第9章电机驱动

9 第 9 章电机驱动¶

电机是嵌入式系统中最常用的执行器，将电信号转化为机械运动。本章介绍直流减速电机与步进电机的驱动原理及 STM32 实现，涵盖 H 桥驱动芯片 TB6612FNG、PWM 调速、步进电机驱动和编码器测速。

9.1 本章知识导图¶

uml diagram

图 9-1 本章知识导图：直流减速电机与步进电机的驱动编程。

9.2 直流减速电机¶

直流减速电机由直流电机和减速齿轮箱组成，以较低转速输出较大扭矩，广泛用于传送带驱动、阀门控制和小型车辆等场景。

9.2.1 PWM 调速原理¶

电机转速与施加电压成正比。PWM（Pulse Width Modulation）通过快速开关控制平均电压实现无级调速：

$$V_{avg} = V_{supply} \times D$$

其中 $D = \frac{t_{on}}{T}$ 为占空比（0%~100%）。

表 9-1 PWM 占空比与电机行为

占空比	平均电压（12V供电）	电机行为
0%	0V	停止
25%	3V	低速运转
50%	6V	中速运转
75%	9V	高速运转
100%	12V	全速运转

9.2.2 H 桥驱动原理¶

MCU 的 GPIO 无法直接驱动电机（GPIO 输出电流仅 20mA，电机通常需要 100mA~数 A）。H 桥驱动电路作为功率放大器，将 MCU 的控制信号转化为大电流驱动：

图 9-2 H 桥驱动电路原理：通过四个开关管控制电流方向，实现电机正转、反转和制动。

表 9-2 H 桥控制逻辑

Q1	Q2	Q3	Q4	电机状态
ON	OFF	OFF	ON	正转（电流 VCC→Q1→Motor→Q4→GND）
OFF	ON	ON	OFF	反转（电流 VCC→Q2→Motor→Q3→GND）
OFF	OFF	OFF	OFF	滑行（自由停止）
ON	OFF	ON	OFF	制动（电机短路刹车）

9.2.3 TB6612FNG 驱动芯片¶

TB6612FNG 是东芝推出的双 H 桥电机驱动芯片，可同时驱动两路直流电机，是嵌入式领域最常用的小型电机驱动方案。

表 9-3 TB6612FNG 关键参数

参数	值
电机电压范围	2.5V ~ 13.5V
单路持续电流	1.2A（峰值 3.2A）
逻辑电平	2.7V ~ 5.5V
内置续流二极管	是
控制引脚	AIN1/AIN2/PWMA（通道A）+ BIN1/BIN2/PWMB（通道B）+ STBY

STM32 与 TB6612FNG 连接：

表 9-4 TB6612FNG 接线表（通道 A）

TB6612 引脚	STM32 引脚	功能
AIN1	PA4 (GPIO)	方向控制 1
AIN2	PA5 (GPIO)	方向控制 2
PWMA	PA6 (TIM3_CH1)	PWM 调速
STBY	3.3V	使能（高电平有效）
VM	外部电机电源	电机供电（如 12V）
GND	GND（共地）	必须与 STM32 共地

/* TB6612FNG 电机驱动 */

typedef enum {
    MOTOR_STOP = 0,
    MOTOR_FORWARD,
    MOTOR_BACKWARD,
    MOTOR_BRAKE
} MotorDir;

void Motor_SetDir(MotorDir dir)
{
    switch (dir) {
        case MOTOR_FORWARD:
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
            break;
        case MOTOR_BACKWARD:
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
            break;
        case MOTOR_BRAKE:
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
            break;
        default:  /* MOTOR_STOP */
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
            break;
    }
}

void Motor_SetSpeed(uint16_t duty)
{
    /* duty: 0~999, 对应 TIM3 ARR=999 */
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

/* 使用示例 */
void Motor_Run(MotorDir dir, uint16_t speed)
{
    Motor_SetDir(dir);
    Motor_SetSpeed(speed);
}

9.3 编码器测速¶

增量式光电编码器输出 A/B 两路正交脉冲信号，可同时检测转速和旋转方向。STM32 定时器内置编码器接口，可硬件计数无需 CPU 干预。

9.3.1 编码器原理¶

编码器盘上均匀分布光栅，A/B 两路信号相位差 90°。通过判断 A 相超前还是 B 相超前确定旋转方向：

图 9-3

转速计算（M 法，测频法）：

$$n = \frac{\Delta Count}{C_{ppr} \times 4 \times \Delta t} \times 60 \text{ (RPM)}$$

其中 $C_{ppr}$ 为编码器每转脉冲数，×4 为四倍频（STM32 编码器接口默认四倍频）。

9.3.2 STM32 编码器接口配置¶

CubeMX 配置：

TIM4 → Encoder Mode → Encoder Mode TI1 and TI2
PA6 (TIM4_CH1) → Encoder A 相
PA7 (TIM4_CH2) → Encoder B 相
Counter Period (ARR) = 65535
Encoder Mode: TI1 and TI2（四倍频）

/* 编码器初始化与读取 */
void Encoder_Start(void)
{
    HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_ALL);
}

int32_t Encoder_GetCount(void)
{
    return (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
}

void Encoder_ResetCount(void)
{
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim4, 0);
}

/* 每 100ms 采样一次计算转速（RPM） */
float Encoder_GetRPM(uint16_t ppr)
{
    int32_t count = Encoder_GetCount();
    Encoder_ResetCount();
    /* 100ms 采样间隔，四倍频 */
    return (float)count / (ppr * 4.0f) * 600.0f;  /* ×60/0.1 = ×600 */
}

9.4 步进电机¶

步进电机将电脉冲信号转化为精确的角位移，每接收一个脉冲旋转一个固定步距角，适用于需要精确定位的场景（如 3D 打印机、CNC、灌溉阀门定位）。

9.4.1 28BYJ-48 + ULN2003 驱动¶

28BYJ-48 是常见的 5V 四相五线步进电机，配合 ULN2003 达林顿管驱动板使用。

表 9-5 28BYJ-48 参数

参数	值
工作电压	5V DC
步距角	5.625°/64（减速比 1:64）
每转步数	4096 步（半步模式）/ 2048 步（全步模式）
驱动方式	ULN2003 达林顿管阵列

全步驱动时序（四拍）：

表 9-6 全步驱动时序

步序	IN1	IN2	IN3	IN4
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1
4	1	0	0	1

/* 28BYJ-48 步进电机驱动（全步模式） */

/* IN1~IN4 连接到 PB12~PB15 */
static const uint8_t step_seq[4] = {0x03, 0x06, 0x0C, 0x09};
static uint8_t step_index = 0;

static void Stepper_SetPhase(uint8_t phase)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12,
                      (phase & 0x01) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13,
                      (phase & 0x02) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14,
                      (phase & 0x04) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15,
                      (phase & 0x08) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}

/* 转动指定步数（正数正转，负数反转） */
void Stepper_Move(int32_t steps, uint16_t delay_ms)
{
    int8_t dir = (steps > 0) ? 1 : -1;
    int32_t abs_steps = (steps > 0) ? steps : -steps;

    for (int32_t i = 0; i < abs_steps; i++) {
        step_index = (step_index + dir + 4) % 4;
        Stepper_SetPhase(step_seq[step_index]);
        HAL_Delay(delay_ms);
    }
    /* 停止后关闭所有相（降低功耗） */
    Stepper_SetPhase(0x00);
}

/* 转动指定角度 */
void Stepper_MoveAngle(float angle, uint16_t delay_ms)
{
    /* 28BYJ-48 全步模式每步 = 5.625°/64 ≈ 0.0879° */
    int32_t steps = (int32_t)(angle / 0.0879f);
    Stepper_Move(steps, delay_ms);
}

9.4.2 A4988 步进电机驱动器¶

A4988 适用于 NEMA 17 等双极步进电机，支持最高 1/16 微步细分，仅需两根控制线（STEP + DIR）。

表 9-7 A4988 驱动器控制接口

引脚	功能	STM32 连接
STEP	脉冲输入（每个上升沿走一步）	PA8 (TIM1_CH1 PWM)
DIR	方向控制（高/低电平）	PA9 (GPIO)
ENABLE	使能（低电平有效）	PA10 (GPIO)
MS1/MS2/MS3	微步选择	GPIO 或固定电平

/* A4988 步进电机驱动 */

void A4988_Enable(uint8_t en)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_10,
                      en ? GPIO_PIN_RESET : GPIO_PIN_SET);
}

void A4988_SetDir(uint8_t forward)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_9,
                      forward ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}

/* 使用 TIM1 PWM 输出步进脉冲 */
void A4988_SetSpeed(uint32_t steps_per_sec)
{
    if (steps_per_sec == 0) {
        HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
        return;
    }
    /* PSC=71, ARR 根据频率计算 */
    uint32_t arr = 1000000 / steps_per_sec - 1;
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, arr);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, arr / 2);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

9.5 本章小结¶

本章介绍了嵌入式系统中两类主要电机的驱动方法：

直流减速电机：PWM 调速原理、H 桥驱动电路、TB6612FNG 驱动芯片的接线与编程
编码器测速：增量式编码器原理、STM32 硬件编码器接口、转速计算
步进电机：全步/半步驱动时序、28BYJ-48 + ULN2003、A4988 驱动器

电机驱动是嵌入式系统"输出"环节的核心，与传感器（第 7 章）和 PID 控制器（第 10 章）配合，可构建完整的闭环控制系统。

9.6 习题¶

说明 PWM 调速的原理，为什么改变占空比可以改变电机转速？
画出 H 桥电路原理图，说明如何实现正转、反转和制动。
TB6612FNG 的 AIN1、AIN2 和 PWMA 三个引脚如何配合控制电机的方向和速度？
STM32 编码器接口的"四倍频"是什么意思？对转速测量精度有何影响？
设计一个智能灌溉阀门控制方案：使用步进电机精确控制阀门开度（0~90°），要求支持串口指令设置目标角度。

第9章 电机驱动

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