### 5.2 不同应用场景下的电机控制方案

**方案 1：恒速控制**

* 使用 PID 控制算法保持电机转速恒定。
* 适用于需要稳定转速的应用，如风扇、水泵。

**方案 2：变速控制**

* 通过改变 PWM 占空比来调整电机转速。
* 适用于需要改变转速的应用，如机器人、电动车。

**方案 3：位置控制**

* 使用编码器或霍尔传感器获取电机位置信息。
* 通过反馈控制算法控制电机转动到指定位置。
* 适用于需要精确位置控制的应用，如伺服电机。

**代码示例：**

// 恒速控制算法
void pid_control(float target_speed, float actual_speed) {
  float error = target_speed - actual_speed;
  float output = pid_controller.kp * error + pid_controller.ki * integral(error) + pid_controller.kd * derivative(error);
  set_pwm_duty_cycle(output);
}

// 变速控制算法
void set_speed(float speed) {
  float duty_cycle = speed / max_speed;
  set_pwm_duty_cycle(duty_cycle);
}

// 位置控制算法
void position_control(float target_position, float actual_position) {
  float error = target_position - actual_position;
  float output = position_controller.kp * error + position_controller.ki * integral(error) + position_controller.kd * derivative(error);
  set_pwm_duty_cycle(output);
}