脈寬調(diào)制

控制直流電機(jī)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(xiàn)的方法是使用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）。

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

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

直流電機(jī)基本上由兩部分組成：電機(jī)的靜止部分稱為“定子（Stator）”，而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部分稱為“轉(zhuǎn)子（Rotor）”。對(duì)于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子通常被稱為“電樞（Armature）”。

在小型輕負(fù)載直流電機(jī)中，定子通常由一對(duì)固定的永磁體組成，它們?cè)陔姍C(jī)內(nèi)部產(chǎn)生均勻且靜止的磁通量，因此這類電機(jī)被稱為“永磁直流電機(jī)”（PMDC）。

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

流經(jīng)這些轉(zhuǎn)子線圈的電流產(chǎn)生必要的電磁場(chǎng)。電樞繞組產(chǎn)生的圓形磁場(chǎng)在電樞周圍產(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(jī)中心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。

2極永磁電機(jī)

當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流通過電機(jī)端子傳遞到下一組電樞繞組，這些電流通過位于換向器周圍的碳刷傳遞，產(chǎn)生另一個(gè)磁場(chǎng)。每次電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，新的電樞繞組被通電，迫使電樞繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，依此類推。

因此，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。通過控制這種相互作用，我們可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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

因此，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速（N）與電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（Vb）除以磁通量（對(duì)于永磁體來說是常數(shù)）乘以一個(gè)取決于電樞繞組特性的機(jī)電常數(shù)（Ke）成正比，公式為：N ∝ V/KeΦ。

如何控制電機(jī)的電流？

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

雖然這種方法可能有效（例如在Scalextric軌道賽車中），但它會(huì)在電阻中產(chǎn)生大量熱量并浪費(fèi)電能?？刂齐姍C(jī)速度的一種簡(jiǎn)單方法是調(diào)節(jié)電機(jī)端子上的電壓，這可以通過“脈寬調(diào)制”（PWM）來實(shí)現(xiàn)。

顧名思義，脈寬調(diào)制速度控制通過一系列“開-關(guān)”脈沖來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過改變占空比（即輸出電壓“開”的時(shí)間與“關(guān)”的時(shí)間的比例）來控制電機(jī)速度，同時(shí)保持頻率恒定。

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

換句話說，脈沖寬度越寬，施加到電機(jī)端子上的平均電壓越高，電樞繞組內(nèi)部的磁通量越強(qiáng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)得越快，如下圖所示。

脈寬調(diào)制波形

使用脈寬調(diào)制控制小型電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，開關(guān)晶體管的功率損耗很小，因?yàn)榫w管要么完全“開”，要么完全“關(guān)”。因此，開關(guān)晶體管的功耗大大降低，提供了線性控制，從而實(shí)現(xiàn)更好的速度穩(wěn)定性。

此外，電機(jī)電壓的幅度保持恒定，因此電機(jī)始終處于全功率狀態(tài)。這樣，電機(jī)可以在不停止的情況下以更慢的速度旋轉(zhuǎn)。那么，如何生成脈寬調(diào)制信號(hào)來控制電機(jī)呢？很簡(jiǎn)單，使用一個(gè)無穩(wěn)態(tài)555振蕩電路，如下圖所示。

脈寬調(diào)制電路

這個(gè)基于常見的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(diào)制信號(hào)。定時(shí)電容C通過定時(shí)網(wǎng)絡(luò)RA和RB充電和放電，正如我們?cè)?55定時(shí)器教程中討論的那樣。

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

電容通過網(wǎng)絡(luò)RA充電，但通過二極管D1繞過電阻網(wǎng)絡(luò)RB。一旦電容充電完畢，它會(huì)立即通過二極管D2和網(wǎng)絡(luò)RB放電到引腳7。在放電過程中，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”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-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(diào)整到約91.7%（5.5V）。無穩(wěn)態(tài)頻率恒定在約256Hz，電機(jī)以該速率“開”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(jù)不同的應(yīng)用和直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，只要555無穩(wěn)態(tài)電路的運(yùn)行速度足夠快（至少幾百赫茲），電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。

二極管D3是我們常用的飛輪二極管，用于保護(hù)電子電路免受電機(jī)的感性負(fù)載影響。此外，如果電機(jī)負(fù)載較高，請(qǐng)?jiān)陂_關(guān)晶體管或MOSFET上安裝散熱片。

脈寬調(diào)制是一種在不浪費(fèi)功率的情況下控制負(fù)載功率的好方法。上述電路還可用于控制風(fēng)扇速度或調(diào)節(jié)直流燈或LED的亮度。如果你需要控制它，那就使用脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)吧。