以下是直流电机的结构与驱动电路的详细说明：

直流电机结构

直流电机主要由定子（静止部分）和转子（旋转部分）组成：

1. 定子

• 主磁极：
  • 永磁体或绕制线圈的铁芯（电磁式），提供主磁场。
  • 电磁式需通直流电激磁（他励、并励、串励等）。
• 电刷与刷架：
  • 固定在机壳上，通过弹簧压紧换向器，传导电流至转子绕组。
• 机座与端盖：
  • 支撑结构，保护内部组件。

2. 转子（电枢）

• 电枢铁芯：
  • 硅钢片叠压而成，嵌放电枢绕组并导磁。
• 电枢绕组：
  • 铜线绕制的线圈，通电后在磁场中产生转矩。
• 换向器（整流子）：
  • 由多个楔形铜片组成，随转子旋转，与电刷配合切换电流方向，维持转矩恒定。
• 转轴与风扇：
  • 传递扭矩，风扇散热。

直流电机驱动电路

驱动电路控制电机的启停、转向和调速，核心是H桥电路：

1. H桥基本拓扑

      V+  
       │  
    ┌──┴──┐  
    │     │  
 Q1 ┤     ├ Q3  
    │     │  
    └─电机─┘  
    │     │  
 Q2 ┤     ├ Q4  
    │     │  
    └──┬──┘  
       │  
      GND  

• 正转：Q1 + Q4导通（电流：V+ → Q1 → 电机 → Q4 → GND）
• 反转：Q2 + Q3导通（电流：V+ → Q3 → 电机 → Q2 → GND）
• 制动：Q1+Q2或Q3+Q4短路电机两端，能耗制动。
• 关断：所有MOSFET截止。

2. 关键元件

• 功率开关管：MOSFET（如IRF3205）或IGBT，耐压/电流需留余量。
• 驱动IC（简化控制）：
  • 如L298N（双H桥）、DRV8871等，集成逻辑与驱动电路。
• 续流二极管：
  • 并联在开关管上（或利用体二极管），泄放电感反峰电压。

3. PWM调速原理

• 调节MOSFET的占空比（如0%~100%），改变电机端平均电压：
  $$V{\text{avg}} = D \cdot V{\text{in}} \quad (D: \text{占空比})$$
• 高频PWM（>20kHz）可减少电机噪音和振动。

4. 保护设计

• 死区时间（Dead Time）：
  • 同侧MOSFET导通延迟（微秒级），防止直通短路。
• 电流检测：
  • 串联采样电阻或霍尔传感器，触发过流保护。
• 温度监测：热敏电阻或IC内置保护。
• 电压箝位：TVS管抑制电源浪涌。

典型驱动方案示例

• 小功率方案：
  • 芯片：DRV8870（3.6A单H桥） + 微控制器PWM信号。
  • 电路简单，成本低。
• 大功率方案：
  • 分立MOSFET（如IRF1404） + 专用驱动IC（如IR2104带死区控制）。

总结

• 结构核心：定子磁场与转子绕组通过换向器-电刷切换电流方向，实现持续旋转。
• 驱动核心：H桥+PWM控制，需注重开关时序与保护电路设计。

此架构适用于机器人、电动车、工业设备等场景，理解结构与驱动原理是优化电机控制的基础。