控制直流電機速度的方法有很多種，但其中一種非常簡單且易于實現(xiàn)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于直流電機工作原理的知識。

除了步進電機，永磁直流電機（Permanent Magnet DC Motor, PMDC）是最常用的小型直流電機類型，它能夠產(chǎn)生連續(xù)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景，例如小型玩具、模型、機器人以及其他類似的電子電路。

直流電機基本上由兩部分組成：電機的靜止部分稱為“定子（Stator）”，而旋轉產(chǎn)生運動的內部分稱為“轉子（Rotor）”。對于直流電機，轉子通常被稱為“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，因此這類電機被稱為“永磁直流電機”（PMDC）。

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

流經(jīng)這些轉子線圈的電流產(chǎn)生必要的電磁場。電樞繞組產(chǎn)生的圓形磁場在電樞周圍產(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)生圍繞電機中心軸的旋轉運動，如下圖所示。

2極永磁電機

當電樞旋轉時，電流通過電機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)生另一個磁場。每次電樞旋轉時，新的電樞繞組被通電，迫使電樞繼續(xù)旋轉，依此類推。

因此，直流電機的旋轉速度取決于兩個磁場之間的相互作用：一個是由定子的靜止永磁體產(chǎn)生的磁場，另一個是由電樞的旋轉電磁體產(chǎn)生的磁場。通過控制這種相互作用，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的強度，就會產(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）與電機的反電動勢（Vb）除以磁通量（對于永磁體來說是常數(shù)）乘以一個取決于電樞繞組特性的機電常數(shù)（Ke）成正比，公式為：N ∝ V/KeΦ。

如何控制電機的電流？

許多人嘗試通過在電機串聯(lián)一個大型可變電阻（變阻器）來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軌道賽車中），但它會在電阻中產(chǎn)生大量熱量并浪費電能。控制電機速度的一種簡單方法是調節(jié)電機端子上的電壓，這可以通過“脈寬調制”（PWM）來實現(xiàn)。

顧名思義，脈寬調制速度控制通過一系列“開-關”脈沖來驅動電機，并通過改變占空比（即輸出電壓“開”的時間與“關”的時間的比例）來控制電機速度，同時保持頻率恒定。

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

換句話說，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，開關晶體管的功率損耗很小，因為晶體管要么完全“開”，要么完全“關”。因此，開關晶體管的功耗大大降低，提供了線性控制，從而實現(xiàn)更好的速度穩(wěn)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控制電機呢？很簡單，使用一個無穩(wěn)態(tài)555振蕩電路，如下圖所示。

脈寬調制電路

這個基于常見的NE555或7555定時器芯片的簡單電路用于在固定頻率輸出下生成所需的脈寬調制信號。定時電容C通過定時網(wǎng)絡RA和RB充電和放電，正如我們在555定時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”。電容C充電或放電所需的時間取決于RA和RB的值。

電容通過網(wǎng)絡RA充電，但通過二極管D1繞過電阻網(wǎng)絡RB。一旦電容充電完畢，它會立即通過二極管D2和網(wǎng)絡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”。

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

輸出“開”的時間TH為：TH = 0.693(RA).C 

輸出“關”的時間TL為：TL = 0.693(RB).C 

總“開-關”周期時間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）。無穩(wěn)態(tài)頻率恒定在約256Hz，電機以該速率“開”和“關”。

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

這些值可以根據(jù)不同的應用和直流電機進行調整，只要555無穩(wěn)態(tài)電路的運行速度足夠快（至少幾百赫茲），電機的旋轉就不會出現(xiàn)抖動。

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，請在開關晶體管或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扇速度或調節(jié)直流燈或LED的亮度。如果你需要控制它，那就使用脈寬調制來實現(xiàn)吧。