脉冲宽度和波形调制

有许多不同的方法可以控制直流电机的速度，但一种非常简单易用的方法是使用脉冲宽度调制。

但是在我们开始查看输入和输出之前脉冲宽度调制我们需要更多地了解直流电机的工作原理。

在步进电机旁边，永磁直流电机（PMDC）是最常用的小型直流电机可以轻松控制的连续转速。适用于各种应用的小型直流电机需要进行速度控制，例如小型玩具，模型，机器人和其他类似的电子电路。

直流电机基本上由两部分组成，即电机的固定体称为“定子”，内部旋转产生称为“转子”的运动。对于直流电机，转子通常被称为“电枢”。

通常在小型轻型直流电机中，定子由一对固定的永磁体组成，在电机内部产生均匀且静止的磁通量，从而提供这些类型电动机的名称为“永磁直流”（PMDC）电动机。

电动机电枢由单个电气线圈组成，这些电气线圈围绕其金属体以圆形结构连接在一起，产生一个北极然后一个南极然后是北极等类型的现场系统配置。

在这些转子线圈内流动的电流产生必要的电磁场。由电枢绕组产生的圆形磁场在电枢周围产生北极和南极，它们被定子的永磁体排斥或吸引，产生围绕电动机中心轴的旋转运动，如图所示。

2极永磁电机

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当电枢旋转时，电流从电机端子传递到下一组电枢通过位于换向器周围的碳刷绕组产生另一个磁场，每次电枢旋转时，一组新的电枢绕组通电，迫使电枢越来越多地旋转等等。

所以旋转速度直流电动机取决于两个磁场之间的相互作用，一个由定子的固定永磁体设置，另一个由电枢旋转电磁铁，通过控制这种相互作用，我们可以控制旋转速度。

定子产生的磁场永久磁铁是固定的，因此无法改变，但如果我们通过控制流过绕组的电流来改变电枢电磁场的强度，将产生或多或少的磁通量，从而产生更强或更弱的相互作用，因此更快或更慢的速度。

然后直流电机的转速（ N ）与反电动势成比例（ V b ）电机除以磁通量（永磁体为常数）乘以机电常数，取决于电枢绕组的性质（ K e ）给我们方程：NαV/ K e Φ。

那么我们如何控制通过电机的电流。很多人试图使用与电机串联的大型可变电阻器（变阻器）来控制直流电机的速度，如图所示。

虽然这可能有效，但与Scalextric老虎机赛车一样，它在阻力中产生大量的热量和浪费的能量。控制电机速度的一种简单易行的方法是调节其端子上的电压量，这可以通过“脉冲宽度调制”或PWM来实现。

顾名思义，脉冲宽度调制速度控制的工作原理是通过一系列“ON-OFF”脉冲驱动电机并改变占空比，输出电压为“ON”的时间与“OFF”时相比。在保持频率恒定的情况下，可以控制脉冲。

可以通过改变这些施加脉冲的宽度来控制施加到电动机的功率，从而改变施加到电动机端子的平均DC电压。通过改变或调制这些脉冲的定时，可以控制电动机的速度，即，脉冲“ON”越长，电动机旋转得越快，同样，脉冲“ON”越短，电动机越慢。会旋转。

换句话说，脉冲宽度越宽，施加到电机端子的平均电压越大，电枢绕组内的磁通量越强，电机旋转的速度就越快，这就显示出来了。下面。

脉冲宽度调制波形

使用脉冲宽度调制来控制小型电机具有优势因为晶体管完全“接通”或完全“断开”，所以开关晶体管中的功率损耗很小。因此，开关晶体管的功耗大大降低，使其具有线性控制，从而提高了速度稳定性。

电机电压幅度也保持不变，因此电机始终处于全强度状态。结果是电机可以更慢地旋转而不会停转。那么我们如何产生脉冲宽度调制信号来控制电机。轻松，使用Astable 555振荡器电路，如下所示。

这个简单的电路基于熟悉的NE555或7555定时器芯片用于以固定频率输出产生所需的脉冲宽度调制信号。定时电容 C 通过流经时序网络 R A 和 R B 正如我们在555定时器教程中所看到的那样。

555引脚3的输出信号等于将晶体管完全“接通”的电源电压。 C 充电或放电所需的时间取决于 R A ， R B 的值。

电容器通过网络 R A 充电，但转向电阻网络 R B 并通过二极管 D 1 。一旦电容器充电，它立即通过二极管 D 2 和网络 R B 放电到引脚7.在放电过程中，引脚3的输出为0 V，晶体管切换为“OFF”。

然后电容器需要一段时间， C 通过一个完整的充放电循环取决于 R A ， R B 和 C 时间 T 一个完整周期给出如下：

时间， T H ，其中输出为“ON”为： T H = 0.693（R A ）。C

时间， T L ，输出为“OFF”为： T L = 0.693（R B ）.C

总“ON” - “关闭”循环时间给定为： T = T H + T L 输出频率ƒ= 1 / T

显示组件值时，使用6.0V电源，可以将波形的占空比从大约8.3％（0.5V）调节到大约91.7％（5.5V）。 Astable频率恒定在256 Hz左右，电机以此速率“ON”和“OFF”。

电阻 R 1 加上电位计的“顶部”部分 VR 1 表示 R A 的电阻网络。而电位器的“底部”加上 R 2 表示 R B 的电阻网络。

可以更改这些值以适应不同的应用和直流电机，但是如果555 Astable电路在最低几百赫兹的速度下运行得足够快，那么电机的旋转应该没有急动。

二极管 D 3 是我们最喜欢的飞轮二极管，用于保护电子电路免受电机的感应负载。此外，如果电机负载较高，则在开关晶体管或MOSFET上放置一个散热器。

脉冲宽度调制是一种控制输送到负载的功率而不会耗散的好方法任何浪费的力量。上述电路还可用于控制风扇的速度或调暗DC灯或LED的亮度。如果您需要对其进行控制，请使用脉冲宽度调制进行控制。