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發(fā)布日期:2022-10-09 點(diǎn)擊率:233
直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)存在了近 200 年,在此期間進(jìn)行了一系列穩(wěn)定的改進(jìn)。最近,無刷直流電機(jī)變得越來越流行,但對(duì)于許多應(yīng)用來說,有刷直流電機(jī)仍然是正確的選擇。有刷電機(jī)成本更低,驅(qū)動(dòng)更簡(jiǎn)單,因此它們?nèi)匀皇且环N流行的選擇。
在本文中,我們將解釋有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí),然后了解驅(qū)動(dòng)它們所需的電路。我們還將介紹無刷直流電機(jī)及其優(yōu)缺點(diǎn)。
有刷直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)
回到基礎(chǔ),電動(dòng)機(jī)的基本原理當(dāng)然是將電能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。它通過磁體之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),其中一個(gè)通常是通過使電流通過圍繞鐵氧體磁芯的導(dǎo)線產(chǎn)生的。流經(jīng)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生第二磁場(chǎng)。這與主磁場(chǎng)相互作用以產(chǎn)生移動(dòng)電機(jī)的一部分的相反力,通常導(dǎo)致它圍繞軸旋轉(zhuǎn)。
有刷直流電機(jī)由四個(gè)關(guān)鍵部件組成;固定磁鐵(稱為定子)、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷(見圖 1)。轉(zhuǎn)子由一個(gè)或多個(gè)纏繞在鐵芯(通常為鐵)制成的鐵芯上的繞組組成,并通過金屬“刷子”連接到電源。當(dāng)我們通過轉(zhuǎn)子繞組發(fā)送電流時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子的磁場(chǎng)相互作用并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的力。定子可以是永磁體或電磁體,具體取決于任何特定應(yīng)用的要求。
這一切都很好,但是如果我們只是使用普通電線將轉(zhuǎn)子繞組連接到電源,一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)足夠遠(yuǎn),它的磁力就會(huì)有效地反轉(zhuǎn)方向——所以轉(zhuǎn)子只會(huì)前后移動(dòng),而不是旋轉(zhuǎn)一個(gè)方向。
為了解決這個(gè)問題,我們使用了換向器,它是轉(zhuǎn)子軸周圍的導(dǎo)電銅套,在物理和電氣上分為多個(gè)部分。當(dāng)換向器旋轉(zhuǎn)時(shí),它通過電刷連接和斷開這些段,為不同的段對(duì)供電。這會(huì)導(dǎo)致每次電機(jī)旋轉(zhuǎn) 180o 時(shí)磁場(chǎng)的極性會(huì)反轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。
圖 1:兩極有刷電機(jī)
替代方案:無刷直流電機(jī)
顧名思義,無刷直流電機(jī)沒有電刷。取而代之的是,它使用電子控制電路中的晶體管向轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線施加和斷開電源,從直流電源產(chǎn)生交流電以在每個(gè)半周期反轉(zhuǎn)電流,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
無刷直流電機(jī)通常比有刷電機(jī)更平穩(wěn)、更高效,具有更高的扭矩功率比,并提供更高的速度和更精確的控制。由于電刷或換向器沒有磨損,它們需要的維護(hù)更少,使用壽命更長。然而,無刷電機(jī)的主要缺點(diǎn)之一是成本:電機(jī)本身以及所需的更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。
為了提供連續(xù)運(yùn)動(dòng),無刷電機(jī)的控制器在每次電機(jī)旋轉(zhuǎn) 180 度或另一個(gè)固定量(例如 120 度)的三相電機(jī)時(shí)反轉(zhuǎn)電流的方向或相位。
改變控制電壓可以通過模擬組件來實(shí)現(xiàn),或者使用 FPGA 或微控制器以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。控制電路需要了解電機(jī)的相對(duì)角位置,以便在正確的時(shí)間激活正確的相位。這可以通過傳感器,通過使用光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn),或者在沒有傳感器的情況下通過從磁場(chǎng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)推斷旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)。在任何一種情況下,都經(jīng)常使用一體式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,它將所需的功能集成到單個(gè)芯片中。
有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路
原則上,如上所述,有刷電機(jī)不需要外部控制器,因?yàn)榇艌?chǎng)極性的變化是通過電刷接通和斷開通過繞組的電通路來實(shí)現(xiàn)的,從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
對(duì)于某些應(yīng)用程序,這已經(jīng)足夠了。但是如果我們想要改變電機(jī)的速度,或者反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向,我們就需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。這可以很簡(jiǎn)單,只需反轉(zhuǎn)電流方向以使電機(jī)轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向。
為了改變速度,我們可以使用分壓器改變電壓——速度與電壓成正比。然而,以這種方式降低電壓是低效的,因?yàn)榉謮浩鞑粫?huì)降低總電流。為了克服這個(gè)問題,通常使用脈寬調(diào)制 (PWM),它涉及快速關(guān)閉和打開電流以降低電機(jī)上的“平均”電壓。
讓我們看一個(gè)簡(jiǎn)單的單向應(yīng)用程序的示例,例如玩具。為此,我們只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)反激二極管,它提供了消散反電動(dòng)勢(shì)的路徑,否則可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞(參見圖 2)。
為了能夠改變速度,我們需要一個(gè)能夠提供所需功率并且可以通過控制信號(hào)打開和關(guān)閉的晶體管。這方面的一個(gè)例子是 Diodes Incorporated 的 DMTH4008LFDFWQ,這是一款堅(jiān)固耐用的 MOSFET 器件,工作溫度高達(dá) 175oC。該器件提供高功率密度,采用緊湊的 2mm x 2mm 封裝,可處理高達(dá) 40V 和 11.6A 的電流。
圖 2:?jiǎn)蜗蛴兴⒅绷麟姍C(jī)控制
如果需要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,可以使用“H 橋”電路來實(shí)現(xiàn),之所以這么稱呼是因?yàn)樗褂盟膫€(gè)晶體管來控制電流的流動(dòng)(見圖 3)。當(dāng)兩個(gè)晶體管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí),電流從左向右流過電機(jī)(圖 3 中標(biāo)記為“BDC”),使其旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉 Q1 和 Q4,并打開 Q2 和 Q3,使電流從右向左流過電機(jī),使其反向旋轉(zhuǎn)。圖 3 還表明,我們?nèi)匀恍枰獮槊總€(gè)晶體管配備一個(gè)反激二極管,就像前面討論的單晶體管電路一樣。實(shí)際上,晶體管的體二極管提供了這種功能。
圖 3:H 橋柵極布置
現(xiàn)在有可用的器件將 H 橋的所有四個(gè)晶體管集成到一個(gè)封裝中,例如 DMHC4035LSDQ。這形成了一個(gè)可以切換到 3A 的 H 橋。它采用 SO-8 封裝,符合嚴(yán)格的 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn),適用于汽車應(yīng)用。該裝置還可用于控制單相無刷電機(jī)。
結(jié)論
有刷直流電機(jī)可能看起來不如無刷表親那么迷人,但它們提供可靠、經(jīng)過驗(yàn)證的性能,需要不太復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路 - 將總成本降至最低。
為任何給定應(yīng)用選擇合適的電機(jī)取決于該應(yīng)用的具體要求。是否需要精確控制電機(jī)的位置,以及無刷電機(jī)提供的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,或者更簡(jiǎn)單、成本更低的有刷替代方案能否提供更好的解決方案?避免無刷電機(jī)可以提供的磨損和維護(hù)是否很重要,或者應(yīng)用程序的電機(jī)是否很少運(yùn)行以至于電刷和換向器的劣化是次要的?
如果應(yīng)用無法證明無刷電機(jī)提供的特性帶來的更高成本和復(fù)雜性是合理的,那么有刷直流電機(jī)與正確的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相結(jié)合,仍然可以提供非常有吸引力的解決方案。
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