3233 字
16 分钟
一文带你搞懂直流电机驱动（新版）
2026-08-28
技术 嵌入式开发
嵌入式
|
直流电机
|
H桥
|
PWM
|
L298N
|
STM32
|
Arduino
TIP

旧版文章也发布在 CSDN 和本站的《一文带你搞懂电机驱动模块》。本版修正代码，并增加了互动实验。

单片机 GPIO 只能输出控制电平，无法承担电机电流。电机启动、堵转和换向时会吸取大电流；线圈断电时还会产生反向电动势。

控制系统分成两层：

  • 单片机给出方向、速度和启停命令；
  • 电机驱动模块承受电压与电流，把逻辑电平转换成功率输出。

对象是有刷直流电机。调节 5 个实验，把一个 -100% ~ +100% 的速度命令依次对应到 H 桥电流、PWM 波形、L298N 接线和单片机代码。

电压决定方向，也影响转速#

直流电机通电后开始旋转。对调两根电机线，电流方向和转向一起反转。

保持电源和负载不变，提高电机端的有效电压，稳定转速会随之升高。同一电压下，负载增加会拉低转速并抬高电流。

电压、方向与负载

拖动端电压，观察转向和转速。保持电压不变，再增加机械负载。

电源 → 电机 → 负载
可调电源+7.2 V机械负载25%正转 · 相对转速 49%
端电压7.2 V
方向正转
相对转速49%
出力负担36%
调节工作条件

动画只演示变化趋势。实测转速还取决于绕组参数、电源压降、摩擦和供电能力。

从实验中观察两件事：

  1. 电机两端电压的方向决定转向。
  2. 有效驱动影响速度，负载和供电能力也会改变结果。

手动对调电机线可以换向。H 桥让单片机用电平信号完成同样的操作。

H 桥：用四个开关改变电流方向#

四个开关分列电机两侧，电机位于中间，电路形状像字母 H，因此得名 H 桥（H-Bridge）。

一组对角开关控制正转，另一组控制反转。停止方式分为两种：

  • 自由滑行（coast）：断开电机，让转子靠惯性停下；
  • 快速制动（brake）：把电机两端接到相同电位，让旋转中的电机产生制动力。

切换 H 桥的五种状态

选择一个状态，图中会标出导通开关和电流路径。桥臂直通用于展示错误接法。

H 桥电流路径
+VSGNDS1S3S2S4M左上与右下导通，电流从左向右穿过电机。
导通开关S1 + S4
电机端状态+VS
结果正转
选择开关状态
工作状态

正转和反转各使用一组对角开关。换向前先降低转速，避免反向电流冲击。

实验用机械开关表示电流路径。驱动芯片使用双极型晶体管或 MOSFET，并配置栅极或基极驱动、互锁、死区、过温保护和续流路径。

同一桥臂的上管和下管不能同时导通。 电流一旦绕过电机从电源流向地，就会发生桥臂直通。芯片保护只能降低损坏概率，控制逻辑仍需排除这个状态。

从 H 桥到电机驱动模块#

驱动芯片接收 IN1、IN2、ENA 等逻辑信号，再控制内部的四个功率开关。

以 L298 的 A 路 H 桥为例：

  • IN1、IN2 决定两个输出端的电位；
  • ENA 为高时，输入命令生效；
  • ENA 为低时，整座桥被关闭，电机自由滑行。

切换 L298 输入，核对真值表

点击 ENA、IN1、IN2，查看 OUT1、OUT2 和电机状态。表中逻辑来自 L298 数据手册。

逻辑输入与功率输出
L298 · Bridge A逻辑译码 + 功率桥ENA = 1IN1 = 1IN2 = 0OUT1 高OUT2 低正转
OUT1高
OUT2低
电机动作正转
切换输入电平
ENAIN1IN2动作
110正转
101反转
100快速制动
111快速制动
0XX自由滑行

OUT1 高、OUT2 低，电流从左向右流过电机。 TB6612、DRV8833 等器件使用不同的真值表、待机脚和制动定义。

ST L298 数据手册 给出了双向直流电机真值表：ENA=1 时，两个输入不同对应正转或反转，两个输入相同对应快速制动；ENA=0 对应自由滑行。

这张表只适用于 L298。其他驱动器可能使用 AIN1/AIN2、PH/EN 或 STBY，制动和休眠状态也有差异。换芯片时请按新器件的真值表改接线和代码。

PWM：用开关时间调节出力#

定时器让 GPIO 在高、低电平之间快速切换。37% 占空比表示每个周期有 37% 的时间导通：

  1. 导通一小段时间；
  2. 关闭一小段时间；
  3. 定时器在下一个周期重复这组动作。

电机线圈和转子的机械惯性会平滑这些开关脉冲。占空比升高后，电机获得的有效驱动随之增加。

把有符号速度命令转换成波形

正负号选择方向，绝对值转换为占空比。切换接线方案，比较两种波形。

三个引脚的时间波形
ENAIN1IN2一个示意周期 · 实际频率 10.0 kHz
速度命令+60%
方向正转
有效占空比60%
平均驱动方向+60%
速度接口与接线方案
控制方案

ENA 输出 PWM，IN1 和 IN2 在一个 PWM 周期内保持方向电平。

推荐的三线控制#

后文代码采用三线控制：

  • ENA 接定时器 PWM；
  • IN1、IN2 接普通 GPIO；
  • 正负号决定 IN1/IN2；
  • 绝对值决定 ENA 占空比。

方向 GPIO 和 PWM 各管一件事。反转时无需换算 PWM 比较值，方向与占空比可以分别核对。

两线 PWM + DIR 的占空比换算#

如果为了节省一个控制引脚，把 IN1 接 PWM、IN2 接 DIR：

  • DIR=0 时，PWM 高电平区间产生正向电压；
  • DIR=1 时，PWM 低电平区间才产生反向电压。

同样输出 70% 时，正转写入 70% 比较值，反转要写入 30%。这种接法还会改变 PWM 关闭阶段的制动或滑行状态。初次接线可先采用三线方案。

选择 PWM 频率#

低频 PWM 可能让电机发出啸叫，并加大电流和转矩波动。提高频率可以避开部分可听范围，同时也会增加驱动器的开关损耗。老器件还可能限制最高开关频率。

示例使用 10 kHz。项目选型时请检查：

  • 驱动芯片允许的开关频率；
  • 电机的电感与噪声；
  • 功率管或芯片温升；
  • 定时器时钟和所需占空比分辨率。

L298N 实战接线#

L298 内含两座 H 桥，可控制两台有刷直流电机或一台双极步进电机。接线示例只用 A 路：

  • ENA、IN1、IN2 控制 OUT1、OUT2；
  • B 路对应 ENB、IN3、IN4 和 OUT3、OUT4。

上电前检查接线

切换平台或断开连接，图中会标出缺失的电源、共地、信号线和电机线。

Arduino Uno ↔ L298N ↔ 电机
Arduino Uno5 V GPIOL298N 模块L298NMENA / PWMIN1IN2电机电源必须共地
控制器Arduino Uno
必要连接5 / 5
上电判断允许低速测试
平台与检查项
单片机平台
D11 → ENAD10 → IN1D9 → IN2

架空车轮或卸下机械负载，设置电源限流，再用 10% 至 20% 占空比测试方向。接线以模块丝印和原理图为准。

上电前检查#

  1. 给电机准备独立电源。 开发板的 5 V 引脚无法承担启动或堵转电流。
  2. 单片机 GND 与驱动模块 GND 共地。 否则逻辑电平没有共同参考。
  3. ENA 跳帽状态与接法一致。 使用 PWM 调速时，拔掉把 ENA 固定拉高的跳帽，再接 PWM 引脚。
  4. 确认模块的 5 V 逻辑供电方式。 各家 L298N 模块使用不同的稳压器、跳帽和丝印，请按手中模块的说明接线。
  5. 先架空负载并限流。 第一次测试从小占空比开始，先验证方向，再装回机械结构。

原厂 L298 把逻辑高电平门限最低值定为 2.3 V，因此 STM32F103 的 3.3 V GPIO 满足要求。成品模块还包含外围电路，接线前请检查模块原理图。

Arduino Uno 完整示例#

接线约定：

  • D11 → ENA；
  • D10 → IN1；
  • D9 → IN2；
  • Arduino GND 与 L298N GND 共地。
Arduino Uno：motor_driver.ino
#include <Arduino.h>


constexpr uint8_t MOTOR_ENA = 11;
constexpr uint8_t MOTOR_IN1 = 10;
constexpr uint8_t MOTOR_IN2 = 9;


// speed 范围：-255 ~ +255
// 正数正转，负数反转，0 自由滑行停止。
void motorSetSpeed(int16_t speed) {
  speed = constrain(speed, -255, 255);


  if (speed == 0) {
    analogWrite(MOTOR_ENA, 0);
    digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
    digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
    return;
  }


  if (speed > 0) {
    digitalWrite(MOTOR_IN1, HIGH);
41 collapsed lines
    digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
  } else {
    digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
    digitalWrite(MOTOR_IN2, HIGH);
  }


  analogWrite(MOTOR_ENA, abs(speed));
}


void setup() {
  pinMode(MOTOR_ENA, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR_IN1, OUTPUT);
  pinMode(MOTOR_IN2, OUTPUT);
  motorSetSpeed(0);
}


void loop() {
  // 约 2.5 秒内逐渐加速到正向全速。
  for (int16_t speed = 0; speed <= 255; ++speed) {
    motorSetSpeed(speed);
    delay(10);
  }


  // 先减到零，再换向，避免满速直接反转。
  for (int16_t speed = 255; speed >= 0; --speed) {
    motorSetSpeed(speed);
    delay(10);
  }
  delay(300);


  for (int16_t speed = 0; speed >= -255; --speed) {
    motorSetSpeed(speed);
    delay(10);
  }


  for (int16_t speed = -255; speed <= 0; ++speed) {
    motorSetSpeed(speed);
    delay(10);
  }
  delay(800);
}

analogWrite() 使用开发板预设的 PWM 频率，Arduino Uno 的默认值并非 10 kHz。产品若对噪声或转矩纹波有要求，请配置定时器。

STM32F103 标准外设库完整示例#

示例配置使用 72 MHz 系统时钟：

  • PA6 / TIM3_CH1 → ENA；
  • PB0 → IN1；
  • PB1 → IN2；
  • TIM3 计数周期为 7200 个计数，对应 10 kHz PWM。

speed 的范围为 -1000 ~ +1000，命令步进为 0.1%。定时器周期决定 PWM 的有效分辨率。

STM32F103 标准外设库：main.c
#include "stm32f10x.h"


#define MOTOR_PWM_TOP 7200U
#define MOTOR_IN1_PORT GPIOB
#define MOTOR_IN1_PIN  GPIO_Pin_0
#define MOTOR_IN2_PORT GPIOB
#define MOTOR_IN2_PIN  GPIO_Pin_1


static void Motor_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio;


    RCC_APB2PeriphClockCmd(
        RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB,
        ENABLE
    );


    // PA6 = TIM3_CH1 = ENA PWM
    gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
112 collapsed lines
    gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio);


    // PB0、PB1 = IN1、IN2
    gpio.GPIO_Pin = MOTOR_IN1_PIN | MOTOR_IN2_PIN;
    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &gpio);


    GPIO_ResetBits(GPIOB, MOTOR_IN1_PIN | MOTOR_IN2_PIN);
}


static void Motor_PWM_Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef timer;
    TIM_OCInitTypeDef pwm;


    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);


    // TIM3 时钟 72 MHz：72 MHz / 7200 = 10 kHz
    timer.TIM_Prescaler = 0;
    timer.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    timer.TIM_Period = MOTOR_PWM_TOP - 1U;
    timer.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    timer.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &timer);


    pwm.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    pwm.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    pwm.TIM_Pulse = 0;
    pwm.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &pwm);
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);


    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}


void Motor_Init(void)
{
    Motor_GPIO_Init();
    Motor_PWM_Init();
    TIM_SetCompare1(TIM3, 0);
}


// speed 范围：-1000 ~ +1000
void Motor_SetSpeed(int16_t speed)
{
    uint32_t pulse;


    if (speed > 1000) speed = 1000;
    if (speed < -1000) speed = -1000;


    if (speed == 0) {
        TIM_SetCompare1(TIM3, 0);  // ENA 持续为低：自由滑行
        GPIO_ResetBits(GPIOB, MOTOR_IN1_PIN | MOTOR_IN2_PIN);
        return;
    }


    // 先关闭 ENA，再改变方向脚，避免切换瞬间产生错误状态。
    TIM_SetCompare1(TIM3, 0);


    if (speed > 0) {
        GPIO_SetBits(MOTOR_IN1_PORT, MOTOR_IN1_PIN);
        GPIO_ResetBits(MOTOR_IN2_PORT, MOTOR_IN2_PIN);
        pulse = ((uint32_t)speed * MOTOR_PWM_TOP) / 1000U;
    } else {
        GPIO_ResetBits(MOTOR_IN1_PORT, MOTOR_IN1_PIN);
        GPIO_SetBits(MOTOR_IN2_PORT, MOTOR_IN2_PIN);
        pulse = ((uint32_t)(-speed) * MOTOR_PWM_TOP) / 1000U;
    }


    TIM_SetCompare1(TIM3, pulse);
}


static void Delay(volatile uint32_t count)
{
    while (count-- != 0U) {
        __NOP();
    }
}


int main(void)
{
    int16_t speed;


    Motor_Init();


    while (1) {
        for (speed = 0; speed <= 1000; speed += 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            Delay(50000);
        }
        for (speed = 1000; speed >= 0; speed -= 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            Delay(50000);
        }


        Delay(500000);  // 确认减速到零后再反转


        for (speed = 0; speed >= -1000; speed -= 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            Delay(50000);
        }
        for (speed = -1000; speed <= 0; speed += 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            Delay(50000);
        }


        Delay(500000);
    }
}

空循环延时只负责放慢演示，无法提供精确定时。项目代码应改用 SysTick、硬件定时器或 RTOS 延时，并用状态机管理加减速和换向等待。

STM32F103 HAL 库完整示例#

HAL 版本沿用同一组引脚。先在 STM32CubeMX 中完成以下配置：

  1. 把 PA6 配为 TIM3_CH1 / PWM Generation CH1；
  2. 把 PB0、PB1 配为推挽输出，标签分别设为 MOTOR_IN1、MOTOR_IN2；
  3. 若 TIM3 时钟为 72 MHz，设置 Prescaler = 0、Counter Period = 7199；
  4. PWM 极性选 High，初始 Pulse 设为 0。

CubeMX 生成时钟、GPIO 和 MX_TIM3_Init() 后，把以下驱动代码加入工程：

STM32F103 HAL：motor.h
#ifndef MOTOR_H
#define MOTOR_H


#include "main.h"


void Motor_Init(void);
void Motor_SetSpeed(int16_t speed);


#endif
STM32F103 HAL：motor.c
#include "motor.h"
#include "tim.h"


#define MOTOR_PWM_TOP 7200U


void Motor_Init(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}


// speed 范围：-1000 ~ +1000
void Motor_SetSpeed(int16_t speed)
{
    uint32_t pulse;


    if (speed > 1000) speed = 1000;
    if (speed < -1000) speed = -1000;
23 collapsed lines


    if (speed == 0) {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        return;
    }


    // 先关闭 ENA，再更新方向。
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);


    if (speed > 0) {
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        pulse = ((uint32_t)speed * MOTOR_PWM_TOP) / 1000U;
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN1_GPIO_Port, MOTOR_IN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_IN2_GPIO_Port, MOTOR_IN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
        pulse = ((uint32_t)(-speed) * MOTOR_PWM_TOP) / 1000U;
    }


    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}

在 CubeMX 生成的 main.c 中调用：

STM32F103 HAL：main.c 中的用户代码
#include "motor.h"


int main(void)
{
    int16_t speed;


    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM3_Init();
    Motor_Init();


    while (1) {
        for (speed = 0; speed <= 1000; speed += 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            HAL_Delay(10);
        }
        for (speed = 1000; speed >= 0; speed -= 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            HAL_Delay(10);
16 collapsed lines
        }


        HAL_Delay(300);


        for (speed = 0; speed >= -1000; speed -= 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            HAL_Delay(10);
        }
        for (speed = -1000; speed <= 0; speed += 10) {
            Motor_SetSpeed(speed);
            HAL_Delay(10);
        }


        HAL_Delay(800);
    }
}

APB1 分频和系统时钟会改变 TIM3 的计数时钟。请在 CubeMX 的 Clock Configuration 中确认定时器时钟，再计算 Prescaler 和 Period。

五个工程风险#

满速直接反转#

电机高速旋转时施加反向电压，会产生制动电流和反向电流。换向流程应按顺序执行：

  1. 逐步减小 PWM；
  2. 等待转速下降，必要时读取编码器；
  3. 关闭 ENA；
  4. 改变方向；
  5. 再逐步增加 PWM。

示例代码先减速到零再反转。Motor_SetSpeed() 不读取转速，系统需要通过等待时间或编码器判断电机是否停稳。

只看额定电流，不看堵转电流#

电机轴卡住后，反电动势消失，电流会远高于正常运行值。选择驱动器和电源时，请使用数据手册中的堵转电流，或通过限流测试取得实测值。空载电流不能用于功率选型。

忽略驱动器压降与散热#

L298 使用双极型晶体管。原厂数据手册给出的桥总饱和压降在 1 A 条件下典型值约为 1.8 V，最坏条件更高。驱动器把这部分压降转化为热量，电机得到的电压也随之降低。

L298N 可用于教学和已有模块维护。低压、电池供电或高效率设计可选择现代 MOSFET 驱动器。

忽略感性负载的续流路径#

开关关断后，电机线圈仍会维持电流，因此电路需要续流路径。常见 L298N 模块已安装续流二极管；裸 L298 芯片和自制功率板需要按数据手册配置外部二极管与电源退耦电容。

把保护电路当成正常工作方式#

过温保护、保险丝和限流电源会降低损坏概率。设计者仍需保证接线正确，留出电流余量，并处理软件状态。保护反复触发时，请检查负载、散热和换向流程。

首次上电顺序#

按以下顺序完成首次测试：

  1. 断开电机，确认控制器和驱动模块已经共地；
  2. 用万用表确认电机电源极性与电压；
  3. 保持 ENA=0 上电，检查没有异常发热；
  4. 架空电机或卸下机械负载；
  5. 给 10%～20% 占空比，只验证一个方向；
  6. 减速到零，再验证反方向；
  7. 逐步增加负载，同时观察电源电流与芯片温升；
  8. 最后再接入完整机械结构和自动控制流程。

小结#

GPIO 发送命令，驱动模块向电机提供功率。H 桥控制正转、反转、快速制动和自由滑行，PWM 控制有效出力。有符号速度命令进入驱动函数后，正负号选择方向，绝对值转换为占空比。

拿到一款新驱动器时，先从数据手册确认方向引脚、PWM 引脚和关闭状态，再检查堵转电流、压降、散热、共地和换向流程。

一文带你搞懂直流电机驱动（新版）
https://cloudsir.top/posts/how-to-use-motor-v2/
作者
CloudSir
发布于
2026-08-28
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
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