有刷直流電機基礎(chǔ)知識及驅(qū)動電路

直流電動機已經(jīng)存在了近 200 年，在此期間進行了一系列穩(wěn)定的改進。最近，無刷直流電機變得越來越流行，但對于許多應(yīng)用來說，有刷直流電機仍然是正確的選擇。有刷電機成本更低，驅(qū)動更簡單，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的基礎(chǔ)知識，然后了解驅(qū)動它們所需的電路。我們還將介紹無刷直流電機及其優(yōu)缺點。

有刷直流電機基礎(chǔ)知識

回到基礎(chǔ)，電動機的基本原理當(dāng)然是將電能轉(zhuǎn)化為運動。它通過磁體之間的相互作用來實現(xiàn)這一點，其中一個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。這與主磁場相互作用以產(chǎn)生移動電機的一部分的相反力，通常導(dǎo)致它圍繞軸旋轉(zhuǎn)。

有刷直流電機由四個關(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)子由一個或多個纏繞在鐵芯（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，產(chǎn)生的磁場與定子的磁場相互作用并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動轉(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)動足夠遠，它的磁力就會有效地反轉(zhuǎn)方向——所以轉(zhuǎn)子只會前后移動，而不是旋轉(zhuǎn)一個方向。

為了解決這個問題，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部分。當(dāng)換向器旋轉(zhuǎn)時，它通過電刷連接和斷開這些段，為不同的段對供電。這會導(dǎo)致每次電機旋轉(zhuǎn) 180o 時磁場的極性會反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

圖 1：兩極有刷電機

替代方案：無刷直流電機

顧名思義，無刷直流電機沒有電刷。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)生交流電以在每個半周期反轉(zhuǎn)電流，從而實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電機通常比有刷電機更平穩(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，它們需要的維護更少，使用壽命更長。然而，無刷電機的主要缺點之一是成本：電機本身以及所需的更復(fù)雜的驅(qū)動電路。

為了提供連續(xù)運動，無刷電機的控制器在每次電機旋轉(zhuǎn) 180 度或另一個固定量（例如 120 度）的三相電機時反轉(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現(xiàn)，或者使用 FPGA 或微控制器以數(shù)字方式實現(xiàn)?？刂齐娐沸枰私怆姍C的相對角位置，以便在正確的時間激活正確的相位。這可以通過傳感器，通過使用光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來實現(xiàn)，或者在沒有傳感器的情況下通過從磁場產(chǎn)生的反電動勢推斷旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)。在任何一種情況下，都經(jīng)常使用一體式電機驅(qū)動器，它將所需的功能集成到單個芯片中。

有刷電機的驅(qū)動電路

原則上，如上所述，有刷電機不需要外部控制器，因為磁場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現(xiàn)的，從而實現(xiàn)在一個方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

對于某些應(yīng)用程序，這已經(jīng)足夠了。但是如果我們想要改變電機的速度，或者反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，我們就需要一個驅(qū)動電路。這可以很簡單，只需反轉(zhuǎn)電流方向以使電機轉(zhuǎn)向另一個方向。

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，因為分壓器不會降低總電流。為了克服這個問題，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上的“平均”電壓。

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

為了能夠改變速度，我們需要一個能夠提供所需功率并且可以通過控制信號打開和關(guān)閉的晶體管。這方面的一個例子是 Diodes Incorporated 的 DMTH4008LFDFWQ，這是一款堅固耐用的 MOSFET 器件，工作溫度高達 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 40V 和 11.6A 的電流。

圖 2：單向有刷直流電機控制

如果需要改變電機的旋轉(zhuǎn)方向，可以使用“H 橋”電路來實現(xiàn)，之所以這么稱呼是因為它使用四個晶體管來控制電流的流動（見圖 3）。當(dāng)兩個晶體管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時，電流從左向右流過電機（圖 3 中標記為“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，使其反向旋轉(zhuǎn)。圖 3 還表明，我們?nèi)匀恍枰獮槊總€晶體管配備一個反激二極管，就像前面討論的單晶體管電路一樣。實際上，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 橋的所有四個晶體管集成到一個封裝中，例如 DMHC4035LSDQ。這形成了一個可以切換到 3A 的 H 橋。它采用 SO-8 封裝，符合嚴格的 AEC-Q101 標準，適用于汽車應(yīng)用。該裝置還可用于控制單相無刷電機。

結(jié)論

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

為任何給定應(yīng)用選擇合適的電機取決于該應(yīng)用的具體要求。是否需要精確控制電機的位置，以及無刷電機提供的運動平穩(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？避免無刷電機可以提供的磨損和維護是否很重要，或者應(yīng)用程序的電機是否很少運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，那么有刷直流電機與正確的驅(qū)動電路設(shè)計相結(jié)合，仍然可以提供非常有吸引力的解決方案。