驱动有刷直流马达：何时可做为无刷式的替代品

简介

近年来采用无刷直流马达的比例愈来愈高。无刷直流马达比起有刷马达更为平稳高效，对于维护的需求更低，扭矩功率比也更高。另一方面，无刷马达更昂贵，需要更复杂的驱动电路。本文探讨了这两种马达之间的更多差异性，并且解释了在许多产品应用中，成本较低的有刷直流马达仍然是最佳选择的原因。

马达的构造与运作

有刷直流马达由四个关键部件组成：定子、转子、换向器和电刷 (请见图 1)。

图 1.双极有刷马达

定子可以是永磁体或电磁体。定子保持静止并包裹着转子，转子由一个或多个缠绕在铁金属 (通常是铁) 芯上的导线组成。

电流通过转子的线圈时，会产生一个磁场，与定子产生的磁场相互作用，使得转子转动。换向器是一个围绕着转子轴的导电铜套，其中有间隙将换向器分成几段。轴在旋转时，在物理上与电刷断开，重新连接到不同的段。这么一来每次马达完成半圈时，磁场的极性就会颠倒，达到平稳的运动。

有刷直流马达的优点是换向器旋转时会反转电流的方向，而无需使用外部控制器。缺点则是电刷和换向器会因摩擦造成磨损，而需要进行维护。

有刷马达分为五种：一种使用永磁体，四种是在定子中使用电磁铁：分绕式、串绕式、复绕式和他激式。最常用的类型是永磁体和他激式，因为其用途广泛。每个种类都有优缺点，分别适用于不同的产品应用范围。

而无刷直流马达，顾名思义，不使用电刷来换向驱动电流。无刷马达不是透过电刷和有槽换向器之间的物理接触来改变电流的流动方向，而是使用电子控制电路来改变电流的流动方向。这会从直流电源产生交流电，控制器在马达每次旋转 180˚ 或另一个固定量 (例如三相马达的 120˚) 时反转电流的方向 (或相位)，进而产生一致的运动。

无刷马达可以提供比有刷马达更平滑的运动，通常不太需要维护。无刷马达的电刷和换向器上无物理磨损，使用寿命也更长。它可以提供更精确的控制和更高的速度，以及通常提供更高的功率重量比。大多数无刷马达让电流流经一个固定的绕组，永磁体围绕绕组旋转;这避免了透过移动转子发送电流的复杂性。

典型的驱动电路

无刷马达的主要缺点便是成本，马达本身与需要更复杂的驱动电路。

简单来说，有刷马达无需使用任何外部控制器，电刷连接的物理变化就足以保持其旋转。如果产品应用要求马达具有可变速度或能够改变方向，则需要使用某种驱动电路。

有刷马达驱动电路的工作原理是马达两端的电压与旋转速度成正比，改变电压可以控制马达的速度。电路还能反转电流流经马达的方向，进而交换运动方向。

在实际使用时，电压通常保持恒定，但会使用脉冲宽度调制 (PWM) 快速关闭和重新开启，以达到基于工作周期的「平均」电压。这比使用分压器来降低驱动电压更有效。

有刷马达只要一个晶体管和一个续流二极管，就能在一个方向上移动，如图 2 所示，如果需要改变方向，需要用到一个叫做 H 桥的电路。图 2 中的续流二极管为反电动势提供了一条安全的接地路线，否则可能会造成损害。相比之下，无刷马达需要一个完整的 H 桥才能移动。

H 桥使用四个晶体管来控制电流流动：Q1、Q2、Q3 和 Q4。Q1 及 Q4 接通时，电流从左到右流过马达 (标示为 BDC)，而使其旋转。或者如果 Q2 和 Q3 接通，电流从右向左流动，便以相反的方向进行旋转。

图 2：H 桥门极布置

没有物理换向器的无刷马达，需要有复杂的驱动电路来产生变动的交流电压。可以使用模拟组件或使用 FPGA 或微控制器，以数字方式控制变动的电压。在实际使用时，通常使用一体化的马达驱动器，将所需的功能整合到一个芯片中，以便进行控制。

无刷马达的控制电路可以使用传感器来侦测马达的位置，便能配合旋转切换驱动电压。可以使用光学编码器或霍尔效应传感器来做到这一点，也能够测量马达绕组产生的反电动势来推断位置;这种配置通常被称为无传感器无刷直流马达，它少了传感器的成本，但控制电路也变得更复杂。

用于有刷马达的简单解决方案

下例展示实际上是如何控制有刷马达。

首先，对于玩具这一类简单的单方向应用，Diodes 的 MOSFET 产品 DMTH4008LFDFWQ 提供了所需的切换功能，如此便能控制速度 (图 3)。这款装置坚固耐用，工作温度最高达 175°C;提供高达 40V 和 11.6A 的高功率密度;并且采用 2mm x 2mm 的紧凑封装形式。

图 3：单向有刷直流马达控制

例如移动汽车的后视镜这一类要用到双向有刷马达的场合，需要用到 H 桥 (图 4)。这个例子用上了 Diodes 的 DMHC4035LSDQ，它在一个简单的单一封装中，提供了一个可以切换高达 3A 电流的 H 桥。这个零件也能用于控制单相无刷马达。

图 4：双向有刷马达控制

结论

比起有刷马达，无刷马达更具有多种优势，包括：更高的效率，更佳的控制性、无需维护。在高价汽车等高级产品中，无刷马达可能很快会完全取代有刷马达。

另一方面，有刷直流马达具有可靠便宜的特色，只要使用最少的外部组件便能驱动，藉此降低总体成本。它们将继续用在许多较不要求平稳运作或不经常使用的产品应用中，例如可调式汽车后视镜和汽车座椅马达。

无论您的产品应用最适合使用有刷马达还是无刷马达，务必妥善选择驱动电路，以创作出符合您要求的高效设计。