一、什么是直流電機(jī)?

直流電機(jī)是一種重要的電機(jī)類型，它能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能和機(jī)械能之間的互相轉(zhuǎn)換。具體來說，當(dāng)直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，它可以將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備或機(jī)械運(yùn)動(dòng);而當(dāng)它作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，則可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，為設(shè)備提供電力。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子部分包括主磁極、換向極、端蓋和電刷裝置等，主要作用是產(chǎn)生磁場;而轉(zhuǎn)子部分則包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

直流電機(jī)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)包括轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、易于控制等。以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：

工業(yè)生產(chǎn)：直流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，例如機(jī)床、風(fēng)機(jī)、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(jī)械等設(shè)備中常采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。

交通運(yùn)輸：在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，直流電機(jī)也有廣泛應(yīng)用，如電動(dòng)車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等交通工具都采用了直流電機(jī)作為動(dòng)力源。此外，在鐵路、地鐵、電車等運(yùn)輸工具中，直流電機(jī)也被用于控制車速、啟動(dòng)和制動(dòng)。

醫(yī)療設(shè)備：直流電機(jī)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，如手術(shù)室、病房、診斷設(shè)備等。由于其轉(zhuǎn)速可調(diào)、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低等特點(diǎn)，直流電機(jī)能夠滿足醫(yī)療設(shè)備對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高要求。

家用電器：直流電機(jī)在家用電器領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如洗衣機(jī)、冰箱、風(fēng)扇、家庭電視、空調(diào)、吸塵器等。直流電機(jī)的高效率、低噪音和長壽命等優(yōu)點(diǎn)使得其成為家用電器領(lǐng)域的理想選擇。

總的來說，直流電機(jī)以其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。

二、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類，有他勵(lì)和自勵(lì)兩種。他勵(lì)指勵(lì)磁與電樞回路在電氣上相獨(dú)立，自勵(lì)則兩者有直接的電氣聯(lián)系。自勵(lì)多應(yīng)用于小功率電機(jī)，而他勵(lì)方式則多應(yīng)用于中、大功率電機(jī)。自勵(lì)的勵(lì)磁方式又包括：并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)等，其中復(fù)勵(lì)又有積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)之分。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式如下圖所示：

上圖中，Ia為電樞電流，Ea為電樞反電勢(shì);Ff為他勵(lì)和并勵(lì)方式下勵(lì)磁電流;Fs為串勵(lì)各復(fù)勵(lì)方式下的串勵(lì)電流。

圖(a)為他勵(lì)方式，勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，用外加電流進(jìn)行勵(lì)磁。其它為自勵(lì)方式，與電樞繞組共用電源勵(lì)磁。其中(b1)為并勵(lì)方式，勵(lì)磁繞組與電樞繞組共用同一直流電源，并且勵(lì)磁繞組與電樞繞組呈并聯(lián)關(guān)系。在性能上講，他勵(lì)與并勵(lì)電機(jī)性能接近，具有較硬的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小，磁通為一常值，轉(zhuǎn)矩隨電樞電流成正比變化。但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于串勵(lì)電機(jī)，適用于轉(zhuǎn)速要求穩(wěn)定，而對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o特別要求的負(fù)載。

圖(b2)為串勵(lì)方式。勵(lì)磁線圈與電樞線圈相串聯(lián)并共用電源，勵(lì)磁電流即為電樞電流。串勵(lì)直流電機(jī)具有軟的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的輕重變化較大，轉(zhuǎn)矩近乎與電樞電流的平方成正比。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較他勵(lì)、并勵(lì)直流電機(jī)大，適用于要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特別大，而對(duì)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定無要求的負(fù)載。

圖(b3a)、(b3b)為復(fù)勵(lì)方式，復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有復(fù)勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵(lì)繞組，一為與電樞串聯(lián)的串勵(lì)繞組。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若相反，稱為差復(fù)勵(lì)。復(fù)勵(lì)直流電機(jī)具有并勵(lì)和串勵(lì)電機(jī)的“折中或復(fù)合”特點(diǎn)，其特性介于并勵(lì)和復(fù)勵(lì)電機(jī)之間。

三、直流電機(jī)電路原理圖

1、直流電機(jī)速度控制電路原理圖

使用定時(shí)器 IC 555和 MOSFET IRF 540 的簡單電路用于直流電機(jī)速度控制，一些直流電機(jī)的RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))不適合控制直流電機(jī)速度的項(xiàng)目，可以使用這個(gè)簡單電路。

如果您使用微控制器，則意味著您可以通過微控制器 GPIO 引腳偏置該定時(shí)器 IC，然后您可以通過改變 VR1 電阻來控制電機(jī)速度。

直流偏壓12伏直接饋入直流電機(jī)并經(jīng)R1電阻限制后施加到定時(shí)器IC 555，控制電壓引腳5不與任何元件連接，定時(shí)元件VR1、C2連接在引腳7和閾值之間，觸發(fā)引腳，輸出從引腳 3 取出并與 MOSFET 的柵極端子連接。二極管 D1 保護(hù)電機(jī)免受反電動(dòng)勢(shì)影響。

當(dāng)我們給這個(gè)電路供電時(shí)，定時(shí)器IC根據(jù)VR1和c2元件在引腳3產(chǎn)生定時(shí)脈沖，該定時(shí)脈沖控制MOSFET，從而控制通過MOSFET連接的電機(jī)，IC 555輸出的脈沖控制直流電機(jī)速度，通過改變脈沖持續(xù)時(shí)間我們可以控制直流電機(jī)的速度。

2、H橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)電路原理圖

H橋是驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)比較常用的一種的電路，由于它的電路形狀看上去類似字母H,故得名叫“H橋”。它是由4個(gè)三級(jí)管或4個(gè)MOS管組成垂直的4條腿，而直流電機(jī)就是“H”中間的一橫;可以看到下圖，就是一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)電路。

我們現(xiàn)在來分析下，上圖的H橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的工作原理：

首先如果想電機(jī)正轉(zhuǎn)，對(duì)角：Q24，PNP三級(jí)管給低電平導(dǎo)通后，直流電機(jī)正極供電，Q25，NPN三級(jí)管給高電平導(dǎo)通，直流電機(jī)負(fù)極端接地，同時(shí)Q20，PNP三極管給高電平截止，Q19,NPN三極管給低電平截止，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

如果想電機(jī)反轉(zhuǎn)，對(duì)角：Q20，PNP三級(jí)管給低電平導(dǎo)通后，直流電機(jī)負(fù)極供電，Q19，NPN三級(jí)管給高電平導(dǎo)通，直流電機(jī)正極端接地，同時(shí)Q24，PNP三極管給高電平截止，Q25,NPN三極管給低電平截止，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

可以看到每個(gè)三級(jí)管集電極和發(fā)射極都并了二極管，此二極管作用是：吸收直流電機(jī)自感電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)開關(guān)三級(jí)管。

需要注意的是：4個(gè)三級(jí)管不能出現(xiàn)同時(shí)工作在導(dǎo)通狀態(tài)，否則電路會(huì)短路燒壞電路。也就是在切換電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，要留有一定的死區(qū)時(shí)間。