基于STM32单片机直流电机PWM调速正反转控制系统

1. 适用场景

基于STM32单片机直流电机PWM调速正反转控制系统是一款功能强大的嵌入式控制解决方案，适用于多种工业自动化和智能设备应用场景：

工业自动化领域

• 生产线传送带控制系统
• 机械臂关节驱动控制
• 自动化设备精密定位
• 物料搬运系统

智能设备应用

• 智能小车底盘驱动
• 机器人运动控制系统
• 智能家居设备（如窗帘电机）
• 无人机云台控制

教学实验平台

• 嵌入式系统教学实验
• 电机控制算法研究
• PWM技术学习平台
• 自动控制原理实践

科研开发

• 电机控制算法验证
• 嵌入式系统性能测试
• 实时控制系统开发
• 工业物联网设备原型

2. 适配系统与环境配置要求

硬件配置要求

核心控制器

• STM32F103系列单片机（推荐STM32F103C8T6）
• 工作电压：3.3V
• 主频：72MHz
• 内存：64KB Flash，20KB RAM

电机驱动模块

• L298N或L293D H桥驱动芯片
• 支持电压范围：4.5V-36V
• 最大输出电流：2A（L298N）/600mA（L293D）
• 支持双路直流电机控制

电源系统

• 主控电源：5V/3.3V稳压
• 电机电源：7-12V直流电源
• 建议总功率：≥20W

外围接口

• 4个GPIO用于方向控制
• 2个PWM输出通道
• 可选编码器反馈接口
• 按键输入接口

软件环境要求

开发工具

• STM32CubeMX配置工具
• Keil MDK或STM32CubeIDE
• STM32 HAL库或标准外设库

系统要求

• Windows 7/10/11操作系统
• 至少4GB内存
• 2GB可用硬盘空间
• USB接口用于程序下载

通信接口

• UART串口通信
• SWD/JTAG调试接口
• 可选I2C/SPI扩展

3. 资源使用教程

硬件连接指南

电机驱动连接

1. 将STM32的PWM输出引脚连接到L298N的ENA/ENB使能端
2. 连接4个GPIO到IN1/IN2/IN3/IN4方向控制端
3. 电机输出端连接到直流电机正负极
4. 外部电源连接到电机驱动模块的电源输入端

电源连接注意事项

• 主控电源与电机电源必须共地
• 建议使用隔离电源模块
• 添加适当的滤波电容

软件配置步骤

CubeMX配置

1. 启用HSE时钟源，配置系统时钟为72MHz
2. 配置TIM定时器为PWM模式
3. 设置PWM频率为1-20kHz（推荐5kHz）
4. 配置GPIO引脚为推挽输出模式
5. 生成初始化代码

PWM参数计算

// PWM频率计算公式
PWM_Frequency = Timer_Clock / (PSC + 1) / (ARR + 1)
// 示例：72MHz时钟，PSC=71，ARR=999，频率=1kHz

核心代码实现

电机初始化函数

void Motor_Init(void)
{
    // 初始化方向控制GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 初始化PWM定时器
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 899;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
}

速度控制函数

void Set_Motor_Speed(uint16_t speed)
{
    // 限制速度范围
    if(speed > MAX_SPEED) speed = MAX_SPEED;
    
    // 设置PWM占空比
    TIM_SetCompare3(TIM4, speed);
    TIM_SetCompare4(TIM4, speed);
}

方向控制函数

void Motor_Forward(void)
{
    M1_P = 1; M1_N = 0;
    M2_P = 1; M2_N = 0;
}

void Motor_Backward(void)
{
    M1_P = 0; M1_N = 1;
    M2_P = 0; M2_N = 1;
}

高级功能实现

速度平滑调节

void Smooth_Speed_Change(uint16_t target_speed)
{
    uint16_t current_speed = Get_Current_Speed();
    int16_t step = (target_speed > current_speed) ? 1 : -1;
    
    while(current_speed != target_speed)
    {
        current_speed += step;
        Set_Motor_Speed(current_speed);
        HAL_Delay(10); // 10ms间隔
    }
}

4. 常见问题及解决办法

电机不转动问题

电源问题

• 现象：电机完全不转动，驱动芯片发热
• 解决方法：检查电源电压是否达到电机要求，确保电源功率足够

接线错误

• 现象：电机抖动或不规则运动
• 解决方法：检查电机线序是否正确，确认H桥接线无误

使能信号问题

• 现象：电机无反应，但逻辑控制正常
• 解决方法：检查ENA/ENB使能引脚是否正确配置

PWM控制问题

频率设置不当

• 现象：电机噪音大，运行不平稳
• 解决方法：调整PWM频率到5-20kHz范围，避开人耳敏感频段

占空比范围问题

• 现象：低速时电机不启动，高速时扭矩不足
• 解决方法：设置合适的死区时间，调整占空比有效范围

方向控制问题

逻辑电平冲突

• 现象：电机方向混乱或短路保护触发
• 解决方法：确保同一H桥的上下管不会同时导通

刹车功能异常

• 现象：电机停止时有滑行现象
• 解决方法：实现软件刹车功能，快速将占空比降为零

系统稳定性问题

电源干扰

• 现象：系统随机重启或运行不稳定
• 解决方法：添加电源滤波电容，电机电源与控制电源隔离

热保护触发

• 现象：运行一段时间后电机停止
• 解决方法：检查电机负载是否过大，添加散热措施

EMI干扰

• 现象：控制系统受外部干扰影响
• 解决方法：使用屏蔽线缆，添加磁环滤波

调试技巧

使用示波器检测

• 检查PWM波形是否正常
• 验证频率和占空比准确性
• 观察电机电流波形

分段调试方法

• 先测试GPIO方向控制
• 再测试PWM速度控制
• 最后整合完整功能

安全注意事项

• 调试时使用限流电源
• 避免电机堵转
• 注意高压部分绝缘

通过以上详细的配置指南和问题解决方案，基于STM32的直流电机PWM调速正反转控制系统能够稳定可靠地运行，满足各种应用场景的需求。