有刷直流电机与驱动电路设计相结合的方案分享

电路

直流电动机已经存在了近 200 年，在此期间进行了一系列稳定的改进。最近，无刷直流电机变得越来越流行，但对于许多应用来说，有刷直流电机仍然是正确的选择。有刷电机成本更低，驱动更简单，因此它们仍然是一种流行的选择。

在本文中，我们将解释有刷直流电机的基础知识，然后了解驱动它们所需的电路。我们还将介绍无刷直流电机及其优缺点。

有刷直流电机基础知识

回到基础，电动机的基本原理当然是将电能转化为运动。它通过磁体之间的相互作用来实现这一点，其中一个通常是通过使电流通过围绕铁氧体磁芯的导线产生的。流经导线的电流产生第二磁场。这与主磁场相互作用以产生移动电机的一部分的相反力，通常导致它围绕轴旋转。

有刷直流电机由四个关键部件组成；固定磁铁（称为定子）、转子、换向器和电刷（见图 1）。转子由一个或多个缠绕在铁芯（通常为铁）制成的铁芯上的绕组组成，并通过金属“刷子”连接到电源。当我们通过转子绕组发送电流时，产生的磁场与定子的磁场相互作用并产生转动转子的力。定子可以是永磁体或电磁体，具体取决于任何特定应用的要求。

这一切都很好，但是如果我们只是使用普通电线将转子绕组连接到电源，一旦转子转动足够远，它的磁力就会有效地反转方向——所以转子只会前后移动，而不是旋转一个方向。

为了解决这个问题，我们使用了换向器，它是转子轴周围的导电铜套，在物理和电气上分为多个部分。当换向器旋转时，它通过电刷连接和断开这些段，为不同的段对供电。这会导致每次电机旋转 180º 时磁场的极性会反转，从而实现平稳连续的旋转。

图 1：两极有刷电机

替代方案：无刷直流电机

顾名思义，无刷直流电机没有电刷。取而代之的是，它使用电子控制电路中的晶体管向转子的导线施加和断开电源，从直流电源产生交流电以在每个半周期反转电流，从而实现连续旋转。

无刷直流电机通常比有刷电机更平稳、更高效，具有更高的扭矩功率比，并提供更高的速度和更精确的控制。由于电刷或换向器没有磨损，它们需要的维护更少，使用寿命更长。然而，无刷电机的主要缺点之一是成本：电机本身以及所需的更复杂的驱动电路。

为了提供连续运动，无刷电机的控制器在每次电机旋转 180 度或另一个固定量（例如 120 度）的三相电机时反转电流的方向或相位。

改变控制电压可以通过模拟组件来实现，或者使用 FPGA 或微控制器以数字方式实现。控制电路需要了解电机的相对角位置，以便在正确的时间激活正确的相位。这可以通过传感器，通过使用光学编码器或霍尔效应传感器来实现，或者在没有传感器的情况下通过从磁场产生的反电动势推断旋转角度来实现。在任何一种情况下，都经常使用一体式电机驱动器，它将所需的功能集成到单个芯片中。

有刷电机的驱动电路

原则上，如上所述，有刷电机不需要外部控制器，因为磁场极性的变化是通过电刷接通和断开通过绕组的电通路来实现的，从而实现在一个方向上的连续旋转。

对于某些应用程序，这已经足够了。但是如果我们想要改变电机的速度，或者反转旋转方向，我们就需要一个驱动电路。这可以很简单，只需反转电流方向以使电机转向另一个方向。

为了改变速度，我们可以使用分压器改变电压——速度与电压成正比。然而，以这种方式降低电压是低效的，因为分压器不会降低总电流。为了克服这个问题，通常使用脉宽调制（PWM），它涉及快速关闭和打开电流以降低电机上的“平均”电压。

让我们看一个简单的单向应用程序的示例，例如玩具。为此，我们只需要一个晶体管和一个反激二极管，它提供了消散反电动势的路径，否则可能会导致损坏（参见图 2）。

为了能够改变速度，我们需要一个能够提供所需功率并且可以通过控制信号打开和关闭的晶体管。这方面的一个例子是 Diodes Incorporated 的 DMTH4008LFDFWQ，这是一款坚固耐用的 MOSFET 器件，工作温度高达 175ºC。该器件提供高功率密度，采用紧凑的 2mm x 2mm 封装，可处理高达 40V 和 11.6A 的电流。

图 2：单向有刷直流电机控制

如果需要改变电机的旋转方向，可以使用“H 桥”电路来实现，之所以这么称呼是因为它使用四个晶体管来控制电流的流动（见图 3）。当两个晶体管 Q1 和 Q4 导通时，电流从左向右流过电机（图 3 中标记为“BDC”），使其旋转。关闭 Q1 和 Q4，并打开 Q2 和 Q3，使电流从右向左流过电机，使其反向旋转。图 3 还表明，我们仍然需要为每个晶体管配备一个反激二极管，就像前面讨论的单晶体管电路一样。实际上，晶体管的体二极管提供了这种功能。

图 3：H 桥栅极布置

现在有可用的器件将 H 桥的所有四个晶体管集成到一个封装中，例如 DMHC4035LSDQ。这形成了一个可以切换到 3A 的 H 桥。它采用 SO-8 封装，符合严格的 AEC-Q101 标准，适用于汽车应用。该装置还可用于控制单相无刷电机。

结论

有刷直流电机可能看起来不如无刷表亲那么迷人，但它们提供可靠、经过验证的性能，需要不太复杂的驱动电路 - 将总成本降至最低。

为任何给定应用选择合适的电机取决于该应用的具体要求。是否需要精确控制电机的位置，以及无刷电机提供的运动平稳性，或者更简单、成本更低的有刷替代方案能否提供更好的解决方案？避免无刷电机可以提供的磨损和维护是否很重要，或者应用程序的电机是否很少运行以至于电刷和换向器的劣化是次要的？

如果应用无法证明无刷电机提供的特性带来的更高成本和复杂性是合理的，那么有刷直流电机与正确的驱动电路设计相结合，仍然可以提供非常有吸引力的解决方案。