直流电机该如何调速?

　　答:直流电机的结构形式有串励式、并励式、复励式、永磁式等；不同结构形式的直流电机的调速方法不一样。

　　■直流电动机是一种将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3

　　■早期人们对直流电机调速都是采用大功率可调电阻器进行。见下图所示。

　　■随着电子元器件技术的广泛应用，后来人们用大功率晶闸管进行对直流电机控制。

　　■而今天利用脉宽调制PWM微电子技术对电机进行控制。见下图所示。

　　专门为直流电机调速器→就是调节直流电动机速度的设备，调速器用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。可使机器转速保持定值或接近设定值。由于直流电动机具有低转速大力矩的特点，是交流电动机无法取代的，因此调节直流电动机速度的设备一直流调速器，由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中，利用脉宽调制(PWM)原理制作的电机调速器。

　　?有电子技术DIY的爱好者可以参考下图所示，自己去制作一个直流电机调速器。

　　?直流电动机调速控制电路如下图所示。

　　■①合上总电源开关QS,接15V直流电源→■②→15V直流为NE555的8脚提供工作电源,NE555开始工作。

　　■③NE555的3脚输出驱动脉冲信号,送往驱动三极V1的基极,经放大后,其集电极输出脉冲电压→■④→15V直电压经V1变成脉冲电流为直流电动机供电,电动机开始运转。

　　■⑤直流电动机的电流在限流电阻R上产生压降,经电粗器反情到NE555的2脚,并由3脚输出脉冲使号的宽度,对电动机稳速控制。

　　■⑥将速度调整电阻器VR1的阻值调至最下端→■⑦15V直流电压经过VR1和200KΩ电阻器串联电路后送入NE555的2脚→■⑧此时NE555芯片内部电路控制3脚输出的脉冲信号宽度最小,直流电动机的转速达到最低。

　　■⑨将速度调整电阻器VR1的阻值调至最上端→■⑩→15V直流电压侧只经过200KΩ的电阻器后送入NE555芯片的2脚→■11→NE555芯片内部电路控制3脚输出的脉冲宽度最大,直流电动机转速达到最高。→■12→若需要直液电动机停机时,只需将电源总开关的关闭

　　通过PWM信号驱动直流电机，改变PWM的点空比就可以调控直流电机的转速了

　　如果直流电机只有一个转向，使用三极管或者MOS管驱动就可以了

　　需要根据直流电机的功率选择合适的三极管或者是MOS管，PWM信号的占空比越大，转速就越高了。

　　如果调速的同时还需要控制直流电机的正转和反转，可以搭建一个H桥驱动电路来驱动直流电机

　　正转控制：

　　反转控制：

　　停转:

　　AN1用于过流检测

　　如果你觉得用分立元件搭H桥电路比较麻烦，可以直接用直流电机驱动IC，如TI的DRV8871，使用直流电机驱动IC的可靠性会高很多，会自带过流保护，过热保护，欠压保护等。

　　对于普通的直流电机，只要在电机的两根线上接上电源电机就转动，导线反接后，电机就发转。如果，电机两端的电压为额定电压，则电机满速运转，如果电压为额定电压的一半，则电机以一般的速度运转。所以电机调速的手段就是更变电机两端的电压，而通常的做法就是通过PWM来实现电机调速。

　　所谓PWM就是脉冲宽度调制，对于方波而言，一个完整的周期是由高电平脉冲和低电平脉冲所构成的，高电平所占周期的比例就是占空比。占空比越大的话，那么波形的平均电压越大；占空比越小，波形的平均电压也就越小。所以，如果把PWM信号接在电机的控制端，则通过改变占空比，则实现了电机两端电压的调节，由此实现了电机转速的调节。两个极端的例子：如果占空比为100%，则电压最大；如果占空比为0，则电压为0。如下图所示，方波占空比越大，则对应正弦波的幅值越大，占空比越小，则对应正弦波的幅值越小。这就是正弦波驱动电机的原理。

　　只控制电机一个方向的调速时，可以通过如下的电路模型来实现。在选型时需要根据电流大小、电压大小来合理选择三极管的型号。

　　在三极管的控制端，调节PWM的占空比可以实现调节电机两端电压的大小，从而实现了调速功能。对于左侧的NPN而言，占空比越大，那么电机转速越快；对于右侧的PNP三极管而言，如果占空比越小，则电机转速越大。

　　为了控制电机的正转和反转，可以设计一个H桥驱动电路来实现电机正转和反转，并实现调速，电机正转调速的电路原理图如下图所示。

　　上图中，C端为低电平、B端为高电平，则三极管Q2和Q3截止。D端为低电平，A端为PWM信号，则电机实现正转，并且PWM信号的占空比越大，电机转速越快。实现了电机的正转调速。电流方向如图中黄色箭头所示。

　　上边实现了电机的正转，只需要让相对位置的三极管导通即可实现电机的反转，反转电路如下图所示。

　　A端为低电平，D为高电平，则三极管Q1和Q4截止。B端低电平，C端为PWM则电机反转，电流方向如图中的黄色箭头所示，调节PWM的占空比可以实现反转调速，占空比越大，则转速越快；占空比越小，则转速越慢。

　　上面介绍的是电机调速的原理，电路是通过分立元器件来搭建的，细心的朋友可能会发现，如果桥臂的上下管同时导通则会导致管子电流过大从而烧坏管子，其实这就是死区控制。对于分立元器件而言，死区不好控制，并且元器件占用空间较大，这就是分立元器件搭建控制电路的缺点。目前有很多电机驱动专用IC，这类IC一般都有死区控制，并且占用较少的PCB空间，所以专用IC方案优势更加明显。

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　　直流电机其实只有正转、反转、停止、制动四个状态，调速的实现其实就是通过适当的安排这几个状态的运转时间。

　　目前最常用的方法就是通过PWM来调节直流电机的速度，下面我们先看看驱动电路是什么样子的。

　　上图是使用Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管组成的H桥，通过控制三极管的通断实现不同的电流方向，从而达到电机正反转。当IN1=1，IN2=0时，电机正转；当IN1=0，IN2=1时，电机反转。

　　调速：输入信号为PWM波即可，通过改变占空比实现调速。

　　直流电机调速，往往说的是他励有刷直流电机调速，根据直流电机的转速方程，转速n=(电枢电压U-电压电流Ia*内阻Ra)÷（常数Ce*气隙磁通Φ），因为电枢的内阻Ra非常小，所以电压电流Ia*内阻Ra≈0，这样转速n=(电枢电压U)÷（常数Ce*气隙磁通Φ），只要在气隙磁通Φ恒定下调整电枢电压U，就可以调整直流电机的转速n；或者在电枢电压U恒定下调整气隙磁通Φ，同样可以调整电机的转速n，前者叫恒转矩调速，后者称之为恒功率调速，请关注：机电猫

　　恒转矩模式下，要先保持气隙磁通Φ恒定，直流电机的定子和转子磁场是正交状态的，互相没有影响。要保持Φ恒定，只要保证励磁线圈的电流稳定在一个值就可以了。理论上给一个恒流源来控制励磁线圈的电流是比较完美的，但是因为电流源不好找，而一般给励磁线圈施加一个稳定的电压值，也可以近似让励磁电流稳定，进而让气隙磁通Φ恒定。如果是永磁直流电机，用永磁铁来替代了励磁线圈，磁通是永久恒定的，所以不用操这个心了。

　　简单的调整电压，并不能满足负载波动比较厉害的场合，所以引进了串级调速系统，通过检测电机的电流和转速，分别弄出电流环内环和速度环外环了，使用PID算法，有效的满足了负载波动状况下的调速，让直流电机的调速工作特性非常“硬”，也就是最大转矩不会受到转速的波动而变化，实现了真正的恒扭矩输出。这种调速方式，一直是交流调速系统的模仿对方，比如变频器矢量控制，就是模仿这种方式而实现的。如果只用电流环内环，还可以直接控制电机输出一定的扭矩，满足不同的拉伸和卷曲等控制要求。

　　电枢电压控制，在晶闸管和IGBT这些没有被发明前，控制起来也不是容易的事情了，毕竟功率比较大，早期是通过一台发电机直流发电来控制的，通过调整发电机的磁通就可以控制发电机的输出电压，进而调整了电枢电压大小的。

　　在晶闸管可控硅被发明出来以后，通过给可控硅施加交流输入电压，利用移相触发技术控制可控硅的导通角，就可以把交流电整流成一定脉动的直流电，因为直流电机是大感性负载，脉动直流电会被大电感缓冲稳定下来。这个直流电的电压是可以调整的，和可控硅的导通角成一定的比例关系。这种调速技术是非常成熟可靠的，在上个世纪中后期得到了广泛的工业应用。

　　另外场效应管和IGBT之类的器件出现以后，直流电机调速还可以做得更加精密了，可以利用PWM斩波技术，让输出的直流电压非常稳定，这样直流电机的转速波动非常小，如果让电机的转子变长点，转动惯量变小了，外加了位置环进去，还可以实现精确的定位控制，这个就是所谓的直流伺服系统了。

　　就是所谓的弱磁调速，这种调速方式，本质是恒转矩调速方式的一种补充，主要是有些场合，需要比较宽的调速范围，比如有些龙门床，需要电机加工时候进刀非常慢，扭矩要很高；而退回来时候扭矩很轻看是要跑非常快，这时候进刀时候用恒转矩调速模式，而退回来时候用弱磁调速方式，这时候电机的最大功率是不变的。

　　也有些电动车，低速上坡时候要跑很慢，需要很大扭力，而平路阻力小又想跑非常快，这时候也需要用到恒功率调速，类似于机械变档或者调减速比的方式来调速。一般弱磁调速，是不适合于永磁电机的，因此磁通Φ无法单独控制。

　　要弱磁，就是直接减少气隙磁通Φ的大小，这时候可以降低励磁线圈的电流，一般也会在励磁线圈使用可控硅或者场效应管这些来做一个PI调整回来输出一个电流源来实现。

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