脈寬調制

控制直流電機速度的方法有很多種，但其中一種非常簡(jiǎn)單且易于實(shí)現的方法是使用脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）。

但在我們深入探討“脈寬調制”之前，我們需要先了解一些關(guān)于直流電機工作原理的知識。

除了步進(jìn)電機，永磁直流電機（Permanent Magnet DC Motor, PMDC）是最常用的小型直流電機類(lèi)型，它能夠產(chǎn)生連續的旋轉速度，并且易于控制。小型直流電機非常適合用于需要速度控制的應用場(chǎng)景，例如小型玩具、模型、機器人以及其他類(lèi)似的電子電路。

直流電機基本上由兩部分組成：電機的靜止部分稱(chēng)為“定子（Stator）”，而旋轉產(chǎn)生運動(dòng)的內部分稱(chēng)為“轉子（Rotor）”。對于直流電機，轉子通常被稱(chēng)為“電樞（Armature）”。

在小型輕負載直流電機中，定子通常由一對固定的永磁體組成，它們在電機內部產(chǎn)生均勻且靜止的磁通量，因此這類(lèi)電機被稱(chēng)為“永磁直流電機”（PMDC）。

電機的電樞由多個(gè)電氣線(xiàn)圈組成，這些線(xiàn)圈以圓形配置連接在其金屬體周?chē)?，產(chǎn)生一個(gè)北極、然后南極、再北極等類(lèi)型的磁場(chǎng)系統配置。

流經(jīng)這些轉子線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生必要的電磁場(chǎng)。電樞繞組產(chǎn)生的圓形磁場(chǎng)在電樞周?chē)a(chǎn)生北極和南極，這些極性與定子的永磁體相斥或相吸，從而產(chǎn)生圍繞電機中心軸的旋轉運動(dòng)，如下圖所示。

2極永磁電機

當電樞旋轉時(shí)，電流通過(guò)電機端子傳遞到下一組電樞繞組，這些電流通過(guò)位于換向器周?chē)奶妓鬟f，產(chǎn)生另一個(gè)磁場(chǎng)。每次電樞旋轉時(shí)，新的電樞繞組被通電，迫使電樞繼續旋轉，依此類(lèi)推。

因此，直流電機的旋轉速度取決于兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用：一個(gè)是由定子的靜止永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，另一個(gè)是由電樞的旋轉電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。通過(guò)控制這種相互作用，我們可以控制電機的轉速。

定子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)是固定的，因此無(wú)法改變。但如果我們通過(guò)控制流經(jīng)繞組的電流來(lái)改變電樞電磁場(chǎng)的強度，就會(huì )產(chǎn)生更多或更少的磁通量，從而導致更強或更弱的相互作用，進(jìn)而使電機轉速加快或減慢。

因此，直流電機的轉速（N）與電機的反電動(dòng)勢（Vb）除以磁通量（對于永磁體來(lái)說(shuō)是常數）乘以一個(gè)取決于電樞繞組特性的機電常數（Ke）成正比，公式為：N ∝ V/KeΦ。

如何控制電機的電流？

許多人嘗試通過(guò)在電機串聯(lián)一個(gè)大型可變電阻（變阻器）來(lái)控制直流電機的速度，如下圖所示。

雖然這種方法可能有效（例如在Scalextric軌道賽車(chē)中），但它會(huì )在電阻中產(chǎn)生大量熱量并浪費電能?？刂齐姍C速度的一種簡(jiǎn)單方法是調節電機端子上的電壓，這可以通過(guò)“脈寬調制”（PWM）來(lái)實(shí)現。

顧名思義，脈寬調制速度控制通過(guò)一系列“開(kāi)-關(guān)”脈沖來(lái)驅動(dòng)電機，并通過(guò)改變占空比（即輸出電壓“開(kāi)”的時(shí)間與“關(guān)”的時(shí)間的比例）來(lái)控制電機速度，同時(shí)保持頻率恒定。

通過(guò)改變這些脈沖的寬度，可以控制施加到電機端子上的平均直流電壓，從而控制電機的功率。通過(guò)改變或調制這些脈沖的時(shí)序，可以控制電機的速度。即，脈沖“開(kāi)”的時(shí)間越長(cháng)，電機旋轉得越快；反之，脈沖“開(kāi)”的時(shí)間越短，電機旋轉得越慢。

換句話(huà)說(shuō)，脈沖寬度越寬，施加到電機端子上的平均電壓越高，電樞繞組內部的磁通量越強，電機旋轉得越快，如下圖所示。

脈寬調制波形

使用脈寬調制控制小型電機的優(yōu)勢在于，開(kāi)關(guān)晶體管的功率損耗很小，因為晶體管要么完全“開(kāi)”，要么完全“關(guān)”。因此，開(kāi)關(guān)晶體管的功耗大大降低，提供了線(xiàn)性控制，從而實(shí)現更好的速度穩定性。

此外，電機電壓的幅度保持恒定，因此電機始終處于全功率狀態(tài)。這樣，電機可以在不停止的情況下以更慢的速度旋轉。那么，如何生成脈寬調制信號來(lái)控制電機呢？很簡(jiǎn)單，使用一個(gè)無(wú)穩態(tài)555振蕩電路，如下圖所示。

脈寬調制電路

這個(gè)基于常見(jiàn)的NE555或7555定時(shí)器芯片的簡(jiǎn)單電路用于在固定頻率輸出下生成所需的脈寬調制信號。定時(shí)電容C通過(guò)定時(shí)網(wǎng)絡(luò )RA和RB充電和放電，正如我們在555定時(shí)器教程中討論的那樣。

555芯片的引腳3的輸出信號等于電源電壓，使晶體管完全“開(kāi)”。電容C充電或放電所需的時(shí)間取決于RA和RB的值。

電容通過(guò)網(wǎng)絡(luò )RA充電，但通過(guò)二極管D1繞過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )RB。一旦電容充電完畢，它會(huì )立即通過(guò)二極管D2和網(wǎng)絡(luò )RB放電到引腳7。在放電過(guò)程中，引腳3的輸出為0V，晶體管被“關(guān)”。

因此，電容C完成一個(gè)完整的充放電周期所需的時(shí)間取決于RA、RB和C的值，一個(gè)完整周期的時(shí)間T為：

輸出“開(kāi)”的時(shí)間TH為：TH = 0.693(RA).C 

輸出“關(guān)”的時(shí)間TL為：TL = 0.693(RB).C 

總“開(kāi)-關(guān)”周期時(shí)間T為：T = TH + TL，輸出頻率為? = 1/T

使用所示的元件值，波形的占空比可以在6.0V電源下從約8.3%（0.5V）調整到約91.7%（5.5V）。無(wú)穩態(tài)頻率恒定在約256Hz，電機以該速率“開(kāi)”和“關(guān)”。

電阻R1加上電位器VR1的“上”部分代表RA的電阻網(wǎng)絡(luò )，而電位器的“下”部分加上R2代表RB的電阻網(wǎng)絡(luò )。

這些值可以根據不同的應用和直流電機進(jìn)行調整，只要555無(wú)穩態(tài)電路的運行速度足夠快（至少幾百赫茲），電機的旋轉就不會(huì )出現抖動(dòng)。

二極管D3是我們常用的飛輪二極管，用于保護電子電路免受電機的感性負載影響。此外，如果電機負載較高，請在開(kāi)關(guān)晶體管或MOSFET上安裝散熱片。

脈寬調制是一種在不浪費功率的情況下控制負載功率的好方法。上述電路還可用于控制風(fēng)扇速度或調節直流燈或LED的亮度。如果你需要控制它，那就使用脈寬調制來(lái)實(shí)現吧。