STM32智能小车PWM调速电路：项目应用完整示例

从零打造STM32智能小车：PWM调速电路设计与实战解析

你有没有试过亲手做一个能跑、能转、还能自动避障的智能小车？在嵌入式开发的世界里，这不仅是爱好者的玩具，更是理解电机控制、实时系统和硬件协同工作的绝佳入口。而其中最关键的一环——如何让轮子按你的指令精准转动，答案就是：PWM调速。

今天我们就以STM32为主控平台，深入拆解一套完整的智能小车 PWM 调速方案。不讲空话，不堆术语，带你一步步走过从芯片选型、原理分析到 PCB 设计、代码实现的全过程。无论你是学生做课程项目，还是工程师搭建原型，这篇都能直接“抄作业”。

为什么是PWM？直流电机调速的底层逻辑

要控制一个直流电机的转速，最直观的想法是改变电压。但如果你用可变电阻或线性稳压来降压，会发现效率极低——大部分能量都变成了热量浪费掉。

于是我们换一种思路：快速开关电源。

这就是PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）的核心思想：保持频率不变，通过调节高电平持续时间占整个周期的比例（即占空比），来等效输出不同的平均电压。

举个例子：

电源电压为 7.4V；
PWM 频率为 20kHz；
占空比设为 60%；

那么电机两端的平均电压就是7.4V × 60% = 4.44V。由于开关速度很快，电机惯性大，根本“感觉不到”断续供电，只会平稳地以对应速度旋转。

✅关键优势：
- 效率高：MOSFET 工作在饱和导通/截止状态，功耗极低；
- 控制精度高：STM32 定时器支持 16 位分辨率，最小步进可达 0.015%；
- 抗干扰强：数字信号比模拟电压更稳定；
- 易集成：可与编码器反馈、PID 控制共用 MCU 资源。

不过要注意，PWM 频率不能随便选：
- 太低（<10kHz）会有明显“嗡嗡”声，甚至引起机械共振；
- 太高（>50kHz）则 MOSFET 开关损耗剧增，发热严重。

推荐范围：10–20kHz，既能避开人耳听觉，又能兼顾效率。

STM32是怎么生成PWM的？定时器机制全揭秘

STM32 不是单片机里的“性能怪兽”吗？没错，尤其是它的高级定时器模块，简直是为电机控制量身定制的。

我们以常见的STM32F103C8T6为例，它有 TIM2、TIM3 等通用定时器，每个都可以配置成 PWM 输出模式。

核心寄存器三剑客

寄存器	作用
`ARR`（Auto-Reload Register）	决定 PWM 周期
`PSC`（Prescaler）	分频主时钟
`CCR`（Capture/Compare Register）	设置占空比

假设系统主频为 72MHz，我们要生成一个1kHz、占空比 50%的 PWM 信号：

__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); TIM_HandleTypeDef htim3; htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 71; // 72MHz / (71+1) = 1MHz htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // 1MHz / (999+1) = 1kHz htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500); // 500/1000 = 50%

就这么几行代码，PA6 引脚就开始输出方波了！

而且你可以随时调用__HAL_TIM_SET_COMPARE()动态修改 CCR 值，实现无级调速。比如加速时逐步把占空比从 30% 提升到 80%，小车就会平滑提速，毫无顿挫感。

更高级玩法：互补输出 + 死区插入

如果你驱动的是大功率电机或者三相无刷电机，还会用到互补 PWM 输出。简单说就是一对上下桥臂信号，必须保证不会同时导通，否则就会“直通短路”，轻则烧保险，重则炸 MOS。

STM32 的高级定时器（如 TIM1）支持硬件级死区时间插入，你只需要设置几个参数，MCU 就会在切换时自动加入纳秒级延迟，确保安全。

H桥电路：让电机正反转的秘密武器

光有 PWM 还不够，你还得能让小车前进、后退、转弯。这就需要H桥驱动电路。

四个MOS管组成的“H”

名字来源于结构：四个开关器件（通常是 N 沟道 MOSFET）排成“H”形，电机接在中间横杠上。

通过对角导通控制电流方向：

模式	Q1	Q2	Q3	Q4	电流路径
正转	ON	OFF	OFF	ON	左 → 右
反转	OFF	ON	ON	OFF	右 → 左
制动	ON	OFF	ON	OFF	电机两端短接
停止	OFF	OFF	OFF	OFF	完全断开

听起来复杂？其实现在没人自己搭分立元件 H 桥了。我们都用集成芯片，省事又可靠。

主流驱动芯片怎么选？

芯片型号	最大电流	特点说明
L298N	2A	经典但发热严重，效率低
L9110S	1.2A	小功率适用，常见于玩具车
TB6612FNG	1.2A连续，3.2A峰值	✅ 推荐！高效、支持 PWM 直接输入、3.3V 兼容

重点推荐 TB6612FNG：它是专为机器人设计的双路 H 桥芯片，不仅效率高达 95% 以上，还内置过热保护、欠压锁定，最关键的是——可以直接接收 STM32 的 3.3V PWM 信号，无需电平转换！

连接方式也非常简单：
- IN1/IN2 接 GPIO 控制方向；
- PWM 输入接 STM32 的定时器通道；
- STBY 引脚拉高使能芯片；
- VM 接电池电源（最高 15V），VCC 接逻辑电源（3.3V 或 5V）。

智能小车PCB板原理图设计：这些坑你一定要避开

很多初学者调试失败，并不是程序写错了，而是PCB 设计翻车了。下面这几个设计要点，都是血泪教训总结出来的。

1. 电源系统必须干净且隔离

典型架构如下：

锂电池（7.4V） ├──→ [防反接二极管] → LM2596 → 5V → TB6612FNG / 传感器 └──→ AMS1117-3.3V → 3.3V → STM32 / 逻辑电路

使用肖特基二极管防止电池接反；
降压模块加100μF电解 + 0.1μF陶瓷电容去耦；
数字地与模拟地之间用磁珠隔离，最终在电源入口处单点接地。

⚠️ 否则电机一启动，MCU 就复位，就是因为电源波动太大！

2. PWM 信号走线要“洁癖”

所有 PWM 引脚（如 PA6、PB1）单独走线，远离晶振、串口线；
加1kΩ限流电阻和TVS 二极管防静电击穿；
靠近驱动芯片端预留 RC 滤波焊盘，必要时可抑制高频噪声。

3. 地平面务必完整

至少使用双层板：
- 底层整面铺地；
- 所有 IC 的 GND 引脚就近打过孔到底层；
- 功率地（电机部分）和信号地分开走线，最后汇合于电源负极。

没有完整地平面，EMI 干扰会让你的 ADC 采样乱成一团。

4. 元件布局要有“工程思维”

STM32 放中央，方便各接口布线；
TB6612FNG 尽量靠近电机接线端子，减少大电流路径长度；
晶振紧贴 MCU，走线等长，远离任何高频信号；
所有排针、接口统一朝外，便于插拔和维护。

📌 实际绘制智能小车pcb板原理图时，记得标注网络标号、封装类型、版本号和设计者信息，这对后期维修和团队协作至关重要。

实战案例：基于编码器反馈的闭环调速系统

开环控制有个致命问题：负载变了怎么办？

比如小车上了斜坡，阻力增大，即使 PWM 占空比不变，速度也会下降。这时候就得上闭环控制—— 加装编码器，实时测量实际转速，动态调整 PWM 输出。

系统流程图

目标速度 → PID控制器 → PWM占空比 → 电机驱动 → 电机转动 ↑ ↓ 实际速度 ← 编码器反馈 ← 轮轴

编码器每转输出一定数量脉冲（如 20PPR），我们用 STM32 的定时器捕获功能统计单位时间内的脉冲数，就能算出当前转速。

然后执行经典的增量式 PID 算法：

float Kp = 2.0, Ki = 0.5, Kd = 0.1; float last_error = 0, integral = 0; void Speed_Control(float setpoint, float feedback) { float error = setpoint - feedback; integral += error; float derivative = error - last_error; float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative; // 限幅处理，防止超调 if (output < 0) output = 0; if (output > 1000) output = 1000; __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint16_t)output); last_error = error; }

这个函数每隔 10ms 调用一次，形成一个稳定的控制回路。