簡介

近年來采用無刷直流馬達(dá)的比例愈來愈高。無刷直流馬達(dá)比起有刷馬達(dá)更為平穩(wěn)高效，對(duì)于維護(hù)的需求更低，扭矩功率比也更高。另一方面，無刷馬達(dá)更昂貴，需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。本文探討了這兩種馬達(dá)之間的更多差異性，并且解釋了在許多產(chǎn)品應(yīng)用中，成本較低的有刷直流馬達(dá)仍然是最佳選擇的原因。

馬達(dá)的構(gòu)造與運(yùn)作

有刷直流馬達(dá)由四個(gè)關(guān)鍵部件組成：定子、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷 (請(qǐng)見圖 1)。

圖 1.雙極有刷馬達(dá)

定子可以是永磁體或電磁體。定子保持靜止并包裹著轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由一個(gè)或多個(gè)纏繞在鐵金屬 (通常是鐵) 芯上的導(dǎo)線組成。

電流通過轉(zhuǎn)子的線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，與定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。換向器是一個(gè)圍繞著轉(zhuǎn)子軸的導(dǎo)電銅套，其中有間隙將換向器分成幾段。軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，在物理上與電刷斷開，重新連接到不同的段。這么一來每次馬達(dá)完成半圈時(shí)，磁場(chǎng)的極性就會(huì)顛倒，達(dá)到平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。

有刷直流馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是換向器旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)反轉(zhuǎn)電流的方向，而無需使用外部控制器。缺點(diǎn)則是電刷和換向器會(huì)因摩擦造成磨損，而需要進(jìn)行維護(hù)。

有刷馬達(dá)分為五種：一種使用永磁體，四種是在定子中使用電磁鐵：分繞式、串繞式、復(fù)繞式和他激式。最常用的類型是永磁體和他激式，因?yàn)槠溆猛緩V泛。每個(gè)種類都有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適用于不同的產(chǎn)品應(yīng)用范圍。

而無刷直流馬達(dá)，顧名思義，不使用電刷來換向驅(qū)動(dòng)電流。無刷馬達(dá)不是透過電刷和有槽換向器之間的物理接觸來改變電流的流動(dòng)方向，而是使用電子控制電路來改變電流的流動(dòng)方向。這會(huì)從直流電源產(chǎn)生交流電，控制器在馬達(dá)每次旋轉(zhuǎn) 180? 或另一個(gè)固定量 (例如三相馬達(dá)的 120?) 時(shí)反轉(zhuǎn)電流的方向 (或相位)，進(jìn)而產(chǎn)生一致的運(yùn)動(dòng)。

無刷馬達(dá)可以提供比有刷馬達(dá)更平滑的運(yùn)動(dòng)，通常不太需要維護(hù)。無刷馬達(dá)的電刷和換向器上無物理磨損，使用壽命也更長。它可以提供更精確的控制和更高的速度，以及通常提供更高的功率重量比。大多數(shù)無刷馬達(dá)讓電流流經(jīng)一個(gè)固定的繞組，永磁體圍繞繞組旋轉(zhuǎn);這避免了透過移動(dòng)轉(zhuǎn)子發(fā)送電流的復(fù)雜性。

典型的驅(qū)動(dòng)電路

無刷馬達(dá)的主要缺點(diǎn)便是成本，馬達(dá)本身與需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。

簡單來說，有刷馬達(dá)無需使用任何外部控制器，電刷連接的物理變化就足以保持其旋轉(zhuǎn)。如果產(chǎn)品應(yīng)用要求馬達(dá)具有可變速度或能夠改變方向，則需要使用某種驅(qū)動(dòng)電路。

有刷馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是馬達(dá)兩端的電壓與旋轉(zhuǎn)速度成正比，改變電壓可以控制馬達(dá)的速度。電路還能反轉(zhuǎn)電流流經(jīng)馬達(dá)的方向，進(jìn)而交換運(yùn)動(dòng)方向。

在實(shí)際使用時(shí)，電壓通常保持恒定，但會(huì)使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 快速關(guān)閉和重新開啟，以達(dá)到基于工作周期的「平均」電壓。這比使用分壓器來降低驅(qū)動(dòng)電壓更有效。

有刷馬達(dá)只要一個(gè)晶體管和一個(gè)續(xù)流二極管，就能在一個(gè)方向上移動(dòng)，如圖 2 所示，如果需要改變方向，需要用到一個(gè)叫做 H 橋的電路。圖 2 中的續(xù)流二極管為反電動(dòng)勢(shì)提供了一條安全的接地路線，否則可能會(huì)造成損害。相比之下，無刷馬達(dá)需要一個(gè)完整的 H 橋才能移動(dòng)。

H 橋使用四個(gè)晶體管來控制電流流動(dòng)：Q1、Q2、Q3 和 Q4。Q1 及 Q4 接通時(shí)，電流從左到右流過馬達(dá) (標(biāo)示為 BDC)，而使其旋轉(zhuǎn)?；蛘呷绻? Q2 和 Q3 接通，電流從右向左流動(dòng)，便以相反的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖 2：H 橋門極布置

沒有物理換向器的無刷馬達(dá)，需要有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路來產(chǎn)生變動(dòng)的交流電壓?？梢允褂媚M組件或使用 FPGA 或微控制器，以數(shù)字方式控制變動(dòng)的電壓。在實(shí)際使用時(shí)，通常使用一體化的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，將所需的功能整合到一個(gè)芯片中，以便進(jìn)行控制。

無刷馬達(dá)的控制電路可以使用傳感器來偵測(cè)馬達(dá)的位置，便能配合旋轉(zhuǎn)切換驅(qū)動(dòng)電壓?？梢允褂霉鈱W(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來做到這一點(diǎn)，也能夠測(cè)量馬達(dá)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來推斷位置;這種配置通常被稱為無傳感器無刷直流馬達(dá)，它少了傳感器的成本，但控制電路也變得更復(fù)雜。

用于有刷馬達(dá)的簡單解決方案

下例展示實(shí)際上是如何控制有刷馬達(dá)。

首先，對(duì)于玩具這一類簡單的單方向應(yīng)用，Diodes 的 MOSFET 產(chǎn)品 DMTH4008LFDFWQ 提供了所需的切換功能，如此便能控制速度 (圖 3)。這款裝置堅(jiān)固耐用，工作溫度最高達(dá) 175°C;提供高達(dá) 40V 和 11.6A 的高功率密度;并且采用 2mm x 2mm 的緊湊封裝形式。

圖 3：單向有刷直流馬達(dá)控制

例如移動(dòng)汽車的后視鏡這一類要用到雙向有刷馬達(dá)的場(chǎng)合，需要用到 H 橋 (圖 4)。這個(gè)例子用上了 Diodes 的 DMHC4035LSDQ，它在一個(gè)簡單的單一封裝中，提供了一個(gè)可以切換高達(dá) 3A 電流的 H 橋。這個(gè)零件也能用于控制單相無刷馬達(dá)。

圖 4：雙向有刷馬達(dá)控制

結(jié)論

比起有刷馬達(dá)，無刷馬達(dá)更具有多種優(yōu)勢(shì)，包括：更高的效率，更佳的控制性、無需維護(hù)。在高價(jià)汽車等高級(jí)產(chǎn)品中，無刷馬達(dá)可能很快會(huì)完全取代有刷馬達(dá)。

另一方面，有刷直流馬達(dá)具有可靠便宜的特色，只要使用最少的外部組件便能驅(qū)動(dòng)，藉此降低總體成本。它們將繼續(xù)用在許多較不要求平穩(wěn)運(yùn)作或不經(jīng)常使用的產(chǎn)品應(yīng)用中，例如可調(diào)式汽車后視鏡和汽車座椅馬達(dá)。

無論您的產(chǎn)品應(yīng)用最適合使用有刷馬達(dá)還是無刷馬達(dá)，務(wù)必妥善選擇驅(qū)動(dòng)電路，以創(chuàng)作出符合您要求的高效設(shè)計(jì)。