隨著迫在眉睫的新能源需求，電車的普及是大勢所趨。我們(men) 知道，就起步速度而言，大部分電車都可以碾壓傳(chuan) 統引擎的汽油車。傳(chuan) 統車輛采用的是內(nei) 燃機加機械變速箱的結構，而電車的馬達轉速則直接由電流控製，因此車輪轉速和電功率成正比例關(guan) 係。電車的“油門”可以用來改變作用於(yu) 馬達的電功率，進而實現電能與(yu) 動能的迅速轉換。所以接下來幾篇文章我們(men) 就來從(cong) 基本的原理上講一下直流電機的電路控製方法。

那麽(me) 馬達是如何實現轉速調節的呢？最直接的辦法就是通過PWM。PWM的全稱是Pulse Width Modulation，通常翻譯為(wei) 脈衝(chong) 寬度調製。那麽(me) 如何通過實驗的方法實現通過PWM控製DC馬達轉速呢？

1. 搭建一個(ge) 簡單的三極管電路

圖1是一個(ge) 非常基本的三極管直流馬達驅動電路。由於(yu) 馬達的功率級別在電子電路中是較高的，而PWM信號本身不具備帶載能力，因此無法直接驅動馬達。通常我們(men) 可以搭建一個(ge) 三極管驅動電路實現用小信號控製來大功率器件。

圖1

三極管的基本工作原理並不複雜。我們(men) 可以把它理解為(wei) 一個(ge) 水箱，C端的水壓高，E端的水壓低，而B端則相當於(yu) 一個(ge) 小閥門。閥門一打開水流就可以從(cong) 高壓端的C流入低壓端的E。然後我們(men) 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信號接入馬達驅動電路

接下來就是給電路注入“仙氣兒(er) ”的時候了。首先，我們(men) 要給電路供電。圖3中我們(men) 將MEGO調至5V，並確保電源的正負極與(yu) 電路的正負極匹配。而PWM信號我們(men) 可以直接用我們(men) 的口袋硬件調試助手（梅林雀）生成。梅林雀有3個(ge) 電源端口(+5V, -5V, +3.3V)和5個(ge) 信號端口(PWM, WAV, DC, CH1, CH2)。其中CH1和CH2是輸入端口，具有示波器功能用於(yu) 測量波形；PWM, WAV和DC都是輸出端口，可以作為(wei) 信號發生器使用。

圖3

3. 搭建實驗

將PWM信號頻率調至1kHz，高電平為(wei) 3.3V。電源的電壓調至5V。本實驗中使用的馬達是小時候玩迷你四驅車的直流馬達，額定電流約為(wei) 3V。

4. 實驗原理

結合實驗現象之後，我們(men) 再來學習(xi) 該電路的工作原理，因此著重對電路中的電壓，電流和功率展開分析。

計算電壓：通常求解三極管電路時，我們(men) 可以先假設它處於(yu) 導通狀態。在導通狀態下，三極管因其內(nei) 部的P-N結半導體(ti) 特殊結構，使得B點（Base，中文術語叫：基極）的電壓比E點（Emitter，中文術語叫：射極）電壓高0.7V左右。圖4中請參考紅色部分。由於(yu) E點電壓為(wei) 0V（接地），所以B點電壓約為(wei) 0.7V。以50%的占空比為(wei) 例，那麽(me) 輸入端PWM的等效電壓為(wei) 2.5V。另一個(ge) 重要的電壓節點是C點（Collector，中文術語：集極），如果我們(men) 不知道馬達的內(nei) 阻，就無法直接計算。但是我們(men) 可以在實驗中直接測量VC的電壓。

圖4

計算電流：圖4中的藍色部分標出了電路方向。通過歐姆定律，我們(men) 可以很容易得算出IB，也就是基極電流。IB相當於(yu) 打開三極管閥門的電流，這個(ge) 電流通常在mA或者uA級。而真正用於(yu) 驅動馬達的電流是IC，集極電流。IC和IB電流之間的倍數稱之為(wei) DC電流增益，常記作β。不過在上圖的公式中我們(men) 用hFE表示，原因是大部分三極管的數據手冊(ce) 中都是這麽(me) 叫的。圖5中我們(men) 截取了2N2222A三極管的數據手冊(ce) ，可以看出hFE通常可以產(chan) 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：馬達功率，三極管功率和電源的功率。根據瓦特定律，功率等於(yu) 該器件的壓降與(yu) 電流的乘積。馬達的功率越大則對應更高的轉速，而如果希望改變馬達的功率，隻需要調節PWM的占空比即可輕鬆實現。另外需要注意的是，三極管如果沒有做散熱處理的話，表麵溫度會(hui) 很高，請避免直接觸碰。

圖6

5. 自己動手

了解了工作原理，搭建好了電路實驗，接下來就是自己動手玩轉的時候了。對物理世界最深刻的理解永遠是建立在親(qin) 手操作的真實體(ti) 驗上的。這裏我們(men) 給出大家幾個(ge) 方向，同學們(men) 可以試著通過動手自己給出答案。

·        保持占空比相同的情況下，觀察馬達對不同PWM信號頻率的響應，如10Hz、100Hz、10KHz、100KHz等。可測量Vc的波形。

·        繪製使用馬達的伏安特性曲線，並分析直流馬達的內(nei) 阻特性。

·        觀察Vc的電壓波形，尤其是在PWM脈衝(chong) 上升或下降邊沿時刻所對應的Vc波形。

·        增大或減小R1的阻值，並觀察馬達轉速是否改變