单片机直流有刷电机基础驱动实验
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单片机 ：STM32F407
开发板：DMF407电机开发板
平台：keil V5.31
HSE 为8MHZ
HSI为16MHZ
原理图：
有刷直流电机H桥（H-Bridge）驱动电路是控制有刷直流电机正反转、调速、刹车的经典电路，因电路形状酷似字母"H"得名，被广泛应用于机器人、智能小车、电动工具等场景。
标准H桥由4个独立控制的开关元件（通常为MOSFET或三极管）和电机组成，电机架在两个并联支路中间形成"桥"结构，通过控制不同开关的通断改变电流方向，实现不同工作状态：
- 正转：导通左上(S1)和右下(S4)开关，关闭另外两个开关。电流路径：电源→S1→电机→S4→地，电流从左向右流过电机，电机正转。
- 反转：导通右上(S3)和左下(S2)开关，关闭另外两个开关。电流路径：电源→S3→电机→S2→地，电流反向流过电机，电机反转。
- 刹车：动态刹车时导通同侧两个开关（如S1和S3），将电机两端短接，电机旋转产生的反电动势形成制动力矩，可快速停止；滑行刹车则关闭所有开关，电机依靠惯性自由停止。
- 调速：在正转/反转状态下，通过脉冲宽度调制(PWM) 调节开关的导通占空比，改变电机两端的平均电压，从而控制转速，占空比越高转速越快。
双半桥结构：
完整双极性H桥驱动可使用一个高级定时器的1个通道+另一个半桥复用相同逻辑实现，具体配置要点：
- 定时器基础参数：选择高级定时器（STM32选TIM1/TIM8），设置时钟预分频和自动重装载值，得到1kHz~20kHz的PWM频率，满足电机调速需求。PWM频率计算公式：
PWM频率 = 定时器时钟 / [(预分频值+1) × (自动重装载值+1)]。 - 通道输出配置：
- 通道1设置为PWM模式1，开启主输出CH1和互补输出CH1N，死区时间建议设置为500ns~1μs（可根据开关管型号调整）。
- CH1驱动左侧半桥下管，CH1N驱动左侧半桥上管，完成第一个半桥驱动。
- 右侧半桥通过GPIO翻转控制电平逻辑，配合左侧半桥即可实现电流方向切换，控制电机正反转，调速通过单通道PWM占空比调节实现。
半桥结构：
直流有刷电机半桥驱动是结构简单的基础驱动方案，仅需半个H桥电路即可实现，适合仅需单向调速、对成本敏感的应用场景。
半桥驱动核心为两个串联的功率开关器件（一般为MOSFET或IGBT），直流有刷电机接在半桥中点与电源地之间，核心元件清单如下：
- 功率开关：上管Q1（高侧开关，接电源正极）+下管Q2（低侧开关，接地）
- 驱动控制：半桥驱动芯片（如IR2104），提供电平转换与死区控制
- 外围元件：自举电容+自举二极管（给高侧MOS管提供驱动电压）、栅极限流电阻、反激续流二极管
通过两个开关交替导通，通过PWM脉冲宽度调制控制电机平均电压，实现调速：
- 调速原理：当PWM为高电平时上管Q1导通、下管Q2关断，电源给电机供电，电流流过电机，电机加速；当PWM为低电平时上管Q1关断、下管Q2导通，电机断电，电流通过下管续流，电机依靠惯性运行。通过改变PWM占空比即可改变电机平均输入电压，从而调节转速。
- 刹车功能：保持下管持续导通即可实现动态刹车，电机绕组被短路，依靠反电动势快速停止，相比单开关驱动方案刹车响应更快。
- 方向限制：传统单半桥结构仅能提供单向电流，因此电机只能单向转动；如果需要正反转，必须使用两个半桥组成完整的H桥驱动。
根据官方的资料：
假设我们让 TIM1_CH1（主通道）输出 PWM 波，TIM1_CH1N（互补通道）固定输出高
电平，此时只要调节主通道输出的 PWM 占空比即可调整电机上的电压，进而控制电机的速
度。当电机需要换向的时候，我们就让主通道固定输出高电平，互补通道输出 PWM 即可。
主函数：
int main(void)
{
uint8_t key,t;
int32_t motor_pwm = 0;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
delay_init(168); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
atim_timx_cplm_pwm_init(8400 - 1, 0); /* 168 000 000 / 1 = 168 000 000 168Mhz的计数频率，计数8400次为50us */
dcmotor_init(); /* 初始化电机 */
g_point_color = WHITE;
g_back_color = BLACK;
lcd_show_string(10, 10, 200, 16, 16, "DcMotor Test", g_point_color);
lcd_show_string(10, 30, 200, 16, 16, "KEY0:Start forward", g_point_color);
lcd_show_string(10, 50, 200, 16, 16, "KEY1:Start backward", g_point_color);
lcd_show_string(10, 70, 200, 16, 16, "KEY2:Stop", g_point_color);
printf("KEY0：增加比较值，KEY1：减小比较值，KEY2：停止电机\r\n");
while (1)
{
key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
if(key == KEY0_PRES) /* 当key0按下 */
{
motor_pwm += 400; /* 因为不同的电机最小启动电压不同，可能在第一次增加的时候电机还不能转起来 */
if (motor_pwm == 0)
{
dcmotor_stop(); /* 停止则立刻响应 */
motor_pwm = 0;
}
else
{
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
if (motor_pwm >= 8400) /* 限速 */
{
motor_pwm = 8400;
}
}
motor_pwm_set(motor_pwm); /* 设置电机PWM的占空比 */
}
else if(key == KEY1_PRES) /* 当key1按下 */
{
motor_pwm -= 400;
if (motor_pwm == 0)
{
dcmotor_stop(); /* 停止则立刻响应 */
motor_pwm = 0;
}
else
{
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
if (motor_pwm <= -8400) /* 限速 */
{
motor_pwm = -8400;
}
}
motor_pwm_set(motor_pwm); /* 设置电机PWM的占空比 */
}
else if(key == KEY2_PRES) /* 当key2按下 */
{
LED1_TOGGLE();
dcmotor_stop(); /* 关闭电机 */
motor_pwm = 0;
motor_pwm_set(motor_pwm); /* 设置电机PWM的占空比 */
}
delay_ms(10);
t++;
if(t % 20 == 0)
{
LED0_TOGGLE(); /*LED0(红灯) 翻转*/
}
}
}电机部分
#define SHUTDOWN1_Pin GPIO_PIN_10
#define SHUTDOWN1_GPIO_Port GPIOF
#define SHUTDOWN2_Pin GPIO_PIN_2
#define SHUTDOWN2_GPIO_Port GPIOF
#define SHUTDOWN_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PF口时钟使能 */
/* 电机停止引脚定义 这里默认是接口1 */
#define ENABLE_MOTOR HAL_GPIO_WritePin(SHUTDOWN1_GPIO_Port,SHUTDOWN1_Pin,GPIO_PIN_SET)
#define DISABLE_MOTOR HAL_GPIO_WritePin(SHUTDOWN1_GPIO_Port,SHUTDOWN1_Pin,GPIO_PIN_RESET)
void dcmotor_init(void)
{
SHUTDOWN_GPIO_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
/* SD引脚设置，设置为推挽输出 */
gpio_init_struct.Pin = SHUTDOWN1_Pin|SHUTDOWN2_Pin;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(SHUTDOWN1_GPIO_Port, &gpio_init_struct);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, SHUTDOWN1_Pin|SHUTDOWN2_Pin, GPIO_PIN_RESET); /* SD拉低，关闭输出 */
dcmotor_stop(); /* 停止电机 */
dcmotor_dir(0); /* 设置正转 */
dcmotor_speed(0); /* 速度设置为0 */
dcmotor_start(); /* 开启电机 */
}
void dcmotor_start(void)
{
ENABLE_MOTOR; /* 拉高SD引脚，开启电机 */
}
void dcmotor_stop(void)
{
HAL_TIM_PWM_Stop(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 关闭主通道输出 */
HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 关闭互补通道输出 */
DISABLE_MOTOR; /* 拉低SD引脚，停止电机 */
}
void dcmotor_dir(uint8_t para)
{
HAL_TIM_PWM_Stop(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 关闭主通道输出 */
HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 关闭互补通道输出 */
if (para == 0) /* 正转 */
{
HAL_TIM_PWM_Start(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 开启主通道输出 */
}
else if (para == 1) /* 反转 */
{
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1); /* 开启互补通道输出 */
}
}
void dcmotor_speed(uint16_t para)
{
if (para < (__HAL_TIM_GetAutoreload(&g_atimx_cplm_pwm_handle) - 0x0F)) /* 限速 */
{
__HAL_TIM_SetCompare(&g_atimx_cplm_pwm_handle, TIM_CHANNEL_1, para);
}
}
void motor_pwm_set(float para)
{
int val = (int)para;
if (val >= 0)
{
dcmotor_dir(0); /* 正转 */
dcmotor_speed(val);
}
else
{
dcmotor_dir(1); /* 反转 */
dcmotor_speed(-val);
}
}定时器
/* TIMX 互补输出模式 定义 */
/* 主输出通道引脚 */
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_PORT GPIOA
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_PIN GPIO_PIN_8
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PA口时钟使能 */
/* 互补输出通道引脚 */
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT GPIOB
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN GPIO_PIN_13
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 */
/* TIMX 引脚复用设置
* 因为PA8/PB13, 默认并不是TIM1的功能脚, 必须开启复用,PA8/PB13才能用作TIM1的功能
*/
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_AF GPIO_AF1_TIM1
/* 互补输出使用的定时器 */
#define ATIM_TIMX_CPLM TIM1
#define ATIM_TIMX_CPLM_CHY TIM_CHANNEL_1
#define ATIM_TIMX_CPLM_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); }while(0) /* TIM1 时钟使能 */
void atim_timx_cplm_pwm_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC ;
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig;
g_atimx_cplm_pwm_handle.Instance = ATIM_TIMX_CPLM; /* 定时器x */
g_atimx_cplm_pwm_handle.Init.Prescaler = psc; /* 定时器预分频系数 */
g_atimx_cplm_pwm_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 向上计数模式 */
g_atimx_cplm_pwm_handle.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
g_atimx_cplm_pwm_handle.Init.RepetitionCounter = 0; /* 重复计数器寄存器为0 */
g_atimx_cplm_pwm_handle.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE; /* 使能影子寄存器TIMx_ARR */
HAL_TIM_PWM_Init(&g_atimx_cplm_pwm_handle) ;
/* 设置PWM输出 */
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; /* PWM模式1 */
sConfigOC.Pulse = 0; /* 比较值为0 */
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW; /* OCy 低电平有效 */
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW; /* OCyN 低电平有效 */
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_ENABLE; /* 使用快速模式 */
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET; /* 主通道的空闲状态 */
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; /* 互补通道的空闲状态 */
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_atimx_cplm_pwm_handle, &sConfigOC, ATIM_TIMX_CPLM_CHY); /* 配置后默认清CCER的互补输出位 */
/* 设置死区参数，开启死区中断 */
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_ENABLE; /* OSSR设置为1 */
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE; /* OSSI设置为0 */
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF; /* 上电只能写一次，需要更新死区时间时只能用此值 */
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0X0F; /* 死区时间 */
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE; /* BKE = 0, 关闭BKIN检测 */
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_LOW; /* BKP = 1, BKIN低电平有效 */
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE; /* 使能AOE位，允许刹车后自动恢复输出 */
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&g_atimx_cplm_pwm_handle, &sBreakDeadTimeConfig); /* 设置BDTR寄存器 */
}
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == ATIM_TIMX_CPLM)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 通道X对应IO口时钟使能 */
ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 互补通道对应IO口时钟使能 */
ATIM_TIMX_CPLM_CLK_ENABLE(); /* 定时器x时钟使能 */
/* 配置PWM主通道引脚 */
gpio_init_struct.Pin = ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_PIN;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH ;
gpio_init_struct.Alternate = ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_AF; /* 端口复用 */
HAL_GPIO_Init(ATIM_TIMX_CPLM_CHY_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 配置PWM互补通道引脚 */
gpio_init_struct.Pin = ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN;
HAL_GPIO_Init(ATIM_TIMX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
}
}实验结果：
电机可以运行。
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