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控制直流电机速度的方法有很多种，但其中一种非常简单且易于实现的方法是使用脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）。

但在我们深入探讨“脉宽调制”之前，我们需要先了解一些关于直流电机工作原理的知识。

除了步进电机，永磁直流电机（Permanent Magnet DC Motor, PMDC）是最常用的小型直流电机类型，它能够产生连续的旋转速度，并且易于控制。小型直流电机非常适合用于需要速度控制的应用场景，例如小型玩具、模型、机器人以及其他类似的电子电路。

直流电机基本上由两部分组成：电机的静止部分称为“定子（Stator）”，而旋转产生运动的内部分称为“转子（Rotor）”。对于直流电机，转子通常被称为“电枢（Armature）”。

在小型轻负载直流电机中，定子通常由一对固定的永磁体组成，它们在电机内部产生均匀且静止的磁通量，因此这类电机被称为“永磁直流电机”（PMDC）。

电机的电枢由多个电气线圈组成，这些线圈以圆形配置连接在其金属体周围，产生一个北极、然后南极、再北极等类型的磁场系统配置。

流经这些转子线圈的电流产生必要的电磁场。电枢绕组产生的圆形磁场在电枢周围产生北极和南极，这些极性与定子的永磁体相斥或相吸，从而产生围绕电机中心轴的旋转运动，如下图所示。

2极永磁电机

当电枢旋转时，电流通过电机端子传递到下一组电枢绕组，这些电流通过位于换向器周围的碳刷传递，产生另一个磁场。每次电枢旋转时，新的电枢绕组被通电，迫使电枢继续旋转，依此类推。

因此，直流电机的旋转速度取决于两个磁场之间的相互作用：一个是由定子的静止永磁体产生的磁场，另一个是由电枢的旋转电磁体产生的磁场。通过控制这种相互作用，我们可以控制电机的转速。

定子永磁体产生的磁场是固定的，因此无法改变。但如果我们通过控制流经绕组的电流来改变电枢电磁场的强度，就会产生更多或更少的磁通量，从而导致更强或更弱的相互作用，进而使电机转速加快或减慢。

因此，直流电机的转速（N）与电机的反电动势（Vb）除以磁通量（对于永磁体来说是常数）乘以一个取决于电枢绕组特性的机电常数（Ke）成正比，公式为：N ∝ V/KeΦ。

如何控制电机的电流？

许多人尝试通过在电机串联一个大型可变电阻（变阻器）来控制直流电机的速度，如下图所示。

虽然这种方法可能有效（例如在Scalextric轨道赛车中），但它会在电阻中产生大量热量并浪费电能。控制电机速度的一种简单方法是调节电机端子上的电压，这可以通过“脉宽调制”（PWM）来实现。

顾名思义，脉宽调制速度控制通过一系列“开-关”脉冲来驱动电机，并通过改变占空比（即输出电压“开”的时间与“关”的时间的比例）来控制电机速度，同时保持频率恒定。

通过改变这些脉冲的宽度，可以控制施加到电机端子上的平均直流电压，从而控制电机的功率。通过改变或调制这些脉冲的时序，可以控制电机的速度。即，脉冲“开”的时间越长，电机旋转得越快；反之，脉冲“开”的时间越短，电机旋转得越慢。

换句话说，脉冲宽度越宽，施加到电机端子上的平均电压越高，电枢绕组内部的磁通量越强，电机旋转得越快，如下图所示。

脉宽调制波形

使用脉宽调制控制小型电机的优势在于，开关晶体管的功率损耗很小，因为晶体管要么完全“开”，要么完全“关”。因此，开关晶体管的功耗大大降低，提供了线性控制，从而实现更好的速度稳定性。

此外，电机电压的幅度保持恒定，因此电机始终处于全功率状态。这样，电机可以在不停止的情况下以更慢的速度旋转。那么，如何生成脉宽调制信号来控制电机呢？很简单，使用一个无稳态555振荡电路，如下图所示。

脉宽调制电路

这个基于常见的NE555或7555定时器芯片的简单电路用于在固定频率输出下生成所需的脉宽调制信号。定时电容C通过定时网络RA和RB充电和放电，正如我们在555定时器教程中讨论的那样。

555芯片的引脚3的输出信号等于电源电压，使晶体管完全“开”。电容C充电或放电所需的时间取决于RA和RB的值。

电容通过网络RA充电，但通过二极管D1绕过电阻网络RB。一旦电容充电完毕，它会立即通过二极管D2和网络RB放电到引脚7。在放电过程中，引脚3的输出为0V，晶体管被“关”。

因此，电容C完成一个完整的充放电周期所需的时间取决于RA、RB和C的值，一个完整周期的时间T为：

输出“开”的时间TH为：TH = 0.693(RA).C 

输出“关”的时间TL为：TL = 0.693(RB).C 

总“开-关”周期时间T为：T = TH + TL，输出频率为ƒ = 1/T

使用所示的元件值，波形的占空比可以在6.0V电源下从约8.3%（0.5V）调整到约91.7%（5.5V）。无稳态频率恒定在约256Hz，电机以该速率“开”和“关”。

电阻R1加上电位器VR1的“上”部分代表RA的电阻网络，而电位器的“下”部分加上R2代表RB的电阻网络。

这些值可以根据不同的应用和直流电机进行调整，只要555无稳态电路的运行速度足够快（至少几百赫兹），电机的旋转就不会出现抖动。

二极管D3是我们常用的飞轮二极管，用于保护电子电路免受电机的感性负载影响。此外，如果电机负载较高，请在开关晶体管或MOSFET上安装散热片。

脉宽调制是一种在不浪费功率的情况下控制负载功率的好方法。上述电路还可用于控制风扇速度或调节直流灯或LED的亮度。如果你需要控制它，那就使用脉宽调制来实现吧。

关键词： 脉宽调制