直流電動機是連續(xù)的執(zhí)行器，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能。直流電動機通過產(chǎn)生連續(xù)的角旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)此目的，該角旋轉(zhuǎn)可用于旋轉(zhuǎn)泵、風(fēng)扇、壓縮機、車輪等。
與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)直流電動機一樣，也可以使用線性電動機，它們能夠產(chǎn)生連續(xù)的襯套運動。基本上有三種類型的常規(guī)電動機可用：AC型電動機，DC型電動機和步進電動機。
交流電動機通常用于高功率的單相或多相工業(yè)應(yīng)用中，需要恒定的旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來控制大負載，例如風(fēng)扇或泵。
我們僅介紹簡單的輕型直流電動機和步進電動機，這些電動機用于許多不同類型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機器人類型的電路中。
基本直流電動機是用于產(chǎn)生連續(xù)運動和旋轉(zhuǎn)，其速度可以容易地控制，從而使它們適合于應(yīng)用中，是速度控制、伺服控制類型的最常用的致動器。直流電動機由兩部分組成，“定子”是固定部分，而“轉(zhuǎn)子”是旋轉(zhuǎn)部分。
有刷電機—這種類型的電機通過使電流流經(jīng)換向器和碳刷組件，而在繞線轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)的零件）中產(chǎn)生磁場，因此稱為“有刷”。定子（靜止部分）的磁場是通過使用繞制的定子勵磁繞組或永磁體產(chǎn)生的。通常，有刷直流電動機便宜，體積小且易于控制。
無刷電動機—這種電動機通過使用附著在其上的永磁體在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場，并通過電子方式實現(xiàn)換向。它們通常比常規(guī)的有刷型直流電動機更小，但價格更高，因為它們在定子中使用“霍爾效應(yīng)”開關(guān)來產(chǎn)生所需的定子磁場旋轉(zhuǎn)順序，但是它們具有更好的轉(zhuǎn)矩/速度特性，效率更高且使用壽命更長。
伺服電動機—這種電動機基本上是一種有刷直流電動機，帶有某種形式的位置反饋控制連接到轉(zhuǎn)子軸。它們連接到PWM型控制器，并由其控制，主要用于位置控制系統(tǒng)和無線電控制模型。
普通的直流電動機具有幾乎線性的特性，其旋轉(zhuǎn)速度取決于所施加的直流電壓，輸出轉(zhuǎn)矩則取決于流經(jīng)電動機繞組的電流。任何直流電動機的旋轉(zhuǎn)速度可以從每分鐘幾轉(zhuǎn)（rpm）到每分鐘幾千轉(zhuǎn)不等，從而使其適用于電子，汽車或機器人應(yīng)用。通過將它們連接到變速箱或齒輪系，可以降低它們的輸出速度，同時又可以提高電動機的高速轉(zhuǎn)矩輸出。
有刷直流電動機—傳統(tǒng)的有刷直流電動機基本上由兩部分組成，電動機的靜止主體稱為定子，而內(nèi)部旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運動稱為直流電動機的轉(zhuǎn)子或“電樞”。
電機繞制定子是一個電磁電路，由圓形連接在一起的電線圈組成，以產(chǎn)生所需的北極，南極，然后是北極等類型的旋轉(zhuǎn)固定磁場系統(tǒng)，這與交流電機不同。定子磁場以施加的頻率連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在這些勵磁線圈中流動的電流稱為電動機勵磁電流。
這些形成定子磁場的電磁線圈可以與電動機電樞串聯(lián)，并聯(lián)或同時電連接在一起。串聯(lián)繞制直流電動機的定子勵磁繞組與電樞串聯(lián)連接。同樣，并聯(lián)繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞并聯(lián)。
串聯(lián)和并聯(lián)直流電動機
直流電機的轉(zhuǎn)子或電樞由載流導(dǎo)體組成，載流導(dǎo)體的一端連接到稱為換向器的電隔離銅段。換向器允許在電樞旋轉(zhuǎn)時通過碳刷與外部電源進行電氣連接。轉(zhuǎn)子建立的磁場試圖使其自身與靜止的定子磁場對準，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子沿其軸線旋轉(zhuǎn)，但由于換向延遲而無法使其自身對準。電動機的轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子磁場的強度，施加在電動機上的電壓越大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快。通過改變施加的直流電壓，也可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。
常規(guī)（有刷）直流電動機
永磁有刷直流電動機通常比同等繞制定子型直流電動機表親小得多，并且便宜得多，因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流電動機中，這些勵磁線圈被具有很高磁場能量的強稀土磁體代替。
永磁體的使用使直流電動機的線性速度/轉(zhuǎn)矩特性比同等的繞線電動機好得多，這是因為其具有永久性的磁場（有時是非常強的磁場），使其更適合用于模型，機器人和伺服系統(tǒng)。
盡管有刷直流電動機非常高效且便宜，但與直流有刷電動機相關(guān)的問題是，在重載條件下，換向器和碳刷的兩個表面之間會產(chǎn)生火花，導(dǎo)致自發(fā)熱，短壽命以及由于火花產(chǎn)生的電噪聲，這會損壞任何半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點，開發(fā)了無刷直流電動機。
無刷直流電動機與永磁直流電動機非常相似，但是沒有任何電刷可更換或由于換向器火花而磨損。因此，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的熱量很少，從而延長了電動機的壽命。無刷電機的設(shè)計通過使用更復(fù)雜的驅(qū)動電路來消除對電刷的需求，因為轉(zhuǎn)子磁場是永久磁鐵，始終與定子磁場保持同步，從而可以實現(xiàn)更精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。
然后，無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)與交流電動機非常相似，因此成為真正的同步電動機，但缺點是，它比等效的有刷電動機設(shè)計貴。
無刷直流電動機的控制與普通的有刷直流電動機的控制方法有很大的不同，因為它與某些有刷直流電動機的控制方式相結(jié)合，可以檢測出產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)所需的反饋信號所需的轉(zhuǎn)子角位置。最常見的位置/極點傳感器是“霍爾效應(yīng)傳感器”，但是某些電動機也使用光學(xué)傳感器。
使用霍爾效應(yīng)傳感器，電磁鐵的極性由電動機控制驅(qū)動電路切換。然后，可以輕松地將電動機與數(shù)字時鐘信號同步，從而提供精確的速度控制。無刷直流電動機可構(gòu)造成具有外部永磁體轉(zhuǎn)子和內(nèi)部電磁定子，或內(nèi)部永磁體轉(zhuǎn)子和外部電磁定子。與有刷直流電動機相比，無刷直流電動機的優(yōu)點是效率更高，可靠性更高，電氣噪聲更低，速度控制良好，更重要的是，沒有電刷或換向器會產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)速。然而，它們的缺點是它們更昂貴并且控制更復(fù)雜。
直流伺服電動機用于閉環(huán)型應(yīng)用，將輸出電動機軸的位置反饋到電動機控制電路。典型的位置“反饋”設(shè)備，包括用于無線電控制模型的旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器和電位計。
伺服電動機通常包括用于減速的內(nèi)置齒輪箱，并且能夠直接傳遞高扭矩。由于安裝了變速箱和反饋裝置，因此伺服電動機的輸出軸不能像直流電動機的軸那樣自由旋轉(zhuǎn)。
直流伺服電機框
伺服電動機由直流電動機、減速齒輪箱、位置反饋裝置和某種形式的誤差校正組成。相對于施加到設(shè)備的位置輸入信號或參考信號來控制速度或位置。
RC伺服馬達
錯誤檢測放大器會查看此輸入信號，并將其與來自電機輸出軸的反饋信號進行比較，以確定電機輸出軸是否處于錯誤狀態(tài)，如果是，則控制器會進行適當(dāng)?shù)男Ｕ允闺姍C加速或減速它下來。對位置反饋設(shè)備的這種響應(yīng)，意味著伺服電機在“閉環(huán)系統(tǒng)”內(nèi)運行。
除大型工業(yè)應(yīng)用外，伺服電動機還用于小型遙控模型和機器人技術(shù)中，大多數(shù)伺服電動機都可以在兩個方向上旋轉(zhuǎn)大約180度，因此非常適合精確的角度定位。但是，除非特別修改，否則這些RC型伺服器無法像傳統(tǒng)的DC電動機一樣連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)。
伺服電動機由一個裝置中的多個裝置，電動機，變速箱，反饋裝置和用于控制位置，方向或速度的誤差校正組成。它們僅需使用電源、接地和信號控制三根導(dǎo)線即可輕松控制，因此廣泛用于機器人和小型模型。
直流電動機開關(guān)與控制小型直流電動機可以通過開關(guān)，繼電器，晶體管或MOSFET電路“接通”或“斷開”，最簡單的電動機控制形式是“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關(guān)，以通過單個電源控制電動機。
通過改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電動機的速度，例如，如果晶體管“半路”導(dǎo)通，則只有一半的電源電壓流向電動機。如果晶體管“完全導(dǎo)通，則所有電源電壓都流向電動機，并且旋轉(zhuǎn)速度更快。然后，對于這種線性控制類型，功率將不斷地傳遞到電動機。
電機速度控制
上面的簡單開關(guān)電路顯示了單向（僅一個方向）電動機速度控制電路的電路。由于直流電動機的轉(zhuǎn)速與兩端的電壓成正比，因此我們可以使用晶體管來調(diào)節(jié)該端電壓。
兩個晶體管作為達林頓對連接，以控制電動機的主電樞電流。甲5kΩ的電位器是用于基極驅(qū)動量控制到所述第一導(dǎo)頻晶體管TR1，這反過來又控制主開關(guān)晶體管，TR2允許馬達的DC電壓從零變化到Vcc，在本實施例9至12中伏特。
可選的飛輪二極管跨接在開關(guān)晶體管TR2和電機端子之間，以防止電機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電動勢。可調(diào)電位器可以用直接加到電路輸入端的連續(xù)邏輯“ 1”或邏輯“ 0”信號代替，以分別將電動機“全開”（飽和）或“全關(guān)”（切斷）從微控制器或PIC的端口。
除了基本的速度控制之外，還可以使用相同的電路來控制電動機的轉(zhuǎn)速。通過以足夠高的頻率反復(fù)切換電動機電流“ ON”和“ OFF”，可以通過改變其標記空間比來在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間改變電動機的速度。這可以通過改變“開啟”時間（t ON）與“關(guān)閉”時間（t OFF）的比例來實現(xiàn)，并且可以使用稱為脈沖寬度調(diào)制的過程來實現(xiàn)。
脈沖寬度、速度控制前面我們曾說過，直流電動機的轉(zhuǎn)速與其端子上的平均（平均）電壓值成正比，并且該值越高，直到達到最大允許電動機電壓，電動機旋轉(zhuǎn)的速度就越快。換句話說，電壓越高，速度越快。通過改變“開”（t ON）時間和“關(guān)”（t OFF）持續(xù)時間之間的比率，稱為“占空比”，“標記/間距比率”或“占空比”，可以得出電機電壓及其轉(zhuǎn)速可以改變。對于簡單的單極驅(qū)動器，占空比β為：饋入電動機的平均直流輸出電壓為：Vmean =βx Vsupply。然后，通過改變脈沖a的寬度，可以控制電動機電壓，從而可以控制施加到電動機的功率，這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制或PWM。
控制電動機轉(zhuǎn)速的另一種方法是在保持“開”和“關(guān)”占空比時間不變的情況下改變頻率（以及控制電壓的時間段）。這種控制稱為脈沖頻率調(diào)制或PFM。
通過脈沖頻率調(diào)制，通過施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓，例如，以低頻或只有很少的脈沖，施加到電動機的平均電壓較低，因此電動機速度較慢。在較高頻率下或帶有許多脈沖時，平均電動機端子電壓會增加，并且電動機速度也會增加。
然后，晶體管可用于控制施加到直流電動機的功率，其工作模式為“線性”（電動機電壓變化），“脈沖寬度調(diào)制”（脈沖寬度變化）或“脈沖頻率”調(diào)制”（改變脈沖頻率）。
反轉(zhuǎn)直流電動機的方向盡管用單個晶體管控制直流電動機的速度具有許多優(yōu)點，但它也有一個主要缺點，即旋轉(zhuǎn)方向始終相同，這是一個“單向”電路。在許多應(yīng)用中，我們需要沿正反兩個方向操作電動機。
為了控制直流電動機的方向，必須反轉(zhuǎn)施加到電動機連接處的直流電源的極性，以使其軸沿相反方向旋轉(zhuǎn)。
控制直流電動機旋轉(zhuǎn)方向的一種非常簡單的方法，是使用按以下方式排列的不同開關(guān)。
直流電動機方向控制
第一個電路使用單個雙刀雙擲開關(guān)來控制電動機連接的極性。通過切換觸點，可以將電動機端子的電源反向，并使電動機的方向反向。第二個電路稍微復(fù)雜一些，并使用四個以“ H”形配置的單刀單擲開關(guān)。
機械開關(guān)成對布置，并且必須以特定的組合方式操作才能操作或停止直流電動機。例如開關(guān)組合A + D控制正向旋轉(zhuǎn)，而開關(guān)B + C控制反向旋轉(zhuǎn)。組合開關(guān)A + B或C + D使電動機端子短路，從而使其迅速制動。但是，以這種方式使用開關(guān)有其危險，因為一起操作開關(guān)A + C或B + D會使電源短路。
盡管以上兩個電路在大多數(shù)小型直流電動機應(yīng)用中都能很好地工作，但我們是否真的要操作機械開關(guān)的不同組合只是為了反轉(zhuǎn)電動機的方向？我們可以更改機電繼電器組的手動開關(guān)，并具有單個前進/后退按鈕或開關(guān)，甚至可以使用固態(tài)CMOS 4066B四邊雙向開關(guān)。
但是，實現(xiàn)電動機雙向控制（以及其速度）的另一種很好的方法，是將電動機連接到晶體管H橋型電路裝置。
基本雙向H橋電路
所述H橋電路的上方，如此命名是因為四個開關(guān)，無論是電動機械繼電器或晶體管類似于字母“H”與位于中心條上的電動機的基本結(jié)構(gòu)。晶體管或MOSFET H橋可能是雙向DC電動機控制電路中最常用的類型之一。它在每個分支中使用NPN和PNP的“互補晶體管對”，晶體管成對切換到一起以控制電動機。
控制輸入A在一個方向（正向旋轉(zhuǎn)）上運行電動機，而輸入B在另一個方向（即反向旋轉(zhuǎn)）上運行電動機。然后，通過將其“對角線對”中的晶體管切換為“ ON”或“ OFF”，可以實現(xiàn)電動機的方向控制。
例如，當(dāng)晶體管TR1為“ ON”且晶體管TR2為“ OFF”時，點A連接至電源電壓（+ Vcc），如果晶體管TR3為“ OFF”且晶體管TR4為“ ON”，則點B連接至