本文是 「从 0 到 1 带你打电赛 · 小车电控篇」 系列（共 12 篇）第 4 篇。

1. 第1篇 · 拿奖逻辑：把比赛拆成小目标
2. 第2篇 · 赛题进化史与押题
3. 第3篇 · 整车搭建与代码框架
4. 第4篇 · 电机驱动与电源地基（本篇）
5. 第5篇 · 感知：灰度/电磁/编码器/IMU
6. 第6篇 · PID 入门：搞懂 P/I/D
7. 第7篇 · PID 进阶：串级+工程补丁
8. 第8篇 · PID 调参实战(核心)
9. 第9篇 · 进阶控制：几时该上
10. 第10篇 · K230 视觉与通信协议
11. 第11篇 · 状态机与整车软件
12. 第12篇 · 现场作战+避坑+开源

你有没有遇到过这种情况：代码逻辑明明没问题，PID 也照着教程抄了，可车一上场要么嗡嗡乱叫不走直线，要么跑着跑着自己复位重启，再要么瓷砖地上飞快、一到赛场木地板就趴窝？

十有八九，问题不在你的算法，而在脚下这块”地基”——电机、驱动和电源。

这是赛后总结里被反复念叨的一句话：硬件不过关，软件再强也救不回来。控制算法是建在反馈信号和稳定供电之上的，地基一塌，上面盖得再漂亮也是空中楼阁。所以这一篇我们不碰高深的控制理论，专心把三件事讲透：电机怎么选、驱动怎么接、电源怎么供。

先认识小车的”肌肉”：电机怎么选

电机就是小车的肌肉。肌肉不行，神经系统（你的控制算法）指挥得再精妙也白搭。电赛小车上最常见的是两类带编码器的直流减速电机。

N20 和 GA12-N20：两个常客

N20 是最小巧的那一类，微型直流减速电机，适合轻量级小车。

• 额定 3-6V（工作范围 2-9V），体积小、重量轻
• 带霍尔编码器，电机轴典型 7 PPR（每转 7 个脉冲）
• 通常是 6 线制：电机两根（M+ / M-）、编码器供电两根（VCC / GND）、编码器信号两根（A / B 两相）

这里有个新手最容易接错的地方：编码器的供电（3.3-5V 逻辑电平）和电机的供电（走功率轨）是分开的两路，别图省事接到一起。

举个具体型号让你有数：Waveshare 那款 12V/200rpm 的 N20，减速比 1:150，电机轴 7 PPR，那么输出轴每圈就是 $7 \times 150 = 1050$ 个脉冲，再经过后面要讲的四倍频，每圈能数到 4200 个计数。这个分辨率对测速来说相当够用了。

GA12-N20 是它的”健身版”——同样是 12mm 直径，但换成了金属齿轮箱，更耐用、扭矩更大。

• 减速比可选范围极广，1:3 到 1:1000 都有，常用的是 1:30 / 1:50 / 1:100 / 1:150
• 拿 GA12-N20-0100 举例：DC 12V、空载 100rpm、负载 80rpm、额定力矩 2kg·cm、额定电流 300mA
• 同款电压下转速参考：6V 约 95rpm，3V 约 47rpm（基本随电压线性变化）

N20 塑齿轻便但扭矩弱，GA12 金属齿耐造扭矩大。需要爬坡、负载重、或者怕齿轮磨损的车，优先 GA12。

减速比怎么选：像自行车换挡

减速比这个参数最让人犯迷糊，其实一个比喻就懂了。

选型的思路是从你的目标反推，分两路算：

1. 看顶速：目标线速度 = 轮子周长 × 输出轴每秒转数。先定下你想要的最大线速度（比如 1.5 m/s），再用轮径折算出需要的输出轴 rpm，倒推减速比。
2. 看扭矩：车有多重、要不要爬坡、起步要不要猛，决定了你需要多大扭矩。负载重、要爬坡就往大减速比走。

编码器：电机的”码表”，靠它测速

编码器是装在电机尾部的转速传感器，相当于自行车的码表。它输出 A、B 两相方波，相位差 90°。我们用 STM32 定时器的编码器模式来读它，并且做正交四倍频。

四倍频是什么意思？AB 两相每个周期里有 4 个跳变沿（A 上升、B 上升、A 下降、B 下降），我们每个沿都数一次，分辨率就翻了 4 倍。所以：

$$\text{每圈计数} = \text{PPR} \times \text{减速比} \times 4$$

测速的办法很直接：在固定周期的定时器中断里，读一次 TIMx->CNT，算出这段时间里计数增加了多少（Δ脉冲），就是当前转速的反馈值。低速场景脉冲太少不准，可以用 M/T 法改进，但入门阶段固定周期测增量就够了。

驱动芯片：给肌肉接上”功放”

MCU 的 GPIO 引脚只能输出几毫安的小电流，电机一启动就要几百毫安甚至几安培——直接连上去，引脚瞬间烧掉。中间必须有个”功率放大器”，这就是驱动芯片。

驱动芯片内部的核心结构是 H 桥——四个开关搭成的电路。

选型：按电机的堵转电流分档

选驱动芯片，最关键的指标是电机堵转电流（电机被卡死时的最大电流，远大于正常工作电流）。芯片的电流能力必须扛得住堵转，否则一卡就烧。下面这张表是电赛圈里的主流选择：

缺货时，国产的 GC8871、BDR 系列可以做 TB6612/同类的平替。

小电机选 TB6612，大电机选 DRV8701，这是两条最常走的路。下面分别说说它俩。

TB6612：小电机的省事之选

TB6612 把”指挥”和”开关”都集成在一颗芯片里，外围简单，特别适合 N20 这类小电机。引脚和真值表必须记牢：

• PWMA / PWMB：调速（接 PWM 信号）
• AIN1 / AIN2 / BIN1 / BIN2：控制方向
• STBY：待机脚，必须置高芯片才工作
• VM：电机电源；VCC：逻辑电源（2.7~5.5V）

真值表（以 A 通道为例）：

下面是 STM32 HAL 库下 TB6612 调速 + 换向的核心代码，PWM 配成 24kHz：

// 占空比 = (Pulse+1)/(ARR+1)
// 72MHz 主频, Prescaler=2, ARR=999  ->  PWM 频率 = 72M/3/1000 = 24kHz
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);          // 启动 PWM 通道

// 设置转向：BIN1=1, BIN2=0 -> 正转
HAL_GPIO_WritePin(BIN1_GPIO_Port, BIN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(BIN2_GPIO_Port, BIN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);

// 改占空比就是调速：pulse 越大越快（0 ~ ARR）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, pulse);

代码思路参考 喵呜实验室的 TB6612 教程。

这里引出一个非常好用的编程抽象：带符号速度。我们希望上层 PID 算出一个数，正数就前进、负数就后退、绝对值就是快慢，不用每次都手动管方向。封装一下：

#define ARR_MAX  999      // 与 PWM 的 ARR 对应, 占空比上限

// speed: 带符号速度, 正前进负后退, 范围 [-ARR_MAX, ARR_MAX]
void Motor_SetSpeed(int16_t speed)
{
    if (speed >= 0) {
        // 正转
        HAL_GPIO_WritePin(BIN1_GPIO_Port, BIN1_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(BIN2_GPIO_Port, BIN2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        // 反转
        HAL_GPIO_WritePin(BIN1_GPIO_Port, BIN1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(BIN2_GPIO_Port, BIN2_Pin, GPIO_PIN_SET);
        speed = -speed;                               // 取绝对值当占空比
    }
    if (speed > ARR_MAX) speed = ARR_MAX;             // 输出限幅, 别超 ARR
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, speed);
}

方向 GPIO + 占空比 = 带符号速度，这个封装一做，后面写 PID 的人就只管甩一个数过来，世界清静了。

DRV8701：大电流场景的指挥官

当你用 RS380 这类大电机、或者要跑高速大扭矩时，TB6612 那点电流就不够看了。DRV8701 是另一种思路——它本身不直接驱动电机，而是一个”栅极驱动器”：

它的几个亮点：

• 宽压 6.5~45V，免升压：直接吃高压电池，不用额外的 BOOST 升压电路，也就避免了升压带来的干扰（不同手册标注略有出入，这里取保守的 6.5~45V）
• 内置电流采样，放大增益 $A_v = 20\,\text{V/V}$
• 定时关断斩波限流：能给电机设一个电流上限，堵转时自动斩波保护
• 支持 100% 占空比

它有两种工作模式，接线时要分清：

• E 型：PH/EN 模式。EN 进 PWM（调速），PH 给方向。一路 PWM 一路电平，省 IO。
• P 型：双 PWM 模式。IN1/IN2 各接一路 PWM。

斩波限流的电流上限怎么算：

$$I_{chop} = \frac{V_{REF}}{A_v \times R_{sense}}$$

其中 $A_v = 20\,\text{V/V}$ 是内部放大增益，$R_{sense}$ 是你外接的采样电阻，$V_{REF}$ 是你设的参考电压。

立创开源上有一个现成的参考设计 smart-car-drv8701-dual-drive（yy28），6-45V 宽压、堵转仍工作、信号与地平面隔离，可以克隆工程改板用（注意页面暂无 BOM，MOS 和采样电阻要自己核对）。

L298N 为什么劝退

你可能在很多老教程里见过 L298N，但正式比赛真心不推荐：

• 它是 BJT 老工艺，导通时饱和压降大，发热严重，必须挂大散热片
• 没有寄生体二极管，得外接 8 个续流二极管（电机是感性负载，关断时会产生反向电压尖峰，需要二极管给它一条泄放路径），电路又乱又占地方
• 效率低，同样的电池跑不了多久

相比之下，TB6612、DRV8833、A4950 这些 MOS 方案导通损耗低、自带续流、效率高。L298N 只在你手头恰好有现成模块、临时凑合时用用，别当主力。

PWM 调速：为什么频率定在 15~20kHz

我们一直说”占空比调速”，到底什么原理？

占空比的定义很简单：

$$\text{占空比} = \frac{T_{on}}{T_{on} + T_{off}}$$

那频率（一秒钟开关多少次）选多少？这里有个非常实际的考量——人耳的听觉范围是 20Hz ~ 20kHz。

如果你的 PWM 频率落在这个范围内（比如常见的几 kHz），电机线圈会跟着这个频率机械振动，你就听到了刺耳的”嗡嗡”啸叫声。把频率推到 20kHz 以上，超出人耳听觉，世界瞬间安静。

但也不是越高越好：

一个特别要注意的特殊情况，留给电磁循迹组：

如果你用的是互补 PWM（上下桥臂用一对互补信号驱动），还有一条铁律：

电源树：给整车”供血”

到这儿肌肉（电机）和功放（驱动）都有了，最后一块地基是供电。电源问题最隐蔽——它不会让你的代码报错，而是让你的车在最关键的时候莫名其妙复位、串口乱码、ADC 跳变，查到怀疑人生。

电源树的标准结构

一条典型的供电链路是这样分级的：

几条要点：

1. 电池直供电机功率轨（VM）：电机要大电流，让它直接吃电池，别经过 DC-DC（DC-DC 带不动那么大瞬时电流）。
2. DC-DC（Buck）降到 5V：给舵机、5V 传感器用。TPS 系列是常见选择，效率高。
3. MCU 务必走独立 LDO 降到 3.3V。LDO 噪声低、外围简单、输出干净，特别适合给敏感的 MCU 和 ADC 基准供电（缺点是压差大时效率低、发热，所以只用它做最后一级精滤，不要拿它扛大电流降压）。

地线规划：单点共地

电源里最玄学、也最容易翻车的，是地线。

具体怎么做：电机功率地和 MCU/传感器控制地各自单独走线，最后在电源入口附近用一个点（0Ω 电阻或磁珠）汇接到一起。

VM 并大电容：给电机配个”水箱”

电机是感性负载，启动、堵转、换向的瞬间电流会猛地飙升，把 VM 电压拽下去一大截。

所以驱动 VM 引脚要并两种电容：

• 大电解电容（bulk，数十~数百 uF）：抗电机启动/换向时的电压跌落，做能量缓冲。选低 ESR 的，就近放在驱动 VM 引脚旁。
• 小陶瓷电容（0.1uF）：就近滤高频毛刺。

低电量电压补偿：让车后半程不掉速

最后一个常被忽略、却能直接拉开名次的细节。

锂电池从满电到亏电，电压能跌 20% 以上。问题来了：你的 PID 输出的是占空比，占空比固定时，电压越低、给电机的实际平均电压就越低、转速就越慢。

做法很简单——用 ADC 实时采电池电压，把占空比按比例放大：

$$\text{实际占空比} = \text{期望占空比} \times \frac{V_{\text{标称}}}{V_{\text{实测}}}$$

电池越亏（$V_{实测}$ 越小），补偿系数越大，等效给电机的平均电压就恒定了。

// V_nominal: 标称电压(常数); V_batt: ADC 实测电池电压(已滤波)
float comp = V_nominal / V_batt;       // 补偿系数, 电压越低系数越大
duty_out = duty_target * comp;
if (duty_out > DUTY_MAX) duty_out = DUTY_MAX;   // 限幅, 别超 100%

代码思路参考 电压补偿的实现。

一点点剧透：地基之上是 PID

讲到电压补偿，已经摸到控制环的门口了。这里先埋个伏笔，把和地基直接相关的几条结论给你（详细的原理和调参后面几篇专门讲，这里不展开）：

• 速度环用增量式 PID：它只输出”控制增量”（油门加一点/松一点），正反向切换平顺、对积分天然限幅，适合电机连续调速。
• 方向环/位置环用位置式 PID：直接算绝对量（方向盘打到 30 度这个位置），精度高，适合一步到位的定位。
• 串级（双环）：外环管方向/位置，内环管速度，外环输出作为内环目标，外环周期比内环慢 2~5 倍。
• 控制周期：速度环 5~10ms（100~200Hz）起步，方向/外环 10~50ms，用定时器中断保证周期严格恒定。
• 铁律：必做积分限幅 + 输出限幅；切换 PID 模式或电机换向时，一定要清积分项，否则积分饱和（windup）会让输出冲顶、响应迟滞。
• 调参口诀：先 P 后 I 再 D。

收尾：地基自检清单

照着下面这几条逐项过一遍，你的电控地基基本就立住了：

• ☐ 电机减速比按”目标线速度 + 爬坡扭矩”反推，动力留余量
• ☐ 编码器和电机供电分两路；机械安装同心、固定牢、无过盈摩擦
• ☐ 驱动芯片按堵转电流选型：小电机 TB6612，大电流 DRV8701，别用 L298N 当主力
• ☐ TB6612 记得给 PWM、STBY 置高；把方向 + 占空比封装成”带符号速度”
• ☐ PWM 频率 18~20kHz 起步，电磁组干扰严重就压到 13-15kHz；互补 PWM 必加死区
• ☐ 电源树分级：电池直供 VM，DC-DC 降 5V，MCU 走独立 LDO 降 3.3V
• ☐ 功率地与控制地分开走线，单点共地，别绕成地环路
• ☐ 驱动 VM 并大电解（低 ESR）+ 0.1uF 陶瓷，电机端加 TVS
• ☐ 上电池电压补偿（ADC 滤波 + 占空比限幅），低压报警降速
• ☐ 务必在赛场同款地面上调参

地基稳了，软件才有发挥的余地。但光有”肌肉”还不够——小车还得有”眼睛”和”平衡感”，才知道自己在哪、有没有跑偏。下一篇我们就来给小车装上感知系统：灰度、电磁、编码器和 IMU。