一、什么是直流電機？

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

直流電機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)換為直流電能的設(shè)備。當(dāng)直流電機作為電動機運行時，它將電能轉(zhuǎn)換為機械能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動設(shè)備工作；當(dāng)直流電機作為發(fā)電機運行時，它將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出直流電以供其他設(shè)備使用。

直流電機按勵磁方式可分為永磁、他勵和自勵三類。其中，永磁直流電機的勵磁由永久磁鐵提供，他勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源供電；自勵直流電機則根據(jù)勵磁繞組與電樞繞組的聯(lián)接方式分為并勵、串勵和復(fù)勵三種。

直流電機的工作原理基于電磁感應(yīng)定律和左手定則。當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時，電樞表面的導(dǎo)體將流過電流，并在磁場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)子軸上輸出的機械能。

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

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

二、簡單低壓直流電機速度控制電路圖

現(xiàn)在，無數(shù)的應(yīng)用都使用直流電機，為了驅(qū)動直流電機并控制旋轉(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單低壓直流電機速度控制電路，使用少量容易獲得的組件而設(shè)計，無需微控制器。這些電路將充當(dāng)獨立的速度控制電路。您可以通過改變輸入電壓來控制有刷直流電機的速度。當(dāng)我們施加較低的電壓時，我們可以減慢電機的速度（低轉(zhuǎn)速），而施加較高的電壓時，電機會獲得高速（高轉(zhuǎn)速）。對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)計用于驅(qū)動低電壓和低功率有刷直流電機。請記住，電機的最小和最大轉(zhuǎn)速是固定的，可以通過使用齒輪來增加或減少。

1、使用MOSFET的直流電機調(diào)速電路

IRF540 功率MOSFET VI 特性用于控制直流電機的速度，電機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) 的電流會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致直流電機的電壓水平發(fā)生變化。直流電機的速度也會發(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 的低壓直流電機速度控制電路

TDA 7274是 STMicroElectronics 的低壓直流電機速度控制器集成電路。該IC具有內(nèi)部電壓比較器和三個晶體管輸出級。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。直流電機負(fù)極引腳連接到TDA 7274 的輸出引腳，通過調(diào)整 RV1 電阻，我們可以改變輸出（接地電平）電壓，從而控制直流電機的速度。

“該 IC 用于控制復(fù)古卡帶播放器中電機的速度，現(xiàn)在這是一個過時的產(chǎn)品”不推薦用于新設(shè)計。

3、使用 IC 555 的直流電機速度控制電路

在該電路中，定時器 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關(guān)速度元件IRF540 MOSFET。直流電機連接在 IRF540 的正極電源和漏極端子之間。定時器IC 555通過使用定時元件VR1和C2來振蕩方波脈沖。輸出脈沖驅(qū)動 MOSFET 并改變其開和關(guān)條件，因此電機獲得離散電源，如循環(huán)踏板，電機速度取決于脈沖開時間和關(guān)時間。通過改變 VR1 值，我們可以改變輸出脈沖以及直流電機速度。

4、直流電機調(diào)速 PWM 電路

在該電路中，定時器IC 555用于產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號和L293D四路高電流半H驅(qū)動器來控制直流電機的速度和旋轉(zhuǎn)方向。

定時器 IC 555 引腳分配和模塊

我們知道這款定時器IC 555有兩個比較器、一個觸發(fā)器、一個輸出級驅(qū)動器和三個電阻(5KΩ)分壓器。

5、使用 MOSFET 的直流電機速度控制電路

其主要目的是設(shè)計一種用 MOSFET控制直流電機速度的電路。 MOSFET 是晶體管的一種，用于放大或開關(guān)電路內(nèi)的電壓。該電路中使用的 MOSFET 類型是增強型 MOSFET，僅工作在增強模式下。這意味著當(dāng)柵極端沒有電壓提供時，該晶體管將關(guān)閉；而當(dāng)提供電壓時，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的開關(guān)。

直流電機用于機器人、電器、玩具等不同的應(yīng)用。因此，在許多直流電機應(yīng)用中，電機速度和方向控制至關(guān)重要。在這里，我們將解釋如何設(shè)計一個帶有 MOSFET 的簡單直流電機控制器。

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

該直流電機調(diào)速器與IRF540N EMOSFET的連接如下：

采用 MOSFET 的直流電機速度控制

IRF540 E-MOSFET的柵極端子連接到電位器，源極端子連接到電機的正極線，MOSFET的漏極端子通過開關(guān)連接到電池的正極端子。

電機負(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通過電機負(fù)極線連接電池負(fù)極，VCC引腳通過MOSFET漏極端連接電池正極并切換。

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

這里，設(shè)計了基于IRF540N MOSFET的直流電機控制器電路來控制電機的速度。該電路使用 MOSFET 和電位器設(shè)計非常簡單。我們可以通過簡單地控制 MOSFET 柵極端子上的施加電壓來控制電機速度。

6、使用 LM3578 IC 的直流電機速度控制電路

與交流電機不同，直流電機非常易于使用，因為它們的速度可以輕松改變。那么，這在實踐中是如何實現(xiàn)的呢？直流電機通過兩個磁場之間的反應(yīng)產(chǎn)生扭矩：一個磁場由固定“場”繞組（線圈）建立，另一個磁場由旋轉(zhuǎn)電樞中的繞組建立。一些直流電機沒有勵磁繞組，而是用大型永磁體代替，以便靜態(tài)磁場在所有運行條件下都是恒定的。

無論如何，直流電動機的工作原理是，當(dāng)前通過電樞的電流會產(chǎn)生一個試圖與固定磁場對齊的磁場。這導(dǎo)致電樞旋轉(zhuǎn)。該直流電機速度控制電路采用 IC LM3578 開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計，可用于 DC 到 DC 電壓轉(zhuǎn)換，例如降壓、升壓和逆變應(yīng)用。

正如我們在電路中看到的，直流電機連接到直流電源和輸出驅(qū)動器 IRF 540 MOSFET。這里放置一個二極管 D1 以提供反電動勢保護(hù)。 LM3578 引腳 5 的進(jìn)一步輸出信號饋送到 MOSFET 的柵極端子，驅(qū)動 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。 我們可以通過改變 VR1 來改變直流電機的速度。