在当前能源结构转型的关键时期，电动车的广泛应用已成为不可逆转的趋势。众所周知，在启动速度方面，大多数电动车能够显著超越采用内燃机和机械变速箱的传统燃油汽车。传统车辆依赖于内燃机与机械传动装置的组合，而电动车的驱动马达转速则直接受电流信号控制，因此车轮的旋转速度与电功率之间呈现线性正比关系。电动车的”油门”功能实质上是调节施加在马达上的电功率，从而实现电能向动能的高效转换。基于这一背景，接下来的系列文章将深入探讨直流电机的基本电路控制原理。
那么，驱动马达如何实现转速调节呢？最直接有效的方法就是采用PWM技术。
PWM的完整表述是Pulse Width Modulation，通常译为脉冲宽度调制。通过实验验证的方式，我们可以探讨如何运用PWM技术来控制直流马达的转速。
1. 构建基础的三极管驱动电路
图1展示了一个非常基础的三极管直流马达驱动电路。由于马达工作时的功率级别相对较高，而PWM信号本身并不具备直接驱动大功率负载的能力，因此需要借助三极管驱动电路实现小信号对大功率器件的控制。
图1
三极管的工作原理并不复杂。我们可以将其比喻为一个水塔系统：C端（集电极）的水压较高，E端（发射极）的水压较低，而B端（基极）则相当于一个控制阀门。当阀门打开时，水流会从高压端流向低压端。如果将上述描述中的”水”替换为”电”，就能形象地理解三极管的电路工作机制。
图2
2. 将PWM信号接入马达驱动系统
接下来进入电路调试的关键环节。首先需要为电路提供稳定电源。在图3中，我们将电源电压设定为5V，并确保电源的正负极与电路的对应端口正确连接。PWM信号可以通过专门的硬件调试工具（如梅林雀）生成。梅林雀设备配备有多个电源端口(+5V, -5V, +3.3V)和信号端口(PWM, WAV, DC, CH1, CH2)，其中CH1和CH2作为输入端口具备示波器功能，可用于测量波形；PWM, WAV和DC则作为输出端口，可产生各种控制信号。
图3
3. 设计实验方案
将PWM信号的频率设置为1kHz，高电平电压为3.3V。电源电压设定为5V。本次实验选用的是迷你四驱车中使用的直流马达，其额定工作电压约为3V。
4. 实验原理分析
在观察实验现象的基础上，我们将深入分析该电路的工作原理，重点考察电路中的电压、电流和功率关系。
电压计算：
在分析三极管电路时，通常先假设其处于导通状态。在导通状态下，由于三极管内部P-N结的特殊半导体结构，基极(B)的电压比发射极(E)高约0.7V。图4中请参考红色部分标注。由于发射极接地(0V)，因此基极电压约为0.7V。以50%占空比为例，输入端的PWM等效电压为2.5V。另一个关键电压节点是集电极(C)，如果不知道马达的内阻，就无法直接计算其电压值。
图4
电流计算：
图4中的蓝色部分标明了电流方向。根据欧姆定律，可以轻松计算出基极电流IB，这相当于控制三极管阀门开启的电流，通常在mA或uA级别。而实际驱动马达的电流是集极电流IC。集极电流与基极电流的比值称为直流电流增益，通常记作β。在图中的公式中用hFE表示，因为大多数三极管的数据手册都采用这种命名方式。图5展示了2N2222A三极管的数据手册，可以看出hFE通常能产生几十倍甚至几百倍的直流电流增益。
图5
功率分析：
本电路的功率分析主要包括三个部分：马达功率、三极管功耗和电源功率。根据瓦特定律，功率等于器件的电压降与电流的乘积。马达功率越大，转速越高；而要改变马达功率，只需调整PWM的占空比即可轻松实现。需要注意的是，如果三极管没有适当的散热措施，表面温度会显著升高，请避免直接接触。
图6
5. 实践操作指南
在理解工作原理、搭建电路并完成实验后，接下来就是动手实践的关键环节。对物理世界的最深刻理解往往来自于亲身操作的真实体验。这里提供几个实践方向，供同学们尝试并自行得出结论。
在保持占空比不变的情况下，观察马达对不同PWM信号频率的响应，如10Hz、100Hz、10kHz、100kHz等。可测量Vc的波形。绘制使用马达的伏安特性曲线，并分析直流马达的内阻特性。观察Vc的电压波形，特别是在PWM脉冲上升或下降边沿时刻所对应的Vc波形。增大或减小R1的阻值，并观察马达转速是否发生变化。