脈寬調製(PWM)直流電動機控制器

    脈寬調製的全稱為：Pulse Width Modulator，簡稱PWM。由於它的特殊性能，常被用作直流迴路中燈具調光或直流電動機調速。這裡將要介紹的就是利用脈寬調製(PWM)原理製作的馬達控制器(見圖1)。有關電路已經在汽車儀錶照明、車燈照明調光和計算機電源散熱風扇方面得到應用。該裝置可用於12v或24v直流電路中，兩者間只需稍做變動。它主要是通過改變輸出方波的占空比，使得負載上的平均接通時間從0-100％變化，以達到調整負載亮度/速度的目的。
    技術指標：PWM頻率400Hz；PWM功率消耗1.5mA(12V電源、無負載和LED)；輸出容量3A(採用IRF521 FET)；工作電壓12V或24V。

一、PWM簡介
    利用脈寬調製(PWM)方式實現調光/調速的好處是電源的能量能得到充分利用，電路的效率高。例如：當輸出為50％的方波時，脈寬調製(PWM)電路消耗的電源能量也為50％，即幾乎所有的能量都轉換為負載功率輸出。而採用常見的電阻降壓調速時，要使負載獲得電源最大輸出功率50％的功率，電源必須提供71％以上的輸出功率，這其中21％消耗在電阻的壓降及熱耗上。有時電路的轉換效率是非常重要的。
    此外，採用脈寬調製(PWM)方式可以使負載在工作時得到滿電源電壓，這樣有利於克服電機內在的線圈電阻而使電機產生更大的力矩。
    當然，採用脈寬調製(PWM)方式實現調光/調速也有一些不利方面，如電路構成會稍許複雜，而且有可能會產生一些射頻干擾(RFI)，要避免這個問題，在設計時可以考慮負載與控制器儘可能放在一起，以免它們之間的連線過長，必要時還可以考慮在電源處增加濾波器等方法。

二、工作原理
    電路原理見圖1。它主要由U1（LM324）和Q1組成。
 
    圖1中，由U1a、U1d組成振蕩器電路，提供頻率約為400Hz的方波/三角形波。U1c產生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。這是為了振蕩器電路能在單電源情況下也能工作而不需要用正負雙電源。U1b這裡接成比較器的形式，它的反相輸入端(6腳)接入電阻R6、R7和VR1，用來提供比較器的參考電壓。這個電壓與U1d的輸出端(14腳)的三角形波電壓進行比較。當該波形電壓高於U1b的6腳電壓．U1b的7腳輸出為高電平；反之，當該波形電壓低於U1b的6腳電壓，U1b的7腳輸出為低電平。由此我們可知，改變U1b的6腳電位使其與輸入三角形波電壓進行比較。就可增加或減小輸出方波的寬度，實現脈寬調製(PWM)。電阻R6、R7用於控制VR1的結束點，保證在調節VR1時可以實現輸出為全開(全速或全亮)或全關(停轉或全滅)，其實際的阻值可能會根據實際電路不同有所改變。
    圖1中，Q1為N溝道場效應管，這裡用作功率開關管(電流放大)，來驅動負載部分。前面電路提供的不同寬度的方波信號通過柵極(G)來控制Q1的通斷。LED1的亮度變化可以用來指示電路輸出的脈衝寬度。C3可以改善電路輸出波形和減輕電路的射頻干擾(RFI)。D1是用來防止電機的反電動勢損壞Q1。
    當使用24v的電源電壓時，圖1電路通過U2將24V轉換成12V供控制電路使用。而Q1可以直接在21v電源上，對於Q1來講這與接在12v電源上沒有什麼區別。參考圖1，改變J1、J2的接法可使電路工作在不同電源電壓(12V或24V)下。當通過Q1的電流不超過1A時，Q1可不用散熱器。但如果Q1工作時電流超過1A時，需加裝散熱器。如果需要更大的電流（大於3A），可採用IRFZ34N等替換Q1。

三、製作說明
    為方便製作，圖2給出了主要器件的外形圖，其他元件可參考圖1選擇，無特殊要求。
 
    圖3為電路板圖，供大家參考。
 
    製作好電路板后，可以開始逐一裝配元件，這裡我們用這個電路來控制一個直流風扇，將裝配好的電路板固定在一個金屬盒內，風扇置於金屬盒的頂部。該電路無需調試即可工作。