有刷直流電機及其驅動IC的驅動方式

直流電動機已經存在了近兩百年，并在那段時間里進行了一系列的不斷改進。最近，無刷直流電機越來越受歡迎，但對于許多應用來說，有刷直流電機仍然是正確的選擇。有刷電機成本更低，驅動更簡單，因此它們仍然是一個受歡迎的選擇。

在本文中，我們將解釋有刷直流電機的基礎知識，然后查看驅動它們所需的電路。我們還將介紹無刷直流電機及其優缺點。

有刷直流電機基礎知識

回到基礎，電動機的基本原理當然是它將電能轉化為運動。它通過磁體之間的相互作用來實現這一點，其中一個磁體通常是通過電流通過圍繞鐵氧體磁芯的導線而產生的。流經導線的電流產生第二個磁場。這與初級磁場相互作用，產生相反的力，使電機的一部分移動，通常導致其圍繞軸旋轉。

有刷直流電機由四個關鍵部件組成;固定磁鐵（稱為定子）、轉子、換向器和電刷（見圖1）。轉子由一個或多個纏繞線組成，纏繞在由黑色金屬（通常是鐵）制成的磁芯上，并用金屬“刷子”連接到電源。當我們通過轉子繞組發送電流時，產生的場與定子的磁場相互作用，并產生轉動轉子的力。定子可以是永磁體或電磁鐵，具體取決于任何特定應用的要求。

這一切都很好，但是如果我們只使用常規導線將轉子繞組連接到電源，一旦轉子轉動得足夠遠，其磁力將有效地反轉方向 - 因此轉子將來回移動，而不是在一個方向上旋轉。

為了解決這個問題，我們使用換向器，它是圍繞轉子軸的導電銅套管，在物理和電氣上分為段。當換向器旋轉時，它通過電刷連接和斷開這些段，將功率施加到不同的段對上。這導致磁場的極性在每次電機旋轉180º時反轉，從而實現平穩和連續的旋轉。

圖1：雙極有刷電機

替代方案：無刷直流電機

顧名思義，無刷直流電機沒有電刷。相反，它使用電子控制電路中的晶體管將功率施加并移除轉子的導線，從直流電源產生交流電以在每個半周期上反轉電流，從而實現連續旋轉。

無刷直流電機通常比有刷電機更平穩，更高效，具有更高的扭矩功率比，并通過更精確的控制提供更高的速度。由于刷子或換向器沒有磨損，因此需要更少的維護，并具有更長的使用壽命。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雜的驅動電路。

為了提供連續運動，無刷電機的控制器在每次電機旋轉180度時反轉電流的方向或相位，或者另一個固定量，例如3相電機的120度。

改變控制電壓可以通過模擬元件實現，也可以使用FPGA或微控制器進行數字控制?？刂齐娐沸枰离姍C的相對角位置，以便在正確的時間激活正確的相位。這可以通過傳感器來實現，通過使用光學編碼器或霍爾效應傳感器，或者通過從磁場產生的反電動勢推斷旋轉角度來不使用傳感器來實現。在任何一種情況下，通常使用一體化電機驅動IC，將所需功能集成到單個芯片中。

有刷電機驅動IC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通過繞組制造和斷開電通路來實現的，從而實現在一個方向上的連續旋轉。

對于某些應用程序，這已經足夠好了。但是，如果我們希望能夠改變電機的速度，或反轉旋轉方向，我們需要一個驅動電路。這可以像反轉電流流動的方向一樣簡單，使電機轉向另一個方向。

為了改變速度，我們可以使用電位分壓器改變電壓 - 速度與電壓成正比。然而，以這種方式降低電壓是低效的，因為分壓器不會減少流動的總電流。為了克服這一點，通常使用脈寬調制（PWM），這涉及快速關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，它提供了一條耗散反電動勢的途徑，否則可能會造成損壞（見圖2）。

為了使速度變化，我們需要一個晶體管，它可以提供所需的功率，并且可以通過控制信號打開和關閉。需要一款堅固耐用的MOSFET器件，可在高達175ºC的溫度下工作。該器件具有高功率密度，可在緊湊的2mm x 2mm封裝中處理高達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方向，可以使用“H橋”電路來實現，之所以這樣稱呼，是因為它使用四個晶體管來控制電流（見圖3）。當兩個晶體管Q1和Q4接通時，電流從左到右流過電機（圖3中標記為“BDC”），使其旋轉。關閉Q1和Q4，打開Q2和Q3，使電流從右流向左流過電機，使其向相反方向旋轉。圖3還顯示，我們仍然需要為每個晶體管使用一個反激二極管，如前面討論的單晶體管電路所示。在實踐中，晶體管的體二極管提供此功能。

圖3：H橋柵極布置

結論

有刷直流電機可能看起來不如其無刷表親那么迷人，但它們提供了可靠，經過驗證的性能，需要更簡單的驅動電路 - 將總體成本降至最低。

為任何給定的應用選擇合適的電機取決于該應用的特定要求。是否需要通過無刷電機提供的運動平滑度來精確控制電機的位置，或者更簡單，成本更低的有刷替代方案是否可以提供更好的解決方案？是避免無刷電機可以提供的磨損和維護很重要，還是應用的電機運行得如此之少，以至于電刷和換向器的劣化是低優先級的？

如果應用不能證明無刷電機提供的特性帶來的更高成本和復雜性是合理的，那么有刷直流電機與正確的驅動電路設計相結合，仍然可以提供非常吸引人的解決方案。

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