一、直流电机的工作原理

直流电机内部固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力；当转子上的线圈与磁场平行时，继续转动所受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟换向片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

直流发电机的工作原理，就是把电枢线圈中感应的交变电动势靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）；导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢的力矩，该力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其他负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

二、直流无刷电机的控制原理

要让电机转动起来，首先控制部分必须根据 hall-sensor 感应到的电机转子所在位置，依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序——inverter 中的 AH、BH、CH（称为上臂功率晶体管）及 AL、BL、CL（称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，这样就能使电机顺时针／逆时针转动。当电机转子转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，控制部分又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以依同一方向继续转动，直到控制部分决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向，则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL 一组→AH、CL 一组→BH、CL 一组→BH、AL 一组→CH、AL 一组→CH、BL 一组，但绝不能开成 AH、AL 或 BH、BL 或 CH、CL。此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭、下臂（或上臂）就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

当电机转动起来，控制部分会再根据驱动器设定的速度及加／减速率所组成的命令（Command）与 hall-sensor 信号变化的速度加以比对（或由软件运算），再来决定由下一组（AH、BL 或 AH、CL 或 BH、CL 或……）开关导通以及导通时间的长短：速度不够则开长，速度过头则减短，这部分工作就由 PWM 来完成。PWM 是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的 PWM 是达到较精准速度控制的核心。

高转速的速度控制必须考虑系统的时钟分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于 hall-sensor 信号变化的资料存取方式也影响到处理器的效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制（尤其是低速起动），则因为回传的 hall-sensor 信号变化变得更慢，如何选取信号撷取方式、处理时机，以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要；或者把速度回传改为以 encoder 变化为参考，使信号分辨率增加，以期得到更佳的控制效果。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D. 控制的恰当与否也无法忽视。直流无刷电机是闭环控制，因此回授信号就等于告诉控制部分电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差（Error）；知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如 P.I.D. 控制。但控制的状态及环境复杂多变，若要控制得坚固耐用，则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握的，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入，成为智能型 P.I.D. 控制的重要理论。

三、直流电机的分类（按励磁方式）

直流电机的运行特性与它的励磁方式有很大的关系。励磁方式即前述直流电机原理图中磁极 N、S 所产生的磁场的获得方式：现代电机大都利用电磁铁来产生磁场，因此需要对电磁铁线圈通电，该电磁铁线圈的电源不同，则获得不同的励磁方式。直流电机按励磁方式不同可分为以下几类。

1. 他励电机：他励电机的励磁电流由独立的直流电源供给，励磁电流仅取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与电枢端电压无关。

图 1　他励电机与并励电机

2. 并励电机：并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，其励磁电流不仅与励磁回路的电阻有关，而且还受电枢端电压的影响。

3. 串励电机与复励电机：串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联；复励电机的磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。