您可以使用直流有刷电机控制器来控制直流有刷电机。这些控制器可以帮助您设置转速和改变方向，还能精确控制扭矩。例如，如果您需要 100 转/分时达到 10 牛米的扭矩，控制器会相应地调节电压和电流。当电机转速提高时，控制器会控制电流和散热，从而防止电机损坏并延长其使用寿命。直流有刷电机控制器仍然很受欢迎，因为它们价格低廉，而且易于使用。2024 年，全球此类控制器的市场规模达到了 1.2 亿美元。您会在汽车和家用电器等许多产品中看到它们的身影。工程师们喜欢它们，因为它们结构简单，维护成本低。
关键精华
有刷直流电机控制器可以帮助您改变电机的速度、方向和扭矩。它们易于使用且价格实惠。——脉宽调制 (PWM) 控制和闭环反馈能够提升电机性能，使其运行更精准、温度更低。——根据您的项目需求选择合适的控制器。考虑成本、灵活性和安全特性。——H桥电路有助于电机平稳地改变方向，并在许多应用中控制速度。——首先测试电机和控制器，这有助于您找到最佳设置，从而获得良好的性能和安全性。
原则
核心功能
直流有刷电机需要控制器才能正常工作。控制器可以帮助您改变电机的速度、方向和扭矩。您可以通过以下方式使电机转速更快或更慢： 电压变化要改变电机方向，只需改变电流即可。控制器能保持电机稳定运转，即使负载发生变化。优秀的控制器即使在功率或负载变化的情况下也能保持转速稳定。这意味着您的项目运行良好，并能获得稳定的结果。
关键组件
直流有刷电机控制器包含许多重要部件。内部有开关、传感器和保护电路。开关（例如 MOSFET 或继电器）用于控制电流的通断。传感器用于检测转速和电流等参数。保护电路可防止电机过热或电流过大。下表列出了一些重要的技术参数：
参数 | 范围/值 | 描述/意义 |
|---|---|---|
空载速度 | 8000到10900 rpm | 电机空载时的转速是多少 |
堵转转矩 | 12.1 至 19.9 mNm | 零速时的最大扭矩 |
最大连续电流 | 0.25到2.0 A. | 安全运行所需的最高电流 |
反电动势常数 | 0.28 至 2.3 伏/1000 转/分 | 电机旋转时产生的电压 |
扭矩常数 | 2.67 至 22 mNm/A | 每安培电流的扭矩 |
控制方式
控制直流有刷电机的方法有很多种。最简单的方法就是直接开关电机，但这种方法精度不高。模拟控制可以平滑地改变电压，但会消耗能量。脉宽调制（PWM）控制采用快速开关，可以更好地控制速度并节省能量。闭环控制利用反馈来保持电机的良好运行。下表比较了这些方法：
控制方法 | 复杂 | 高效 | Cost | 平台精度 | 调速范围 | 发热 |
|---|---|---|---|---|---|---|
开/关控制 | 简易 | 低 | 低 | 低 | 有限 | 高 |
PWM控制 | 中 | 高 | 中 | 高 | 宽 | 低 |
模拟控制 | 简易 | 低 | 低 | 中 | 有限 | 高 |
闭环控制 | 高 | 高 | 高 | 高 | 宽 | 低 |
选择适合您项目的控制方式。PWM 和闭环控制最适合大多数有刷直流电机应用。
有刷直流电机控制器的类型
控制直流有刷电机的方法有很多种。每种控制器都以各自的方式控制电机的速度、方向和扭矩。以下是您会遇到的主要类型。
功率调节
您可以通过两种主要方式控制功率。第一种方式是线性电压调节。这种方式简单易行，但会产生大量热量，造成能量浪费。第二种方式是开关调节。这种方式使用脉冲宽度调制（PWM）。PWM 可以非常快速地控制电流的通断。这可以节省能量并降低电机温度。大多数新型直流电机控制器都采用 PWM 技术。PWM 有助于更好地控制速度并降低功耗。您可以通过观察速度、扭矩和效率来了解每种方法的效果。PWM 可以让您的电机发挥最佳性能。
线性稳压器：简单，但效率不高，容易发热。
PWM开关稳压器：节能、散热好、控速好。
控制信号
您可以使用模拟信号或数字信号来控制电机。模拟信号简单但精度不高。数字信号（例如 PWM）可以提供更精确的控制。大多数直流电机控制器使用数字信号来控制速度和方向。您也可以使用 H 桥电路来改变方向。H 桥电路有四个开关，它们控制电机正转或反转。您必须在正确的时间切换这些开关，以防止短路。
提示：对于大多数有刷直流电机来说，PWM 是控制速度的最佳方法。
反馈
反馈有助于保持电机在合适的转速或位置运行。开环控制不使用反馈，虽然简单易行，但精度不高。闭环控制则使用编码器等传感器来检测电机的转速或位置。控制器通过调节功率来保持电机稳定运行。一些直流电机控制器采用无传感器反馈，利用电机自身的信号（例如反电动势）来估算转速。无传感器方案成本更低，但精度也稍逊。
反馈类型 | 描述 | 准确性 | Cost |
|---|---|---|---|
开环 | 无反馈，简单控制 | 低 | 低 |
闭环 | 利用传感器进行速度/位置反馈 | 高 | 更高 |
无传感器 | 利用电机信号进行反馈 | 中 | 低 |
集成式与离散式
您可以选择集成式或分立式直流电机控制器。集成式控制器将所有元件集成在一个芯片上，体积小巧，易于使用。分立式控制器则为每个功能使用单独的元件，您可以根据自身需求选择最佳元件。集成式控制器适用于简单的项目，节省时间和空间。如果您需要针对特殊用途进行更改，分立式控制器则更为合适。
集成式：体积小、操作简便，但灵活性不高。
分立式：您可以更换部件，控制性更强，体积更大。
选择直流电机控制器时，请考虑您的项目需求。每种控制器都有其优点。您可以根据项目需要选择最佳的直流电机和控制器。
应用领域
有刷直流电机控制器用途广泛，例如机器人、电子产品、小型设备和特殊项目中都能见到它们的身影。每个领域都充分利用了有刷直流电机的优势。让我们来看看这些控制器在不同应用中是如何工作的。
机器人技术
机器人通常使用有刷直流电机控制器。这些控制器能够很好地控制速度和扭矩。在机械臂和移动机器人中，平稳的运动至关重要。人们通过数学计算为每个部件选择合适的电机。反馈和脉宽调制 (PWM) 有助于实现精确的运动。机器人需要每次都能正常工作的控制。有刷直流电机控制器能够提供这种控制。合理的控制器设计可以消除扭矩波动并抑制干扰。这使得有刷直流电机在机器人应用中表现出色且用途广泛。
消费类电子产品
大多数有刷直流电机都用于人们使用的电子产品中。这些控制器常见于相机、智能家居设备和厨房电器中。市场数据显示，电子产品是这些控制器的主要应用领域。风扇、DVD播放器和玩具等设备运行平稳安静。许多家用电器也使用这种控制器，因为它们结构简单且价格低廉。此外，电动剃须刀和电动牙刷等产品中也应用了这种控制器。
注意：许多电子设备使用低压有刷直流电机控制器。这既能保证安全，又能节省能源。
低功耗设备
直流有刷电机控制器适用于小型、低功率设备。它们易于使用且价格低廉。这些控制器可用于电池供电设备、微型水泵和小型风扇。由于无需硬盘电路，因此可以节省成本和空间。一些H桥控制器可以处理高达3A的电流，这足以满足许多小型应用的需求。PWM（脉宽调制）有助于节省电能并保持电机低温运行。对于不需要高精度的廉价产品，它们也能提供良好的性能。
自定义用途
直流有刷电机控制器用途广泛。您可以将其用于制作新工具、业余爱好项目或学校套件。在汽车领域，这些控制器应用于电动车窗、座椅电机和风扇。工厂将其用于传送带和移动系统。医院则将其用于输液泵。您可以根据自身需求选择合适的控制器。这使得直流有刷电机控制器具有极高的灵活性。
工业中常见的有刷直流电机用途：
汽车：电动车窗、座椅电机、冷却风扇
工业：自动化、输送系统、机器人手臂
消费品：家用电器、个人电子产品、智能工具
医疗保健：输液泵、手术器械
直流有刷电机控制器应用广泛，在许多领域都能提供价格、控制和可靠性方面的良好平衡。
直流电机控制器电路设计
H桥拓扑结构
H桥电路用于控制直流有刷电机的旋转方向。它使用四个开关（通常是功率MOSFET）来控制电流的双向流动，从而使电机正转或反转。通过按照特定的模式切换晶体管来改变旋转方向。许多机器人和小型机械都使用这种电路，因为它简单易用且效果良好。如果在H桥电路中添加脉宽调制（PWM）功能，还可以改变电机的转速。每次切换之间需要短暂的等待时间，以防止短路。这可以确保控制器的安全运行，并使电机正常工作。
组件选择
选择合适的元件对于设计一款优秀的直流有刷电机控制器至关重要。您需要根据电机的电压和电流进行匹配。功率MOSFET适用于低电压控制器，因为它们开关速度快且散热好。对于更大的电流，您可以选择IGBT或GaN晶体管。微控制器（MCU）负责生成PWM信号并处理反馈。如果MCU速度不够快，有时需要额外的芯片，例如CPLD。传感器可以帮助您了解电机的转速和位置。务必查看电机的性能图表。尽量不要使用超过60%的扭矩，以免电机过热。
元件 | 关键绩效数据和考量因素 |
|---|---|
直流电机 | 功率等级、效率、可靠性 |
马达驱动器 | 额定功率、开关频率、控制接口 |
传感器 | 精度、分辨率、抗噪能力 |
提示：请电机销售商或工程师帮助您选择最适合您项目的零件。
功率调节方法
直流电机控制器中控制功率主要有两种方式。线性稳压器结构简单，但会以热量的形式损耗能量。开关稳压器采用脉宽调制 (PWM) 技术，既能节能又能降低温度。大多数有刷直流电机控制器都采用开关稳压器，因为它的性能更佳。有时，需要将两种稳压器结合使用。开关稳压器负责降低电压，而线性稳压器则负责平滑电压波动。这样既能保证较高的效率，又能提供稳定的功率输出。
特性 | 线性稳压器 | 开关稳压器 |
|---|---|---|
高效 | 较低 (60%-70%) | 更高（高达 95%） |
控制方法 | 运算放大器 | 脉宽调制信号 |
电压缩放 | 仅向下几级台阶 | 上台阶或下台阶 |
噪声 | 低频率 | 高频（10 kHz 至 1 MHz） |
极性 | 与输入相同 | 可逆 |
最大输出电压 | 低 | 中到高 |
安全特性
每个直流电机控制器都需要安全功能。过电流、过电压或过热传感器可以保护您的直流有刷电机。如果出现异常情况，这些传感器会关闭控制器。优秀的设计还会使用散热片和风扇来保持电机冷却。滤波器有助于抑制电机和PWM产生的电磁噪声。固件如果检测到问题，也可以关闭电机。许多实际应用案例，例如机器人割草机，都表明这些措施有助于延长电机寿命并确保安全。
设计挑战
开关时序
在直流有刷电机控制器中，需要仔细设置开关时序。开关时序控制着流过电机的电流方式。如果使用快速衰减模式，电机将滑行至停止。慢速衰减模式则利用电机自身的能量进行制动。这有助于快速停止电机并更好地控制速度。例如，测试表明，Yellow-TT 电机在慢速衰减模式下转速更低，停止速度更快。速度从快速衰减模式下的 21.4 厘米/秒降至慢速衰减模式下的 8.5 厘米/秒。此外，速度曲线也更加线性，从而更容易控制速度。您可以使用 CircuitPython 代码来设置衰减模式和 PWM 频率。良好的开关时序可以提高电机扭矩、制动性能和整体直流有刷电机性能。
脉宽调制频率
您必须为有刷直流电机选择合适的PWM频率。如果使用过低的PWM频率，电机可能会出现抖动或振动。较高的PWM频率则能使电机运行更平稳、更安静。性能测试表明，为了获得最佳效率，电流纹波应保持在10%以下。您可以测量电流纹波、电机发热和扭矩，以找到最佳的PWM设置。大多数有刷直流电机控制器在40 kHz至120 kHz的频率范围内都能良好工作。该范围有助于保持电机低温运行，延长其使用寿命。较高的PWM频率还能使噪音低于人耳可听范围。
测量电流纹波并使其保持在较低水平。
测试不同PWM设置下的电机发热和扭矩。
使用高于 20 kHz 的 PWM 信号可以避免噪声。
定期检查电机寿命和电刷磨损情况。
EMI
电磁干扰 (EMI) 电磁干扰 (EMI) 会导致直流有刷电机控制器出现问题。EMI 源自快速开关和高 PWM 频率。您可以通过将电机外壳接地并使用尺寸和电容合适的 EMI 元件来降低 EMI。陶瓷 EMI 元件可用作旁路器件。为获得最佳效果，请将 EMI 接地端连接到电机外壳。始终在靠近驱动器或 MOSFET 引脚的位置测量栅极驱动信号。使用小探头回路以避免误差。差分探头有助于获得更精确的读数。测试并调整 EMI 元件，直到您的控制器符合标准。
将电机外壳接地。
使用陶瓷EMI元件。
使用合适的工具测量信号。
根据需要调整EMI部件。
反馈整合
反馈有助于直流有刷电机控制器将电机保持在合适的转速或位置。您可以使用传感器或无传感器方法。确保您的控制器能够快速读取反馈信号。如果您使用闭环控制，请检查 PWM 和反馈系统是否协同工作。反馈过慢会导致电机过冲或滞后。使用实际负载测试您的控制器，观察其响应。调整反馈回路以实现平稳的电机控制。良好的反馈集成可带来更佳的性能和更长的电机寿命。
提示：务必使用实际电机和负载测试您的有刷直流电机控制器，以找到开关定时、PWM、EMI 和反馈的最佳设置。
选择有刷直流电机控制器
匹配申请
你需要为你的项目选择合适的直流电机控制器。首先，考虑你的项目需要什么。看看你需要多大的功率、转速和扭矩。起重机需要很大的启动扭矩。小型风扇不需要太大的功率，但应该运行安静。检查电机的电压和电流。确保你的控制器能够处理这些参数。
以下是一份您可以使用的简单清单：
检查一下电源电压。
找出你的负载需要多大的扭矩。
选择与您的项目相匹配的速度范围。
查看您设备中电机的尺寸和空间。
决定电机运行的时长和频率。
您还需要了解您使用的是哪种类型的直流有刷电机。串励电机启动扭矩大；并励电机转速稳定；永磁电机体积小巧，易于使用。每种类型的电机都最适合不同的应用场景。
提示：务必确保直流有刷电机的扭矩和转速与您的项目需求相匹配。如果选错了尺寸，电机可能会过热或很快损坏。
不同行业的需求各不相同。下表显示了各行业如何使用直流有刷电机控制器：
行业细分类别 | 描述 |
|---|---|
航空航天与国防 | 需要特殊的电机控制器功能 |
农产品 | 为工具和机器使用电机 |
汽车和运输 | 需要强大可靠的控制器 |
化学品与材料 | 利用电机进行过程控制 |
建筑与制造 | 需要大功率电机控制器 |
消费品和食品饮料 | 使用多种类型的电机和控制器 |
能源与动力 | 需要高功率控制器 |
医疗与制药行业 | 需要精确可靠的控制器 |
信息和通信技术 | 在电子和控制系统中使用电机 |
包装 | 需要速度控制以实现自动化 |
过程控制和自动化 | 需要精确选择控制器 |
半导体与电子 | 需要高精度电机控制 |
选择合适的控制器有助于获得最佳效果。
灵活性与成本
选择控制器时，成本和灵活性都是需要考虑的因素。有刷直流电机初期价格较低，而且易于使用和控制。只需施加电压即可工作，因此非常适合简单或短期项目。玩具和小工具通常使用有刷直流电机，因为它们价格低廉且易于更换。
无刷电机价格更高，但使用寿命更长，维护成本更低。它们更节能，更适合长时间或高强度作业。如果您的项目需要极高的精度或持续运行，您可能需要考虑购买无刷电机和控制器，即使价格更高一些。
这里有一些事情要记住：
有刷直流电机：价格便宜，使用方便，但需要更多保养，使用寿命较短。
无刷电机：成本更高，但更节能，维护更少，使用寿命更长。
注意：如果您预算有限或仅需短期使用电机，有刷直流电机和控制器是不错的选择。如果您需要高性能和长寿命，无刷电机可能更合适。
安全需求
选择直流电机控制器时，安全至关重要。必须确保有刷直流电机免受过电流、过热或过电压的损害。优质的控制器配备传感器，一旦出现异常情况，便会自动关闭电机。这样可以保障电机和设备的安全。
请注意以下安全功能：
过流保护
过压保护
过温关机
短路保护
有些工作，例如医疗保健或汽车行业，对安全要求更高。例如，输液泵必须始终正常工作。对于这类工作，应选择具有强大安全功能的控制器。
务必在实际使用环境中测试控制器。确保其在正常使用和发生故障时都能保护直流有刷电机的安全。
现成产品与定制产品
您可以购买现成的直流电机控制器，也可以自己制作。现成的控制器开箱即用，既省时又省钱。您可以找到多种适用于不同有刷直流电机应用的控制器。这些控制器适用于大多数项目，例如家用小工具或简易机器人。
定制控制器允许您选择每个部件。您可以添加特殊功能，或使其适应狭小的空间。这非常适合特殊或大型项目。例如，汽车制造商经常使用定制控制器来满足自身需求。
这是一个快速指南：
在以下情况下使用现成的控制器：
你的项目很普通。
你需要尽快得到答复。
你没有多少钱。
在以下情况下使用自定义控制器：
您的项目有特殊需求。
你想添加新功能。
你需要将控制器安装在一个特殊的空间里。
提示：先尝试使用现成的控制器进行测试。如果需要更多功能或更适合您的项目，再考虑定制设计。
选择时，请考虑功率等级、行业需求以及最新趋势。例如，新型无线芯片可让您远程控制电机，这对于智能家居或工厂应用非常有帮助。ABB、西门子和麦斯通电机等公司提供多种产品，以满足不同的需求。
选择合适的直流电机控制器需要考虑您的项目、成本、安全性，以及您需要的是现成的解决方案还是定制的解决方案。谨慎选择有助于电机高效运行并延长使用寿命。
直流有刷电机控制器应用广泛，能够帮助您精准控制电机位置。它们启动扭矩强劲，且易于使用。直流有刷电机可用于机器人、机械设备和重型作业。专家指出，直流有刷电机能够保持转速稳定，并在停止时节省能源。诸如 FOPD(1+PI) 控制器等新型控制方式，进一步提升了它们的性能。选择直流有刷电机时，务必了解其工作原理和不同类型。选择直流有刷电机时，务必确保其符合您的项目需求。如果您的项目较为复杂，请咨询专家或查阅更多资料。直流有刷电机用途广泛，适用于多种应用场景。
直流有刷电机适合改变速度和进行精确移动。
通过新的控制方法，可以改进有刷直流电机。
直流有刷电机非常适合简单和复杂的项目。
提示：在选择直流电机控制器之前，请先考虑您的项目需求。寻求专家的帮助可以帮助您做到最好。
常见问题解答
什么是直流电机有刷控制器？
直流有刷电机控制器可以改变直流有刷电机的转速、方向和扭矩。您可以利用它来控制电机的运行方式，使其按照您的预期工作。此外，它还有助于保护电机免受损坏。
为什么你的项目应该选择有刷直流电机？
如果您需要控制简单且成本低廉的设备，那么有刷直流电机是您的理想之选。这类电机适用于多种设备，例如玩具、机器人和家用电器。它们易于安装和维护。
如何控制直流有刷电机的转速？
您可以通过改变电压或使用脉宽调制 (PWM) 信号来控制直流有刷电机的转速。PWM 可以调节电机获得的功率大小。这种方法可以实现平稳的转速控制并节省能源。
选购有刷直流电机控制器时，应该关注哪些安全特性？
您需要过流、过压和过温保护等安全功能。这些功能可以确保您的直流有刷电机安全运行。优质的控制器会在出现故障时自动关闭电机，从而延长设备的使用寿命。
直流有刷电机可以双向运转吗？
是的，直流有刷电机可以正转或反转。控制器中内置的H桥电路可以改变电流方向，从而轻松实现电机反转。许多机器人和机器都需要这项功能。
提示：在最终项目中使用之前，务必先用控制器测试有刷直流电机。
