有刷直流电机和无刷直流电机：参数、操作和直流电机驱动器

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简介

直流电机是将电能转换为机械运动的机器，它功能多样，无论是在小型家用电器还是工业机械中，都能见到它的身影。直流电机依赖电磁的相互作用工作，它简单、高效且用途广泛。

两种常见的直流电机类型包括有刷直流电机和无刷直流 (BLDC) 电机。本文将介绍与之相关的组件、操作、参数以及计算，另外还将介绍可与这些解决方案一起使用的电机驱动器。

直流电机参数

无论是有刷还是无刷，直流电机都有一些关键参数必须检测、监控甚至计算出来，用于确定哪种电机最适合应用。

图 1 总结了电机驱动器的参数，下面将进行更详细的描述。

图1: 直流电机参数

1. 电压：电压是施加到电机上的电势差。电机的电压非常重要，因为它决定了其他一些关键参数，如电机的速度、扭矩和输出功率(P_OUT)。电压越高，电机速度就越快。通过调整电压可以对电机进行控制，改变电压除了可以改变电机的速度，还可以反转电机的旋转方向。降低电压则会减慢电机速度；当电压降至零时，电机即停止工作。

每个电机都有其工作电压范围。建议将电机电压保持在其工作范围内，以确保电机有效、安全地运行。

2. 电流：施加电压到电机时，电流会流过电机。电流与扭矩成线性关系；在电压恒定的条件下，增加扭矩会增大电流。不过，尽管增大电流也会提高P_OUT，但仍需将电流保持在其工作范围内，因为过流 (OC) 状况可能会使电机过载并导致过热。

电流对电机速度的影响不像电压那么大，但它仍然可以用来微调电机的速度。

3. 扭矩：扭矩是对电机旋转力的度量。电机的旋转力非常关键，最大扭矩是选择电机时要考虑的主要参数之一。扭矩必须足够高，才能克服电机的机械阻力并带动负载，无论是运行传送带，还是旋转重型机械。

电机开始运转时，需要很大的扭矩来加速；此外，还要有减速扭矩使电机在恰当的时间范围内减速。某些应用（例如 MRI 机器）需要具有高连续扭矩的电机，而机器人手臂等应用则需要能够提供极高突发扭矩的电机。

扭矩可以用公式（1）来计算：

$$T=K \times I$$

其中 I 是电流，K 是电机的扭矩常数。

4. 速度：电机的速度用于衡量电机旋转得有多快，通常以每分钟转数 (rpm) 来表示。速度与施加到电机上的负载成反比。如果负载增加，电机速度就会减慢。通过增加电机的电压可以提高电机的速度。

电机有时需要以恒定的速度运行以优化效率。由于可通过改变电机的负载或电压来调节速度，因此直流电机在速度变化的应用中很受欢迎，例如传送带和风扇。但在许多应用中，电机可能需要保持一个特定的速度。在这种情况下，可以使用反馈控制器（例如编码器）来确保无论其他参数或负载如何变化，速度都保持恒定。

对直流电机来说，速度还和扭矩相关，电机可以在较低速度下产生较高扭矩，在较高速度下产生较低扭矩。

5. 效率(η)：电机的效率衡量直流电机将电能转换为机械能的有效性。高效率意味着电机使用较少的电能即可完成任务，这对电池供电的设备和电动汽车来说是理想的选择。高效的电机，其用电和维护成本也更低；因为产生的热量较少，所以也更有可能避免过热并使用更长时间。

无论是出于安全还是环境方面的考虑，很多应用市场都要求电机满足一定的效率标准。尽管更高效的电机可能初始成本也更高，但从电机的整个生命周期来看，其运行时间可能更长且成本更低。

有刷直流电机：组件和操作

有刷直流电机是一种高性价比的设备，它适用于需要旋转运动的各种应用。有刷直流电机由四个主要部分组成。图1显示了有刷直流电机的所有部件，主要部件描述如下。

图1: 有刷直流电机

有刷直流电机的运动部分称为转子。转子是一个缠绕着线圈的圆柱体，它连接到输出轴。连接到转子的线圈通过旋转来驱动轴。

定子是连接到转子的固定部件。转子缠绕着线圈，而定子由一组永磁体或励磁绕组组成。

换向器安装在转子轴上并连接到绕组。当转子旋转时，换向器改变流过转子绕组的电流方向。

电刷是有刷直流电机的最后一个主要部件。电刷通常由碳或石墨制成，用于将来自外部电源的电能传输到换向器。

有刷直流电机的操作相对简单，主要遵循以下流程：

当电刷被施加外部电压时，电流从电刷通过换向器流至转子上的绕组。
流经绕组的电流产生磁场，导致转子与定子的磁场相互作用。这种相互作用使转子旋转。
当电机旋转时，换向器周期性地反转通过转子绕组的电流方向。
转子持续转动，换向器持续转换电流方向。

电机驱动器 IC 用于控制电机的运动方式并提供保护功能，从而保证有刷直流电机的可靠运行。

有刷直流电机驱动器

MPS 提供可驱动有刷直流电机和螺线管的 H 桥驱动器，适用于玩具和汽车门锁等应用。这些驱动器具备保护功能、控制速度和扭矩的机制，以及可减小总体 PCB 尺寸的高集成度。

MP6615是一款 H 桥直流电机驱动器。在适当的PCB 布局和散热条件下，该器件可提供高达 8A 的连续输出电流(I_OUT)。MP6615包含一个由四个 N 沟道功率 MOSFET 组成的全桥，并将预驱动器、栅极驱动器电源和电流采样放大器集成在紧凑的 TQFN-26 (6mmx6mm) 封装中（见图 2）。电流采样放大器可同时对两路输出电流进行检测。

图2: MP6615的3D示意图

MP6615利用内部电荷泵生成栅极驱动电压，同时支持 100% 占空比运行。该器件提供三种不同的输入模式来控制部件的运行，也可强制其进入高阻抗 (Hi-Z) 状态，以使电机惯性工作。MP6615 还提供一个用于低功耗睡眠模式的 nSLEEP 引脚，非常适合电池供电应用。

MP6615的保护功能包括过压保护（OVP）、过流保护（OCP）和过温关断保护，这些功能可防止电机或驱动器因异常工作条件而损坏。建议将MP6615用于中等电流的工业应用。

MPQ6615-AEC1是 MP6615 的汽车级版本。它也是一款具有四个 N 沟道 MOSFET 的 H 桥电机驱动器，可提供8A 连续I_OUT。该器件与 MP6615具有相同的特性和保护功能，同时，它还符合 AEC-Q100 等级1 认证，可应用于包括汽车门锁、闩锁电机和座椅执行器等应用。

无刷直流 (BLDC) 电机：组件和操作

有刷直流电机和无刷直流电机（BLDC）的主要区别在于电机是否有电刷，除此之外，BLDC 电机还有其他一些特性影响其操作。

BLDC 电机的固定组件定子中包含了电磁绕组；这些绕组产生的磁场可以与转子相互作用而产生运动。转子是通常包含永磁体的旋转部件；磁体与磁场相互作用产生扭矩和运动。转子由轴承支撑，可最大限度地减少摩擦，实现平稳的运行（见图 3）。

图3: BLDC电机

BLDC 电机通常配有传感器（例如霍尔效应传感器），用于检测转子位置并向控制器提供反馈。传感器对于确定哪些定子线圈需要通电以至运动至关重要。BLDC 电机需要控制器来提供换向功能，同时实现速度或扭矩的控制。

BLDC电机的工作原理如下所述：

当转子旋转时，传感器（例如霍尔效应传感器）检测磁体的位置，然后该信息被发送到控制器。
传感器的反馈决定了对哪些定子线圈进行通电。当这些定子依次通电时，通电序列产生旋转的磁场。
转子的磁体与定子线圈产生的磁场对齐，从而产生扭矩并使电机转动。

电机通过给不同的线圈通电来保持旋转方向和速度。

BLDC电机驱动器

MPS 的集成型 BLDC 电机驱动器 IC 集成了低导通电阻(R_DS(ON))功率 MOSFET，可实现超小尺寸的单芯片解决方案。这些 BLDC 电机驱动器可以驱动无刷直流电机，以及可用于电动自行车、电动工具和汽车应用的永磁同步电机(PMSMs)。

MP6545是一款专为 BLDC 电机和其他负载设计的三相功率级 IC（见图 4）。

图4: MP6545典型应用电路

MP6545通过 nFAULT 引脚提供 OCP、OVP、过温关断和欠压锁定 (UVLO)保护以及故障指示。该器件可在 4.5V 至 45V 的宽输入电压(V_IN)范围内工作，并提供每相高达 2.5A 的I_OUT。MP6545提供两种不同的封装：超小尺寸 QFN-28 (4mmx5mm) 封装和耐热增强型 TSSOP-28EP 封装。与 MP6615 类似，MP6545 也提供一个 nSLEEP 引脚，可强制器件进入低功耗睡眠模式。

与MP6545 同系列的器件还包括MP6545A、MPQ6541-AEC1和MPQ6541A-AEC1。这些器件均提供电流采样、强大的保护功能以及低 R_DS(ON) MOSFETs。

MPQ6541-AEC1 是 MP6545 的汽车级版本，可以为所有三相提供集成使能 (EN) 和脉宽调制 (PWM) 输入。与 MP6545 一样，MPQ6541A-AEC1 也具有 HSx 和 LSx 输入。MPQ6541-AEC1 和 MPQ6541A-AEC1 均支持 100% 占空比运行，可用于LiDAR等汽车应用。