PWM是如何调节直流电机转速的？电机正反转的原理又是怎样的？

电机是重要的执行机构，可以将电能转化为机械能，从而驱动被控设备的转动或者移动，在我们的生活中应用非常广泛。例如，应用在电动工具、电动平衡车、电动园林工具、儿童玩具中。直流电机的实物图如下图所示。

1-直流电机实物图

对于普通的直流电机，在其两个电极上接上合适的直流电源后，电机就可以满速转动，电源反接后，电机就反向转动。但是在实际应用中，我们需要电机工作在不同的转速下，该如何操作呢？

1 直流电机的调速原理

我们可以做这样的实验，以24V直流电机为例，在电机两端接上24V的直流电源，电机会以满速转动，如果将24V电压降至2/3即16V，那么电机就会以满速的2/3转速运转。由此可知，想要调节电机的转速，只需要控制电机两端的电压即可。

以三极管作为驱动器件驱动小功率的电机，其电路原理图如下图所示。电机作为负载接在三极管的集电极上，基极由单片机控制。

2-直流电机调速原理图

当单片机输出高电平时，三极管导通，使得电机得电，从而满速运行；当单片机输出低电平时，三极管截止，电机两端没有电压，电机停止转动。那如何使电机两端的电压发生变化，进而控制电机的转速呢？

只要单片机输出占空比可调的方波，即PWM信号即可控制电机两端的电压发生变化，从而实现电机转速的控制。

2 PWM信号调速的原理

所谓PWM，就是脉冲宽度调制技术，其具有两个很重要的参数：频率和占空比。频率，就是周期的倒数；占空比，就是高电平在一个周期内所占的比例。PWM方波的示意图如下图所示。

3-PWM的基本参数

在上图中，频率F的值为1/(T1+T2)，占空比D的值为T1/(T1+T2)。通过改变单位时间内脉冲的个数可以实现调频；通过改变占空比可以实现调压。占空比越大，所得到的平均电压也就越大，幅值也就越大；占空比越小，所得到的平均电压也就越小，幅值也就越小。动图演示如图4所示。

4-PWM调压演示

通过以上原理就可以知道，只要改变PWM信号的占空比，就可以改变直流电机两端的平均电压，从而实现直流电机的调速。

前文说过，改变电机两端的电源极性可以改变电机的转速，那么电路如何实现电机的正反转调速呢？这需要通过H桥电路来实现。H桥的电路原理如下图所示。

5-H桥驱动电机电路

H桥电路由四个功率电子开关构成，可以是晶体管也可以是MOS管。电子开关两两构成桥臂，在同一时刻只要对角的两个电子开关导通，另外两个截止，且每个桥臂的上下管不能同时导通。通过这个电路就可以实现电机的正反转调速。

3 PWM如何实现电机的正转调速

要实现电机的正转只需要做如下设置即可：

A控制端：高电平，控制三极管Q4导通；

B控制端：高电平，控制三极管Q3截止；

C控制端：低电平，控制三极管Q1导通；

D控制端：低电平，控制三极管Q2截止；

通过以上操作，即实现三极管Q2和Q3截止，三极管Q1和Q4导通，电流的流向如下：

VCC→Q1→电机→Q4→GND，实现了电机的正转。

6-H桥驱动电机正转调速电路

在这种情况下要实现电机转速的调节，只需要给Q4的基极加载PWM信号即可。

4 PWM如何实现电机的反转调速

要实现电机的反转只需要做如下设置即可：

A控制端：低电平，控制三极管Q4截止；

B控制端：低电平，控制三极管Q3导通；

C控制端：高电平，控制三极管Q1截止；

D控制端：高电平，控制三极管Q2导通；

通过以上操作，即实现三极管Q1和Q4截止，三极管Q2和Q3导通，电流的流向如下：

VCC→Q3→电机→Q2→GND，实现了电机的反转。

7-H桥驱动电机反转调速电路

在这种情况下要实现电机转速的调节，只需要给Q2的基极加载PWM信号即可。

5 电机专用驱动IC和分离元器件电路的对比

目前有很多电机专用驱动IC，体积小、控制简单，比用分离元器件所搭建的电路占有更大的优势。

专用IC优势之一：死区控制更容易

使用分离元器件时，必须要严格控制死区时间，也就是绝对不能让每个桥臂上的电子开关同时导通，这样容易导致电源短路，电流过大把两个电子开关烧坏。而专用的驱动IC都有死区控制，比分离元器件电路更安全。

8-电机专用驱动IC

专用IC优势之二：器件体积更小

分离元器件所搭建的驱动电路，所使用的元器件数目较多，体积较大。而专用驱动IC只需要一颗芯片即可，大大减小了体积、节省了PCB空间，使电路调试更容易。