簡介

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

馬達的構造與運作

有刷直流馬達由四個關鍵部件組成：定子、轉子、換向器和電刷 (請見圖 1)。

圖 1.雙極有刷馬達

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

電流通過轉子的線圈時，會產(chǎn)生一個磁場，與定子產(chǎn)生的磁場相互作用，使得轉子轉動。換向器是一個圍繞著轉子軸的導電銅套，其中有間隙將換向器分成幾段。軸在旋轉時，在物理上與電刷斷開，重新連接到不同的段。這么一來每次馬達完成半圈時，磁場的極性就會顛倒，達到平穩(wěn)的運動。

有刷直流馬達的優(yōu)點是換向器旋轉時會反轉電流的方向，而無需使用外部控制器。缺點則是電刷和換向器會因摩擦造成磨損，而需要進行維護。

有刷馬達分為五種：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、復繞式和他激式。最常用的類型是永磁體和他激式，因為其用途廣泛。每個種類都有優(yōu)缺點，分別適用于不同的產(chǎn)品應用范圍。

而無刷直流馬達，顧名思義，不使用電刷來換向驅(qū)動電流。無刷馬達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方向，而是使用電子控制電路來改變電流的流動方向。這會從直流電源產(chǎn)生交流電，控制器在馬達每次旋轉 180? 或另一個固定量 (例如三相馬達的 120?) 時反轉電流的方向 (或相位)，進而產(chǎn)生一致的運動。

無刷馬達可以提供比有刷馬達更平滑的運動，通常不太需要維護。無刷馬達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)無刷馬達讓電流流經(jīng)一個固定的繞組，永磁體圍繞繞組旋轉;這避免了透過移動轉子發(fā)送電流的復雜性。

典型的驅(qū)動電路

無刷馬達的主要缺點便是成本，馬達本身與需要更復雜的驅(qū)動電路。

簡單來說，有刷馬達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。如果產(chǎn)品應用要求馬達具有可變速度或能夠改變方向，則需要使用某種驅(qū)動電路。

有刷馬達驅(qū)動電路的工作原理是馬達兩端的電壓與旋轉速度成正比，改變電壓可以控制馬達的速度。電路還能反轉電流流經(jīng)馬達的方向，進而交換運動方向。

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

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

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

圖 2：H 橋門極布置

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

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

用于有刷馬達的簡單解決方案

下例展示實際上是如何控制有刷馬達。

首先，對于玩具這一類簡單的單方向應用，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)。這款裝置堅固耐用，工作溫度最高達 175°C;提供高達 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：單向有刷直流馬達控制

例如移動汽車的后視鏡這一類要用到雙向有刷馬達的場合，需要用到 H 橋 (圖 4)。這個例子用上了 Diodes 的 DMHC4035LSDQ，它在一個簡單的單一封裝中，提供了一個可以切換高達 3A 電流的 H 橋。這個零件也能用于控制單相無刷馬達。

圖 4：雙向有刷馬達控制

結論

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

另一方面，有刷直流馬達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，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)運作或不經(jīng)常使用的產(chǎn)品應用中，例如可調(diào)式汽車后視鏡和汽車座椅馬達。

無論您的產(chǎn)品應用最適合使用有刷馬達還是無刷馬達，務必妥善選擇驅(qū)動電路，以創(chuàng)作出符合您要求的高效設計。