隨著迫在眉睫的新能源需求，電車的普及是大勢所趨。我們知道，就起步速度而言，大部分電車都可以碾壓傳統(tǒng)引擎的汽油車。傳統(tǒng)車輛采用的是內(nèi)燃機加機械變速箱的結(jié)構(gòu)，而電車的馬達轉(zhuǎn)速則直接由電流控制，因此車輪轉(zhuǎn)速和電功率成正比例關(guān)系。電車的“油門”可以用來改變作用于馬達的電功率，進而實現(xiàn)電能與動能的迅速轉(zhuǎn)換。所以接下來幾篇文章我們就來從基本的原理上講一下直流電機的電路控制方法。

那么馬達是如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的呢？最直接的辦法就是通過PWM。PWM的全稱是Pulse Width Modulation，通常翻譯為脈沖寬度調(diào)制。那么如何通過實驗的方法實現(xiàn)通過PWM控制DC馬達轉(zhuǎn)速呢？

1. 搭建一個簡單的三極管電路

圖1是一個非常基本的三極管直流馬達驅(qū)動電路。由于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(qū)動馬達。通常我們可以搭建一個三極管驅(qū)動電路實現(xiàn)用小信號控制來大功率器件。

圖1

三極管的基本工作原理并不復雜。我們可以把它理解為一個水箱，C端的水壓高，E端的水壓低，而B端則相當于一個小閥門。閥門一打開水流就可以從高壓端的C流入低壓端的E。然后我們把上述文字中的“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(qū)動電路

接下來就是給電路注入“仙氣兒”的時候了。首先，我們要給電路供電。圖3中我們將MEGO調(diào)至5V，并確保電源的正負極與電路的正負極匹配。而PWM信號我們可以直接用我們的口袋硬件調(diào)試助手（梅林雀）生成。梅林雀有3個電源端口(+5V, -5V, +3.3V)和5個信號端口(PWM, WAV, DC, CH1, CH2)。其中CH1和CH2是輸入端口，具有示波器功能用于測量波形；PWM, WAV和DC都是輸出端口，可以作為信號發(fā)生器使用。

圖3

3. 搭建實驗

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

4. 實驗原理

結(jié)合實驗現(xiàn)象之后，我們再來學習該電路的工作原理，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，我們可以先假設它處于導通狀態(tài)。在導通狀態(tài)下，三極管因其內(nèi)部的P-N結(jié)半導體特殊結(jié)構(gòu)，使得B點（Base，中文術(shù)語叫：基極）的電壓比E點（Emitter，中文術(shù)語叫：射極）電壓高0.7V左右。圖4中請參考紅色部分。由于E點電壓為0V（接地），所以B點電壓約為0.7V。以50%的占空比為例，那么輸入端PWM的等效電壓為2.5V。另一個重要的電壓節(jié)點是C點（Collector，中文術(shù)語：集極），如果我們不知道馬達的內(nèi)阻，就無法直接計算。但是我們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，我們可以很容易得算出IB，也就是基極電流。IB相當于打開三極管閥門的電流，這個電流通常在mA或者uA級。而真正用于驅(qū)動馬達的電流是IC，集極電流。IC和IB電流之間的倍數(shù)稱之為DC電流增益，常記作β。不過在上圖的公式中我們用hFE表示，原因是大部分三極管的數(shù)據(jù)手冊中都是這么叫的。圖5中我們截取了2N2222A三極管的數(shù)據(jù)手冊，可以看出hFE通常可以產(chǎn)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(jù)瓦特定律，功率等于該器件的壓降與電流的乘積。馬達的功率越大則對應更高的轉(zhuǎn)速，而如果希望改變馬達的功率，只需要調(diào)節(jié)PWM的占空比即可輕松實現(xiàn)。另外需要注意的是，三極管如果沒有做散熱處理的話，表面溫度會很高，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(zhuǎn)的時候了。對物理世界最深刻的理解永遠是建立在親手操作的真實體驗上的。這里我們給出大家?guī)讉�方向，同學們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。

·        繪制使用馬達的伏安特性曲線，并分析直流馬達的內(nèi)阻特性。

·        觀察Vc的電壓波形，尤其是在PWM脈沖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，并觀察馬達轉(zhuǎn)速是否改變