有刷直流电机驱动电路及其优缺点

直流电动机已经存在了(jìn) 200 年，在此期间进行了一系列稳定的改进。最(jìn)，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