随着迫在眉睫的新能源需求，电车的普及是大势所趋。我们知道，就起步速度而言，大部分电车都可以碾压传统引擎的汽油车。传统车辆采用的是内燃机加机械变速箱的结构，而电车的马达转速则直接由电流控制，因此车轮转速和电功率成正比例关系。电车的“油门”可以用来改变作用于马达的电功率，进而实现电能与动能的迅速转换。所以接下来几篇文章我们就来从基本的原理上讲一下直流电机的电路控制方法。

那么马达是如何实现转速调节的呢？最直接的办法就是通过PWM。PWM的全称是Pulse Width Modulation，通常翻译为脉冲宽度调制。那么如何通过实验的方法实现通过PWM控制DC马达转速呢？

1. 搭建一个简单的三极管电路

图1是一个非常基本的三极管直流马达驱动电路。由于马达的功率级别在电子电路中是较高的，而PWM信号本身不具备带载能力，因此无法直接驱动马达。通常我们可以搭建一个三极管驱动电路实现用小信号控制来大功率器件。

图1

三极管的基本工作原理并不复杂。我们可以把它理解为一个水箱，C端的水压高，E端的水压低，而B端则相当于一个小阀门。阀门一打开水流就可以从高压端的C流入低压端的E。然后我们把上述文字中的“水”换成“电”，就可以形象地描述三极管的电路工作原理了。

图2

2. 将PWM信号接入马达驱动电路

接下来就是给电路注入“仙气儿”的时候了。首先，我们要给电路供电。图3中我们将MEGO调至5V，并确保电源的正负极与电路的正负极匹配。而PWM信号我们可以直接用我们的口袋硬件调试助手（梅林雀）生成。梅林雀有3个电源端口(+5V, -5V, +3.3V)和5个信号端口(PWM, WAV, DC, CH1, CH2)。其中CH1和CH2是输入端口，具有示波器功能用于测量波形；PWM, WAV和DC都是输出端口，可以作为信号发生器使用。

图3

3. 搭建实验

将PWM信号频率调至1kHz，高电平为3.3V。电源的电压调至5V。本实验中使用的马达是小时候玩迷你四驱车的直流马达，额定电流约为3V。

4. 实验原理

结合实验现象之后，我们再来学习该电路的工作原理，因此着重对电路中的电压，电流和功率展开分析。

计算电压：通常求解三极管电路时，我们可以先假设它处于导通状态。在导通状态下，三极管因其内部的P-N结半导体特殊结构，使得B点（Base，中文术语叫：基极）的电压比E点（Emitter，中文术语叫：射极）电压高0.7V左右。图4中请参考红色部分。由于E点电压为0V（接地），所以B点电压约为0.7V。以50%的占空比为例，那么输入端PWM的等效电压为2.5V。另一个重要的电压节点是C点（Collector，中文术语：集极），如果我们不知道马达的内阻，就无法直接计算。但是我们可以在实验中直接测量VC的电压。

图4

计算电流：图4中的蓝色部分标出了电路方向。通过欧姆定律，我们可以很容易得算出IB，也就是基极电流。IB相当于打开三极管阀门的电流，这个电流通常在mA或者uA级。而真正用于驱动马达的电流是IC，集极电流。IC和IB电流之间的倍数称之为DC电流增益，常记作β。不过在上图的公式中我们用hFE表示，原因是大部分三极管的数据手册中都是这么叫的。图5中我们截取了2N2222A三极管的数据手册，可以看出hFE通常可以产生几十倍甚至几百倍的直流电流增益。

图5

功率分析：本电路的功率分析主要有三部分：马达功率，三极管功率和电源的功率。根据瓦特定律，功率等于该器件的压降与电流的乘积。马达的功率越大则对应更高的转速，而如果希望改变马达的功率，只需要调节PWM的占空比即可轻松实现。另外需要注意的是，三极管如果没有做散热处理的话，表面温度会很高，请避免直接触碰。

图6

5. 自己动手

了解了工作原理，搭建好了电路实验，接下来就是自己动手玩转的时候了。对物理世界最深刻的理解永远是建立在亲手操作的真实体验上的。这里我们给出大家几个方向，同学们可以试着通过动手自己给出答案。

·        保持占空比相同的情况下，观察马达对不同PWM信号频率的响应，如10Hz、100Hz、10KHz、100KHz等。可测量Vc的波形。

·        绘制使用马达的伏安特性曲线，并分析直流马达的内阻特性。

·        观察Vc的电压波形，尤其是在PWM脉冲上升或下降边沿时刻所对应的Vc波形。

·        增大或减小R1的阻值，并观察马达转速是否改变