有刷电机如何调速

有刷电机作为历史最悠久的电机类型之一，其调速技术是电气传动领域的经典课题。调速的本质在于对电机输入电能的精准控制，从而实现转速与转矩的灵活调节。本文将系统性地剖析有刷电机的调速原理，深入探讨电压控制、电阻调节以及脉宽调制（PWM）等主流调速方法的核心机制、优缺点及典型应用场景。文章旨在为工程师、技术爱好者及维修人员提供一套从理论到实践的详尽指南，帮助读者在面对不同工况时，能够选择并实施最有效的调速方案。

       在自动化设备、家用电器乃至模型玩具中，有刷直流电机因其结构简单、成本低廉和控制方便而广泛应用。然而，让电机“听话”地以我们期望的速度运转，并非接上电源那么简单。这背后涉及一系列精妙的控制技术。“有刷电机如何调速”这一问题，实质上是对电机能量输入进行精细化管理的艺术。理解其调速方法，不仅能优化设备性能，还能延长电机寿命，是工程实践中的一项关键技能。本文将摒弃泛泛而谈，深入技术肌理，为您全面解析有刷电机的调速世界。

       

一、 理解调速的基石：有刷电机的工作原理与转速公式

       要掌握调速，必先理解电机为何会转，以及转速由何决定。有刷直流电机的核心在于“换向器”与“电刷”的机械配合。当直流电通过电刷和换向器流入电枢绕组时，绕组在永磁体或电磁铁产生的磁场中受到安培力作用，从而产生旋转力矩。电刷与旋转的换向器片持续接触，确保电流在正确时刻流入正确的绕组，维持电机连续旋转。

       其理想空载转速n（单位通常为转每分钟）可由一个简洁的公式近似描述：n = (U - IR) / (KΦ)。其中，U是施加在电机两端的电压，I是电枢电流，R是电枢绕组的内阻，K是与电机结构相关的常数，Φ是气隙磁通量。这个公式像一把钥匙，揭示了影响转速的三大关键变量：端电压U、电枢回路电阻R以及磁通Φ。所有调速方法，都是围绕如何改变这三个参数中的一个或几个而展开的。

       

二、 最直接的思路：调节端电压调速法

       从转速公式直观来看，调节电机两端的输入电压U是最为直接的调速方式。这种方法原理清晰，实现方案多样。

       其核心优势在于，在磁通Φ保持不变的情况下，电机转速大致与端电压成正比。降低电压，转速随之平滑下降；升高电压，转速则相应提升。这种调速方式下，电机的机械特性较硬，即负载发生波动时，转速变化相对较小，稳定性好。

       传统的实现手段包括使用可调直流稳压电源，或者采用发电机-电动机组系统。前者通过电子电路直接输出可控的直流电压；后者则利用一台直流发电机专门为需要调速的电动机供电，通过调节发电机的励磁来改变其输出电压，从而控制电动机转速。尽管发电机-电动机组系统因效率低、设备庞大已较少在新系统中使用，但其原理在调速史上占有重要地位。

       

三、 成本与效率的权衡：电枢串联电阻调速法

       这是最简单、历史最悠久的调速方法之一。其原理基于转速公式中的(IR)项。通过在电枢回路中串联一个可变电阻，人为地增加整个回路的总电阻。当电源电压U固定时，根据公式n = (U - IR总) / (KΦ)，增大的R总会导致(IR总)压降增大，从而使施加在电枢绕组上的有效电压降低，转速下降。

       这种方法的最大优点是极其简单，一个变阻器（或电阻箱）即可实现。在过去广泛应用于起重机、电车等设备的起动和调速。然而，其缺点非常突出：调速过程中，大量的电能以热能形式消耗在外接电阻上，系统效率低下。同时，机械特性会变软，负载增加时转速下降非常明显。因此，在现代强调节能和精密控制的场合，该方法已基本被淘汰，仅在一些对效率不敏感或极其简单的场合有所保留。

       

四、 磁场控制的艺术：调节磁通调速法

       对于他励或并励有刷直流电机，其励磁绕组由独立的电源供电。通过调节励磁电流，可以改变主磁通Φ的大小，从而实现调速。根据公式，转速n与磁通Φ成反比关系。

       通常，这种方法是“弱磁调速”。即在额定转速以下，一般采用调压调速，保持磁通为额定最大值以获得最大转矩。当需要运行在高于额定转速时，则保持电枢电压为额定值，通过减小励磁电流来减弱磁通Φ，从而使转速升高。这种方法在额定转速以上范围内进行调速，效率较高，因为控制的是小电流的励磁回路，损耗小。

       但需特别注意，过度弱磁会导致电机转速过高，可能引发机械强度问题和换向恶化，产生危险的火花。因此，弱磁调速通常设有最低励磁电流限制，并需要与转速反馈构成闭环控制以确保安全。

       

五、 现代调速的王者：脉宽调制（PWM）技术

       随着电力电子技术的飞跃，脉宽调制（Pulse Width Modulation， 简称PWM）已成为当今有刷直流电机调速绝对的主流和首选方案。它完美地融合了调压调速的高性能与电子开关的高效率。

       PWM调速的本质，是使用一个高频通断的开关管（如金属氧化物半导体场效应晶体管）来控制电机与电源的连接。通过调节一个周期内开关导通时间（脉宽）与周期时间的比值，即占空比，来改变电机两端电压的平均值。例如，占空比为50%时，电机得到的是约一半电源电压的平均电压，从而实现降速。

       由于开关管在导通时电阻极小，在关断时电流为零，其自身功耗极低，因此PWM调速系统的效率非常高，通常可达90%以上。同时，结合微控制器，可以极其精确和灵活地控制占空比，实现平滑的无级调速和复杂的运动曲线控制。

       

六、 PWM调速的核心电路拓扑

       实现PWM控制需要具体的电路。最基础且常用的是“单管斩波”电路。它由一个开关管、一个续流二极管和一个滤波电感（有时可省，利用电机电感）构成。当开关管导通时，电源电压施加在电机上，电流流经电机和开关管；当开关管关断时，电机的电感会试图维持电流，此时续流二极管构成回路，电流继续循环流动，电机两端电压接近零伏。通过高速切换这一状态，电机“感受”到的是一个平均电压。

       更复杂的“H桥”电路则能实现电机的正反转和制动控制。它由四个开关管组成H形，通过控制对角线上两个管子的导通，可以改变施加在电机上的电压极性，从而改变转向。H桥同样采用PWM控制，在四个象限内都能对电机进行精密调控。

       

七、 开环与闭环调速系统

       前述的调速方法，如果只是手动设定一个电压、电阻或占空比，都属于开环控制。开环系统结构简单，但无法抵抗负载变化、电源波动、温度变化等干扰。当负载加重时，电机转速会下降，系统不会自动补偿。

       要实现高精度的稳速控制，必须引入闭环控制系统，即“反馈控制”。其核心思想是实时检测电机的实际转速（通过编码器、测速发电机等传感器），并将其与设定的目标转速进行比较。根据两者的偏差，通过一个调节器（如比例积分微分调节器）自动调整PWM的占空比或输出电压，从而消除偏差，使实际转速紧紧跟随设定值，不受内外干扰的影响。

       

八、 调速对电机性能的影响

       不同的调速方式对电机本身的运行状态有着深刻影响。采用调压或PWM调速在额定转速以下时，由于磁通保持额定值，电机的输出转矩能力可以维持在额定转矩附近，属于“恒转矩调速”特性，适合需要带载启动或低速大转矩的场合，如起重机提升重物。

       而采用弱磁调速在额定转速以上时，由于电压已达额定值，转矩会随着转速升高而减小，大致呈现恒功率特性，适合负载转矩随转速升高而减小的场合，如某些机床的主轴传动。

       

九、 电刷与换向器在调速中的特殊考量

       有刷电机在调速运行时，其核心部件——电刷和换向器的工作状态需要特别关注。在低速大转矩运行时，电枢电流较大，容易在换向器表面产生过大的火花，加速磨损，甚至导致“环火”故障。在高速运行时，换向器的离心力增大，可能影响电刷的稳定接触。

       特别是在PWM调速中，高频的电压斩波会在电机绕组中产生丰富的谐波电流，这些高频分量可能加剧换向火花和电磁干扰。因此，为调速应用选择或设计有刷电机时，往往需要采用更高质量的换向器材料、更多数量的换向片，以及具有更好换向性能的电刷（如含金属石墨电刷）。

       

十、 调速系统的保护机制

       一个健壮的调速系统必须包含完善的保护功能。过流保护是最基本的，防止电机堵转或短路时烧毁绕组和开关管。过压和欠压保护可以避免电源异常对控制器和电机的损害。对于大功率电机，温度传感器监测电机温升也至关重要。

       在PWM驱动中，还需要特别注意“上下管直通”的保护。在H桥电路中，同一桥臂的上下两个开关管绝不能同时导通，否则会导致电源直接短路，瞬间烧毁管子。因此，驱动电路中必须设置“死区时间”，确保在一个管子完全关断后，另一个管子才被允许导通。

       

十一、 从模拟到数字：控制器的演进

       早期的调速控制器多采用模拟电路构建，利用运算放大器、比较器等器件实现PWM生成和闭环调节。模拟控制器响应速度快，但电路复杂，参数调整不便，且易受温度和器件老化影响。

       现代调速系统几乎全部基于数字微控制器或数字信号处理器。数字控制器的优势是革命性的：它通过软件算法实现所有控制功能，灵活性强，可以轻松实现复杂的控制律（如模糊控制、自适应控制）；参数设置和修改通过软件完成，非常方便；稳定性好，不受模拟器件漂移影响；还能集成通信接口，方便接入更高级的网络化控制系统。

       

十二、 典型应用场景与方案选择

       不同的应用场景对调速的需求各异。对于儿童玩具、简单通风扇等低成本、低精度场合，一个简单的电位器串联调压或最基础的PWM开环控制模块即可满足。

       对于电动工具（如电钻、角磨机），需要宽范围的调速和强大的带载能力，通常采用带有电流反馈的闭环PWM控制，以确保在负载变化时转速稳定，并防止过载。

       在模型车、无人机等模型中，对控制器的重量、体积和动态响应要求极高，会采用专用无感驱动芯片或高性能微控制器，实现高频率的PWM控制和精准的转速控制。

       

十三、 调速引起的电磁干扰及其抑制

       PWM调速系统是一个强干扰源。开关管的高频通断会产生陡峭的电压和电流变化率，通过导线辐射和传导，对周围的敏感电子设备造成电磁干扰。

       有效的抑制措施包括：在电机两端并联吸收电容，以减缓电压尖峰；在电源输入端安装共模和差模电感、滤波电容构成的滤波器；采用屏蔽电缆连接电机与控制器；在电路板布局上，将功率回路与控制回路严格分开，并保证大电流路径尽可能短而宽。这些措施对于产品通过电磁兼容性测试至关重要。

       

十四、 与无刷电机调速的对比思考

       尽管无刷直流电机因无电刷磨损、效率更高而成为发展趋势，但有刷电机调速技术并未过时。从控制原理上看，有刷电机的调速更为“直接”，因为其换向是机械完成的，控制器只需关心能量的大小（电压/电流）。而无刷电机的电子换向要求控制器必须实时追踪转子位置，并以此为依据有序地切换绕组通电顺序，控制逻辑更复杂。

       这种差异使得在超低成本、超小体积或对电磁干扰不敏感的简易调速应用中，有刷电机方案仍然具有不可替代的成本和 simplicity优势。理解有刷电机的调速，也是深入理解所有电机控制理论的绝佳起点。

       

十五、 实践中的调试要点与故障排查

       在实际搭建或维修一个调速系统时，有几个关键点需要注意。首先，确保PWM频率选择得当：频率太低（如低于几百赫兹），电机会产生可闻噪音，转速可能脉动；频率太高，开关损耗会增加，且可能加剧电磁干扰。通常，有刷电机的PWM频率选择在几千赫兹到二十千赫兹之间。

       当遇到电机无法启动、转速不稳或异常发热时，应系统排查：检查电源和接线；测量PWM信号是否正常到达驱动管栅极；检查电刷磨损情况和换向器是否清洁；测量电机绕组电阻和绝缘是否正常；检查反馈传感器（如编码器）信号是否准确。

       

十六、 未来发展趋势：智能化与集成化

       有刷电机调速技术本身已非常成熟，但其承载的控制理念正朝着智能化和深度集成化发展。未来的调速控制器将不仅仅是驱动电机，而是集成了状态监测、故障诊断、能效优化和网络通信功能的智能节点。

       例如，通过分析电机电流的谐波，可以间接判断电刷的磨损程度，实现预测性维护。通过物联网技术，调速器可以将运行数据上传至云端，实现远程监控和集群管理。这些发展使得传统的调速系统融入了工业互联网和智能制造的宏大图景。

       

       从最初笨重的串联电阻箱，到今天高度集成、智能高效的PWM控制器，有刷电机的调速技术走过了一条清晰的发展路径。它生动地展示了如何通过深入理解物理原理，并借助不断进步的工程技术，实现对机械运动的精准驾驭。无论未来无刷技术如何普及，掌握有刷电机调速所蕴含的电压控制、反馈闭环、功率电子等核心知识，对于任何从事电气传动或自动化领域的工作者而言，都是不可或缺的宝贵财富。希望本文的梳理，能为您在项目选型、系统设计或故障解决时，提供一份扎实的参考与指引。