一、什么是直流電機(jī)？

直流電機(jī)（Direct Current Motor）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它既可以作為電動(dòng)機(jī)將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也可以作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能。

直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的設(shè)備。當(dāng)直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作；當(dāng)直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出直流電以供其他設(shè)備使用。

直流電機(jī)按勵(lì)磁方式可分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)三類。其中，永磁直流電機(jī)的勵(lì)磁由永久磁鐵提供，他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源供電；自勵(lì)直流電機(jī)則根據(jù)勵(lì)磁繞組與電樞繞組的聯(lián)接方式分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種。

直流電機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)定律和左手定則。當(dāng)直流電源通過(guò)電刷向電樞繞組供電時(shí)，電樞表面的導(dǎo)體將流過(guò)電流，并在磁場(chǎng)中受到力的作用而旋轉(zhuǎn)。這樣，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。

直流電機(jī)因其轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、易于控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，直流電機(jī)常用于機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵、印刷設(shè)備、冶金設(shè)備、化工設(shè)備、食品加工設(shè)備、紡織機(jī)械等設(shè)備中。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，電動(dòng)車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等交通工具都采用了直流電機(jī)作為動(dòng)力源。此外，直流電機(jī)還在醫(yī)療設(shè)備、家用電器、電動(dòng)工具、船舶、自動(dòng)化系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括調(diào)速范圍廣、易于平滑調(diào)速、啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于控制可靠性高等。同時(shí)，它在調(diào)速時(shí)能量損耗也較少。然而，直流電機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，如換向困難導(dǎo)致容量受到限制、換向器費(fèi)工費(fèi)料且不便維護(hù)等。近年來(lái)，隨著大功率半導(dǎo)體的發(fā)展，有人試圖用交流電機(jī)加整流元件來(lái)代替直流電機(jī)，但直流電機(jī)在某些性能方面仍然具有優(yōu)勢(shì)。

二、簡(jiǎn)單低壓直流電機(jī)速度控制電路圖

現(xiàn)在，無(wú)數(shù)的應(yīng)用都使用直流電機(jī)，為了驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)并控制旋轉(zhuǎn)方向，我們使用不同的控制電路，在某些情況下我們使用微控制器。這里有四種不同的簡(jiǎn)單低壓直流電機(jī)速度控制電路，使用少量容易獲得的組件而設(shè)計(jì)，無(wú)需微控制器。這些電路將充當(dāng)獨(dú)立的速度控制電路。您可以通過(guò)改變輸入電壓來(lái)控制有刷直流電機(jī)的速度。當(dāng)我們施加較低的電壓時(shí)，我們可以減慢電機(jī)的速度（低轉(zhuǎn)速），而施加較高的電壓時(shí)，電機(jī)會(huì)獲得高速（高轉(zhuǎn)速）。對(duì)于一些特定的更精確的 RPM 應(yīng)用，我們可以在速度控制電路中使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）。

以下電路設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低電壓和低功率有刷直流電機(jī)。請(qǐng)記住，電機(jī)的最小和最大轉(zhuǎn)速是固定的，可以通過(guò)使用齒輪來(lái)增加或減少。

1、使用MOSFET的直流電機(jī)調(diào)速電路

IRF540 功率MOSFET VI 特性用于控制直流電機(jī)的速度，電機(jī)的正偏置端子連接到IRF540 的源極端子，負(fù)端子連接到Gnd。 IRF540的漏極引腳直接連接到電源正極引腳。柵極端子連接到 RV1 的可變引腳。通過(guò)改變 RV1，不同電平的電壓將到達(dá) IRF540 的柵極端子。根據(jù)柵極電壓，流經(jīng) IRF540 (ID) 的電流會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致直流電機(jī)的電壓水平發(fā)生變化。直流電機(jī)的速度也會(huì)發(fā)生變化。

IRF540 MOSFET 引腳排列

IRF540 是一款 N 溝道功率 MOSFET，采用三端子 TO-220 封裝。它可以處理 100V 漏源電壓和 33A 的連續(xù)漏電流。

2、使用 TDA 7274 的低壓直流電機(jī)速度控制電路

TDA 7274是 STMicroElectronics 的低壓直流電機(jī)速度控制器集成電路。該IC具有內(nèi)部電壓比較器和三個(gè)晶體管輸出級(jí)。比較器的反相引腳與內(nèi)部 100μA 電流源連接，非反相引腳充當(dāng)控制引腳 (8)。 Vref 引腳 (6) 向內(nèi)部比較器提供反饋，Out 引腳 (4) 提供負(fù)輸出電壓。直流電機(jī)負(fù)極引腳連接到TDA 7274 的輸出引腳，通過(guò)調(diào)整 RV1 電阻，我們可以改變輸出（接地電平）電壓，從而控制直流電機(jī)的速度。

“該 IC 用于控制復(fù)古卡帶播放器中電機(jī)的速度，現(xiàn)在這是一個(gè)過(guò)時(shí)的產(chǎn)品”不推薦用于新設(shè)計(jì)。

3、使用 IC 555 的直流電機(jī)速度控制電路

在該電路中，定時(shí)器 IC 555配置為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器模式并偏置以產(chǎn)生連續(xù)方波脈沖輸出。輸出脈沖連接至高開(kāi)關(guān)速度元件IRF540 MOSFET。直流電機(jī)連接在 IRF540 的正極電源和漏極端子之間。定時(shí)器IC 555通過(guò)使用定時(shí)元件VR1和C2來(lái)振蕩方波脈沖。輸出脈沖驅(qū)動(dòng) MOSFET 并改變其開(kāi)和關(guān)條件，因此電機(jī)獲得離散電源，如循環(huán)踏板，電機(jī)速度取決于脈沖開(kāi)時(shí)間和關(guān)時(shí)間。通過(guò)改變 VR1 值，我們可以改變輸出脈沖以及直流電機(jī)速度。

4、直流電機(jī)調(diào)速 PWM 電路

在該電路中，定時(shí)器IC 555用于產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)和L293D四路高電流半H驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制直流電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)方向。

定時(shí)器 IC 555 引腳分配和模塊

我們知道這款定時(shí)器IC 555有兩個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器、一個(gè)輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器和三個(gè)電阻(5KΩ)分壓器。

5、使用 MOSFET 的直流電機(jī)速度控制電路

其主要目的是設(shè)計(jì)一種用 MOSFET控制直流電機(jī)速度的電路。 MOSFET 是晶體管的一種，用于放大或開(kāi)關(guān)電路內(nèi)的電壓。該電路中使用的 MOSFET 類型是增強(qiáng)型 MOSFET，僅工作在增強(qiáng)模式下。這意味著當(dāng)柵極端沒(méi)有電壓提供時(shí)，該晶體管將關(guān)閉；而當(dāng)提供電壓時(shí)，該晶體管將導(dǎo)通。因此，晶體管非常適合用作控制直流電機(jī)的開(kāi)關(guān)。

直流電機(jī)用于機(jī)器人、電器、玩具等不同的應(yīng)用。因此，在許多直流電機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)速度和方向控制至關(guān)重要。在這里，我們將解釋如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶有 MOSFET 的簡(jiǎn)單直流電機(jī)控制器。

制作該直流電機(jī)控制器所需的組件包括 12V 電池、100K電位器、IRF540N E-MOSFET、直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)。

該直流電機(jī)調(diào)速器與IRF540N EMOSFET的連接如下：

采用 MOSFET 的直流電機(jī)速度控制

IRF540 E-MOSFET的柵極端子連接到電位器，源極端子連接到電機(jī)的正極線，MOSFET的漏極端子通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到電池的正極端子。

電機(jī)負(fù)極線連接到電池的負(fù)極端子。

電位器輸出端連接MOSFET的柵極，GND通過(guò)電機(jī)負(fù)極線連接電池負(fù)極，VCC引腳通過(guò)MOSFET漏極端連接電池正極并切換。

一旦開(kāi)關(guān)“S”閉合，MOSFET 柵極端子處的電壓供應(yīng)就會(huì)導(dǎo)致電流從漏極 (D) 端子供應(yīng)到源極 (S)。之后電流開(kāi)始流過(guò)直流電機(jī)并且電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。只需調(diào)節(jié)電位器即可簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)提供給直流電機(jī)的電流總和，然后改變 MOSFET 柵極端子上的施加電壓。因此，我們可以通過(guò)控制 MOSFET 柵極端子的電壓來(lái)控制直流電機(jī)的速度。為了提高直流電機(jī)的速度，我們必須提高 MOSFET 柵極端子的施加電壓。

這里，設(shè)計(jì)了基于IRF540N MOSFET的直流電機(jī)控制器電路來(lái)控制電機(jī)的速度。該電路使用 MOSFET 和電位器設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地控制 MOSFET 柵極端子上的施加電壓來(lái)控制電機(jī)速度。

6、使用 LM3578 IC 的直流電機(jī)速度控制電路

與交流電機(jī)不同，直流電機(jī)非常易于使用，因?yàn)樗鼈兊乃俣瓤梢暂p松改變。那么，這在實(shí)踐中是如何實(shí)現(xiàn)的呢？直流電機(jī)通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)之間的反應(yīng)產(chǎn)生扭矩：一個(gè)磁場(chǎng)由固定“場(chǎng)”繞組（線圈）建立，另一個(gè)磁場(chǎng)由旋轉(zhuǎn)電樞中的繞組建立。一些直流電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁繞組，而是用大型永磁體代替，以便靜態(tài)磁場(chǎng)在所有運(yùn)行條件下都是恒定的。

無(wú)論如何，直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是，當(dāng)前通過(guò)電樞的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)試圖與固定磁場(chǎng)對(duì)齊的磁場(chǎng)。這導(dǎo)致電樞旋轉(zhuǎn)。該直流電機(jī)速度控制電路采用 IC LM3578 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，可用于 DC 到 DC 電壓轉(zhuǎn)換，例如降壓、升壓和逆變應(yīng)用。

正如我們?cè)陔娐分锌吹降模绷麟姍C(jī)連接到直流電源和輸出驅(qū)動(dòng)器 IRF 540 MOSFET。這里放置一個(gè)二極管 D1 以提供反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)。 LM3578 引腳 5 的進(jìn)一步輸出信號(hào)饋送到 MOSFET 的柵極端子，驅(qū)動(dòng) MOSFET。現(xiàn)在，LM3578 IC 的引腳 8、7 和 6 短接在一起并與正電源連接。組件 C1、C2 和 R2 連接在引腳 1、3 和接地電源之間。這里L(fēng)M3578的2腳連接R1和可變電阻VR1。 我們可以通過(guò)改變 VR1 來(lái)改變直流電機(jī)的速度。