直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)存在了近 200 年，在此期間進(jìn)行了一系列穩(wěn)定的改進(jìn)。最近，無刷直流電機(jī)變得越來越流行，但對(duì)于許多應(yīng)用來說，有刷直流電機(jī)仍然是正確的選擇。有刷電機(jī)成本更低，驅(qū)動(dòng)更簡單，因此它們?nèi)匀皇且环N流行的選擇。

在本文中，我們將解釋有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后了解驅(qū)動(dòng)它們所需的電路。我們還將介紹無刷直流電機(jī)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

有刷直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

回到基礎(chǔ)，電動(dòng)機(jī)的基本原理當(dāng)然是將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。它通過磁體之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中一個(gè)通常是通過使電流通過圍繞鐵氧體磁芯的導(dǎo)線產(chǎn)生的。流經(jīng)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生第二磁場(chǎng)。這與主磁場(chǎng)相互作用以產(chǎn)生移動(dòng)電機(jī)的一部分的相反力，通常導(dǎo)致它圍繞軸旋轉(zhuǎn)。

有刷直流電機(jī)由四個(gè)關(guān)鍵部件組成；固定磁鐵（稱為定子）、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷（見圖 1）。轉(zhuǎn)子由一個(gè)或多個(gè)纏繞在鐵芯（通常為鐵）制成的鐵芯上的繞組組成，并通過金屬“刷子”連接到電源。當(dāng)我們通過轉(zhuǎn)子繞組發(fā)送電流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)相互作用并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的力。定子可以是永磁體或電磁體，具體取決于任何特定應(yīng)用的要求。

這一切都很好，但是如果我們只是使用普通電線將轉(zhuǎn)子繞組連接到電源，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)足夠遠(yuǎn)，它的磁力就會(huì)有效地反轉(zhuǎn)方向——所以轉(zhuǎn)子只會(huì)前后移動(dòng)，而不是旋轉(zhuǎn)一個(gè)方向。

為了解決這個(gè)問題，我們使用了換向器，它是轉(zhuǎn)子軸周圍的導(dǎo)電銅套，在物理和電氣上分為多個(gè)部分。當(dāng)換向器旋轉(zhuǎn)時(shí)，它通過電刷連接和斷開這些段，為不同的段對(duì)供電。這會(huì)導(dǎo)致每次電機(jī)旋轉(zhuǎn) 180o 時(shí)磁場(chǎng)的極性會(huì)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

圖 1：兩極有刷電機(jī)

替代方案：無刷直流電機(jī)

顧名思義，無刷直流電機(jī)沒有電刷。取而代之的是，它使用電子控制電路中的晶體管向轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線施加和斷開電源，從直流電源產(chǎn)生交流電以在每個(gè)半周期反轉(zhuǎn)電流，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電機(jī)通常比有刷電機(jī)更平穩(wěn)、更高效，具有更高的扭矩功率比，并提供更高的速度和更精確的控制。由于電刷或換向器沒有磨損，它們需要的維護(hù)更少，使用壽命更長。然而，無刷電機(jī)的主要缺點(diǎn)之一是成本：電機(jī)本身以及所需的更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。

為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)，無刷電機(jī)的控制器在每次電機(jī)旋轉(zhuǎn) 180 度或另一個(gè)固定量（例如 120 度）的三相電機(jī)時(shí)反轉(zhuǎn)電流的方向或相位。

改變控制電壓可以通過模擬組件來實(shí)現(xiàn)，或者使用?FPGA?或微控制器以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐沸枰私怆姍C(jī)的相對(duì)角位置，以便在正確的時(shí)間激活正確的相位。這可以通過傳感器，通過使用光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)，或者在沒有傳感器的情況下通過從磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)推斷旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)。在任何一種情況下，都經(jīng)常使用一體式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將所需的功能集成到單個(gè)芯片中。

有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

原則上，如上所述，有刷電機(jī)不需要外部控制器，因?yàn)榇艌?chǎng)極性的變化是通過電刷接通和斷開通過繞組的電通路來實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于某些應(yīng)用程序，這已經(jīng)足夠了。但是如果我們想要改變電機(jī)的速度，或者反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，我們就需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。這可以很簡單，只需反轉(zhuǎn)電流方向以使電機(jī)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向。

為了改變速度，我們可以使用分壓器改變電壓——速度與電壓成正比。然而，以這種方式降低電壓是低效的，因?yàn)榉謮浩鞑粫?huì)降低總電流。為了克服這個(gè)問題，通常使用脈寬調(diào)制 （PWM），它涉及快速關(guān)閉和打開電流以降低電機(jī)上的“平均”電壓。

讓我們看一個(gè)簡單的單向應(yīng)用程序的示例，例如玩具。為此，我們只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)反激二極管，它提供了消散反電動(dòng)勢(shì)的路徑，否則可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞（參見圖 2）。

為了能夠改變速度，我們需要一個(gè)能夠提供所需功率并且可以通過控制信號(hào)打開和關(guān)閉的晶體管。這方面的一個(gè)例子是?Diodes Incorporated 的 DMTH4008LFDFWQ，這是一款堅(jiān)固耐用的?MOSFET?器件，工作溫度高達(dá) 175oC。該器件提供高功率密度，采用緊湊的 2mm x 2mm 封裝，可處理高達(dá) 40V 和 11.6A 的電流。

圖 2：單向有刷直流電機(jī)控制

如果需要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，可以使用“H 橋”電路來實(shí)現(xiàn)，之所以這么稱呼是因?yàn)樗褂盟膫€(gè)晶體管來控制電流的流動(dòng)（見圖 3）。當(dāng)兩個(gè)晶體管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí)，電流從左向右流過電機(jī)（圖 3 中標(biāo)記為“BDC”），使其旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉 Q1 和 Q4，并打開 Q2 和 Q3，使電流從右向左流過電機(jī)，使其反向旋轉(zhuǎn)。圖 3 還表明，我們?nèi)匀恍枰獮槊總€(gè)晶體管配備一個(gè)反激二極管，就像前面討論的單晶體管電路一樣。實(shí)際上，晶體管的體二極管提供了這種功能。

圖 3：H 橋柵極布置

現(xiàn)在有可用的器件將 H 橋的所有四個(gè)晶體管集成到一個(gè)封裝中，例如 DMHC4035LSDQ。這形成了一個(gè)可以切換到 3A 的 H 橋。它采用 SO-8 封裝，符合嚴(yán)格的 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車應(yīng)用。該裝置還可用于控制單相無刷電機(jī)。

結(jié)論

有刷直流電機(jī)可能看起來不如無刷表親那么迷人，但它們提供可靠、經(jīng)過驗(yàn)證的性能，需要不太復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路 - 將總成本降至最低。

為任何給定應(yīng)用選擇合適的電機(jī)取決于該應(yīng)用的具體要求。是否需要精確控制電機(jī)的位置，以及無刷電機(jī)提供的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，或者更簡單、成本更低的有刷替代方案能否提供更好的解決方案？避免無刷電機(jī)可以提供的磨損和維護(hù)是否很重要，或者應(yīng)用程序的電機(jī)是否很少運(yùn)行以至于電刷和換向器的劣化是次要的？

如果應(yīng)用無法證明無刷電機(jī)提供的特性帶來的更高成本和復(fù)雜性是合理的，那么有刷直流電機(jī)與正確的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相結(jié)合，仍然可以提供非常有吸引力的解決方案。

審核編輯：湯梓紅