利用有刷直流電機來完成一個項目

您需要一個小型電機來完成一個項目，并且您會本能地查看各種標準無刷直流（BLDC）電機。這樣做有多種原因：它們可以直接使用當今的控制器 IC 或嵌入式固件來驅動；您可以輕松地將所選電機與處理器和電機極之間的必要 MOSFET 驅動器相匹配；由于沒有滑動接觸電刷，它們可靠且產生最小的 EMI。

但是等等……BLDC 電機供應商網站還提供有刷直流（BDC）電機，這些電機已經“永遠存在”。為什么有人會選擇一個有刷子或接觸手指的問題以及難以嚴格控制其性能的有刷電機，除了它們的成本較低或用于遺留應用程序？這沒有任何意義。

至少我是這么想的，直到我在Medical Design Briefs上看到一篇關于精密便攜式輸液泵電機選擇的文章，“每一滴都很重要：設計電機以優化家用和流動輸液泵。” 這種線性蠕動泵機制是一種先進的應用，其中低成本當然不是選擇過程的主要標準（盡管它是其中之一，當然）。這篇文章清楚地說明了無芯有刷直流電機與 BLDC（以及步進電機，一種 BLDC 變體）在效率、緊湊性、壽命、噪音水平和可靠性方面的相對優勢。它包括對電機設計和尺寸的分析，并非常清楚為什么古老的有刷電機（盡管采用更現代的“無芯”配置）是這里的最佳選擇。

BLDC 和 BDC 安排有什么區別？簡而言之，無刷電機有一組電磁線圈（磁極）固定在外殼內部的適當位置，高強度永磁體附在旋轉軸（轉子）上，圖 1（右）。由于控制電子設備（電子換向 - EC）按順序為磁極供電，轉子周圍的磁場旋轉，因此吸引/排斥轉子，轉子被迫跟隨磁場。

驅動磁極的電流可能是方波，效率低下并且會引起振動，因此大多數設計都使用斜坡波形，其形狀針對所需的電效率和運動精度組合進行了定制。此外，控制器可以微調激勵波形，以實現快速而平穩的啟動和停止而不會出現過沖，以及對機械負載瞬態的清晰響應。簡而言之，有什么不喜歡的？

圖 1：有刷直流電機使用機械觸點實現磁場的換向和交變（左），而無刷直流電機設計使用電子換向，沒有易磨損或產生 EMI 的動觸點（右）。

相比之下，有刷直流電機使用機械換向來切換轉子（也稱為電樞）與定子（定子的磁場由永磁體或電磁線圈產生的磁場）的極性，圖 1（左）。電樞上沒有永磁體，而是有電流通過的線圈繞組。是轉子線圈和定子之間磁場的相互作用和不斷反轉，從而引起旋轉運動。使磁場反轉的換向作用是通過物理接觸（稱為電刷）來實現，這些接觸會接觸電樞線圈并因此為電樞線圈供電。

有刷電機的尺寸從微型電機提供幾英寸盎司的扭矩到數百馬力，并已成功使用了 100 多年，并且在許多安裝中運行良好。主要缺點是換向觸點——在大型電機中使用石墨實現——會磨損，同時還會產生導電灰塵；當觸點接通和斷開時，還會產生火花和 EMI。較小的有刷電機使用具有類似問題的金屬板簧，但規模要小得多。

大多數新設計選擇 BDLC 電機，因為與有刷電機相比，它具有良好的優點和較少的缺點。您可以選擇不同的電壓、電流、扭矩和其他額定值，以及軟件或固件中的硬件驅動程序和控制算法。許多還提供了 GUI，可以輕松設置所需的性能屬性（速度、加速/減速曲線和響應能力）。

相比之下，有刷電機更難以精確控制，并且這樣做的算法只能在更有限的范圍內做到這一點。一些有刷設計添加了旋轉位置反饋傳感器（光學、霍爾效應、電容或磁性），這可以提高性能，但會增加 BOM 成本，存在機械安裝問題，并增加控制復雜性。（公平地說，雖然許多 BLDC 安裝不需要這樣的反饋傳感器，但有時會在其中添加它以實現閉環反饋并提高性能。）

盡管有明顯的缺點，有刷電機仍然具有廣泛的應用，超出了引用的高度專業化的泵示例或低成本玩具。盡管電氣和機械條件惡劣，但它在汽車等大眾市場用途中得到了非常廣泛的應用。IC 供應商提供有刷電機驅動器系列，例如德州儀器（TI）的 DRV887x 系列。他們的基本 DRV8870 驅動器（圖 2）包括使用脈寬調制（PWM）控制為線圈通電以提高性能的規定；該系列中的其他 IC 添加了故障報告和電流感應等功能。