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直流電動機已經存在了近兩百年，并在此期間進行了一系列穩步的改進。最近，無刷直流電機變得越來越流行，但對于許多應用來說，有刷直流電機仍然是正確的選擇。有刷電機成本更低，驅動更簡單，因此仍然是一種受歡迎的選擇。
在本文中，我們將解釋有刷直流電機的基礎知識，然后了解驅動它們所需的電路。我們還將介紹無刷直流電機及其優缺點。
有刷直流電機基礎知識
回到基礎，電動機的基本原理當然是將電力轉化為運動。它通過磁體之間的相互作用來實現這一點，其中一種磁體通常是通過使電流穿過鐵氧體磁芯周圍的導線而產生的。流過導線的電流產生第二磁場。它與主磁場相互作用，產生反向力，移動電機的一部分，通常導致電機繞軸旋轉。
有刷直流電機由四個關鍵部件組成；固定磁鐵（稱為定子）、轉子、換向器和電刷（見圖 1）。轉子由一個或多個纏繞在黑色金屬（通常是鐵）制成的磁芯上的繞組組成，并通過金屬“電刷”連接到電源。當我們通過轉子繞組發送電流時，產生的磁場與定子磁場相互作用，并產生轉動轉子的力。定子可以是永磁體或電磁體，具體取決于任何特定應用的要求。
這一切都很好，但如果我們只使用常規電線將轉子繞組連接到電源，一旦轉子轉得足夠遠，其磁力將有效地反轉方向 - 因此轉子只會前后移動，而不是旋轉一個方向。
為了解決這個問題，我們使用換向器，它是圍繞轉子軸的導電銅套，在物理和電氣上分為多個部分。當換向器旋轉時，它通過電刷連接和斷開這些片段，從而向不同的片段對供電。這會導致電機每次旋轉 180° 時磁場極性發生反轉，從而實現平穩、連續的旋轉。
替代方案：無刷直流電機
顧名思義，無刷直流電機沒有電刷。相反，它使用電子控制電路中的晶體管向轉子導線施加和斷開電源，從直流電源產生交流電，以在每個半周期反轉電流，從而實現連續旋轉。
無刷直流電機通常比有刷電機更平穩、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，因此需要更少的維護并具有更長的使用壽命。然而，無刷電機的主要缺點之一是成本：電機本身的成本以及所需的更復雜的驅動電路的成本。
為了提供連續運動，每當電機旋轉 180 度或另一個固定量（例如三相電機的 120 度）時，無刷電機的控制器就會反轉電流的方向或相位。
改變控制電壓可以通過模擬組件實現，或者使用 FPGA 或微控制器以數字方式實現。控制電路需要了解電機的相對角位置，以便能夠在正確的時間激活正確的相位。這可以通過使用光學編碼器或霍爾效應傳感器來使用傳感器來實現，或者通過從磁場產生的反電動勢推斷旋轉角度來不使用傳感器來實現。無論哪種情況，通常都會使用一體化電機驅動器，將所需的功能集成到單個芯片中。
有刷電機的驅動電路
原則上，如上所述，有刷電機不需要外部控制器，因為磁場極性的改變是通過電刷建立和斷開穿過繞組的電氣路徑來實現的，從而實現沿一個方向的連續旋轉。
對于某些應用程序來說，這已經足夠了。但如果我們希望能夠改變電機的速度，或者反轉旋轉方向，我們就需要一個驅動電路。這可以很簡單，只需反轉電流方向即可使電機向另一個方向轉動。
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效率低下，因為分壓器不會降低總電流。為了克服這個問題，通常使用脈寬調制（PWM），它涉及快速關閉和打開電流以降低電機上的“平均”電壓。
讓我們看一個簡單的單向應用程序的示例，例如玩具。為此，我們只需要一個晶體管和一個反激二極管，它提供了消散反電動勢的途徑，否則可能會造成損壞。
為了改變速度，我們需要一個能夠提供所需功率并可以通過控制信號打開和關閉的晶體管。Diodes 公司的 DMTH4008LFDFWQ 就是一個例子，這是一款堅固耐用的 MOSFET 器件，工作溫度高達 175°C。該器件具有高功率密度，在緊湊的 2mm x 2mm 封裝中可處理高達 40V 和 11.6A 的電流。
如果需要改變電機的旋轉方向，可以使用“H 橋”電路來實現，之所以這樣稱呼是因為它使用四個晶體管來控制電流（見圖 3）。當兩個晶體管 Q1 和 Q4 導通時，電流從左向右流過電機（圖 3 中標記為“BDC”），使其旋轉。關閉 Q1 和 Q4，打開 Q2 和 Q3，使電流從右向左流過電機，使其沿相反方向旋轉。圖 3 還顯示，我們仍然需要為每個晶體管配備一個反激二極管，如前面討論的單晶體管電路一樣。實際上，晶體管的體二極管提供了此功能。
現在有一些器件可將 H 橋的所有四個晶體管集成到一個封裝中，例如 DMHC4035LSDQ。這形成了一個可切換高達 3A 電流的 H 橋。它采用 SO-8 封裝，符合嚴格的 AEC-Q101 標準，適合汽車應用。該裝置還可用于控制單相無刷電機。
結論
有刷直流電機可能看起來不如無刷電機那么迷人，但它們提供可靠、經過驗證的性能，需要不太復雜的驅動電路，從而將總體成本降至最低。
為任何給定應用選擇合適的電機取決于該應用的具體要求。是否需要通過無刷電機提供的平滑運動來精確控制電機的位置，或者更簡單、成本更低的有刷替代品能否提供更好的解決方案？避免磨損和維護是否很重要（無刷電機可以實現這一點），還是應用中的電機很少運行，以至于電刷和換向器的損壞不被優先考慮？
如果應用無法證明無刷電機所提供的功能帶來的更高成本和復雜性是合理的，那么有刷直流電機加上正確的驅動電路設計，仍然可以提供非常有吸引力的解決方案。
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