隨著迫在眉睫的新能源需求，電車的普及是大勢(shì)所趨。我們知道，就起步速度而言，大部分電車都可以碾壓傳統(tǒng)引擎的汽油車。傳統(tǒng)車輛采用的是內(nèi)燃機(jī)加機(jī)械變速箱的結(jié)構(gòu)，而電車的馬達(dá)轉(zhuǎn)速則直接由電流控制，因此車輪轉(zhuǎn)速和電功率成正比例關(guān)系。電車的“油門”可以用來(lái)改變作用于馬達(dá)的電功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能與動(dòng)能的迅速轉(zhuǎn)換。所以接下來(lái)幾篇文章我們就來(lái)從基本的原理上講一下直流電機(jī)的電路控制方法。

那么馬達(dá)是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的呢？最直接的辦法就是通過(guò)PWM。PWM的全稱是Pulse Width Modulation，通常翻譯為脈沖寬度調(diào)制。那么如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)通過(guò)PWM控制DC馬達(dá)轉(zhuǎn)速呢？

1. 搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的三極管電路

圖1是一個(gè)非常基本的三極管直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路。由于馬達(dá)的功率級(jí)別在電子電路中是較高的，而PWM信號(hào)本身不具備帶載能力，因此無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。通常我們可以搭建一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)用小信號(hào)控制來(lái)大功率器件。

圖1

三極管的基本工作原理并不復(fù)雜。我們可以把它理解為一個(gè)水箱，C端的水壓高，E端的水壓低，而B(niǎo)端則相當(dāng)于一個(gè)小閥門。閥門一打開(kāi)水流就可以從高壓端的C流入低壓端的E。然后我們把上述文字中的“水”換成“電”，就可以形象地描述三極管的電路工作原理了。

圖2

2. 將PWM信號(hào)接入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路

接下來(lái)就是給電路注入“仙氣兒”的時(shí)候了。首先，我們要給電路供電。圖3中我們將MEGO調(diào)至5V，并確保電源的正負(fù)極與電路的正負(fù)極匹配。而PWM信號(hào)我們可以直接用我們的口袋硬件調(diào)試助手（梅林雀）生成。梅林雀有3個(gè)電源端口(+5V, -5V, +3.3V)和5個(gè)信號(hào)端口(PWM, WAV, DC, CH1, CH2)。其中CH1和CH2是輸入端口，具有示波器功能用于測(cè)量波形；PWM, WAV和DC都是輸出端口，可以作為信號(hào)發(fā)生器使用。

圖3

3. 搭建實(shí)驗(yàn)

將PWM信號(hào)頻率調(diào)至1kHz，高電平為3.3V。電源的電壓調(diào)至5V。本實(shí)驗(yàn)中使用的馬達(dá)是小時(shí)候玩迷你四驅(qū)車的直流馬達(dá)，額定電流約為3V。

4. 實(shí)驗(yàn)原理

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之后，我們?cè)賮?lái)學(xué)習(xí)該電路的工作原理，因此著重對(duì)電路中的電壓，電流和功率展開(kāi)分析。

計(jì)算電壓：通常求解三極管電路時(shí)，我們可以先假設(shè)它處于導(dǎo)通狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，三極管因其內(nèi)部的P-N結(jié)半導(dǎo)體特殊結(jié)構(gòu)，使得B點(diǎn)（Base，中文術(shù)語(yǔ)叫：基極）的電壓比E點(diǎn)（Emitter，中文術(shù)語(yǔ)叫：射極）電壓高0.7V左右。圖4中請(qǐng)參考紅色部分。由于E點(diǎn)電壓為0V（接地），所以B點(diǎn)電壓約為0.7V。以50%的占空比為例，那么輸入端PWM的等效電壓為2.5V。另一個(gè)重要的電壓節(jié)點(diǎn)是C點(diǎn)（Collector，中文術(shù)語(yǔ)：集極），如果我們不知道馬達(dá)的內(nèi)阻，就無(wú)法直接計(jì)算。但是我們可以在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量VC的電壓。

圖4

計(jì)算電流：圖4中的藍(lán)色部分標(biāo)出了電路方向。通過(guò)歐姆定律，我們可以很容易得算出IB，也就是基極電流。IB相當(dāng)于打開(kāi)三極管閥門的電流，這個(gè)電流通常在mA或者uA級(jí)。而真正用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流是IC，集極電流。IC和IB電流之間的倍數(shù)稱之為DC電流增益，常記作β。不過(guò)在上圖的公式中我們用hFE表示，原因是大部分三極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中都是這么叫的。圖5中我們截取了2N2222A三極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以看出hFE通常可以產(chǎn)生幾十倍甚至幾百倍的直流電流增益。

圖5

功率分析：本電路的功率分析主要有三部分：馬達(dá)功率，三極管功率和電源的功率。根據(jù)瓦特定律，功率等于該器件的壓降與電流的乘積。馬達(dá)的功率越大則對(duì)應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速，而如果希望改變馬達(dá)的功率，只需要調(diào)節(jié)PWM的占空比即可輕松實(shí)現(xiàn)。另外需要注意的是，三極管如果沒(méi)有做散熱處理的話，表面溫度會(huì)很高，請(qǐng)避免直接觸碰。

圖6

5. 自己動(dòng)手

了解了工作原理，搭建好了電路實(shí)驗(yàn)，接下來(lái)就是自己動(dòng)手玩轉(zhuǎn)的時(shí)候了。對(duì)物理世界最深刻的理解永遠(yuǎn)是建立在親手操作的真實(shí)體驗(yàn)上的。這里我們給出大家?guī)讉�(gè)方向，同學(xué)們可以試著通過(guò)動(dòng)手自己給出答案。

·        保持占空比相同的情況下，觀察馬達(dá)對(duì)不同PWM信號(hào)頻率的響應(yīng)，如10Hz、100Hz、10KHz、100KHz等。可測(cè)量Vc的波形。

·        繪制使用馬達(dá)的伏安特性曲線，并分析直流馬達(dá)的內(nèi)阻特性。

·        觀察Vc的電壓波形，尤其是在PWM脈沖上升或下降邊沿時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的Vc波形。

·        增大或減小R1的阻值，并觀察馬達(dá)轉(zhuǎn)速是否改變