步进电机、直流电机和电机驱动器介绍
简介
电机是通过转子绕固定轴旋转从而将电能转化为机械运动的一种电气设备。其功能多样，可驱动各种应用，包括安全摄像头、智能门锁和3D 打印机。无论是对工程师还是普通爱好者来说，了解不同电机之间的差异都非常重要，因为电机的不同不仅影响最终的应用，也决定电机驱动器的选择。
本文将介绍两种常见的电机及其各自的电机驱动器：步进电机和直流电机。同时，我们还将描述这些电机类型之间的异同，以及可实现无缝控制与优化的步进电机驱动器和直流电机驱动器。
步进电机
步进电机可将电脉冲转换为精确的机械运动。顾名思义，步进电机是逐步转动的，其每一步都是一个精确的旋转角度（通常约为1.8°）。它根据接收到的电脉冲数量设定旋转次数。由于每次旋转都遵循精确的旋转角度，因此步进电机具有高度可控性。
步进电机的主要部件包括：
- 转子：与轴相连的转子是步进电机中的旋转部件。转子有齿或磁极，当它们与定子相互作用时产生运动。
- 定子：定子是电机的静止部分。它具有可产生磁场的线圈；不同的线圈绕组构成不同的相。
- 绕组相：步进电机可以是双极或单极的。双极性步进电机有两个绕组相，单极性步进电机有4个绕组相。每个相都与定子上的一个绕组相关联。
- 脉冲和控制：旋转步进电机需要将一系列的电脉冲发送到绕组相。这些脉冲的顺序和时序可确定每一步的方向和距离。
图 1 显示了步进电机的横截面图。
图1: 步进电机
步进电机以离散的步长移动，因此可以非常精确。此外，步进电机能够保持最大电流以最大限度地提高保持扭矩，因此非常适合机器人和摄像头万向节等位置保持任务。
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直流电机：有刷直流电机和无刷直流电机
直流电机可将电能转换为机械运动，并基于电磁感应运行。这类电机在旋转部件和固定部件之间产生磁场；磁场推动转子，然后转子再旋转电机。直流电机主要有两种类型：直流有刷电机和直流无刷（BLDC）电机。
图2所示为直流有刷电机，其主要部件介绍如下：
- 转子：转子（或电枢）是缠绕在铁芯上的线圈。 与步进电机的转子一样，它是直流有刷电机的旋转部件，与定子相连。
- 定子：定子是由一个（或多个）永磁体或电磁体组成的静止部件。定子产生的磁场与转子的磁场相互作用，从而产生扭矩并使转子旋转。
- 换向器：换向器是安装在转子轴上的环，它与转子上的绕组电性连接。换向器可以反转转子绕组中的电流方向，并驱动电机。
- 电刷：电刷是由碳或石墨制成的固定模块，用于动态接触换向器。它能传导电流，从而使电机运转。
图2:直流有刷电机
图 3 显示了一款BLDC 电机。BLDC 电机没有电刷，这使它们更可靠、更耐用、磨损更少。BLDC 电机的定子带有多个线圈，转子上有永磁体或电磁体。它们采用电子换向，并利用控制器来控制定子绕组中的电流。
图3: BLDC电机
对直流电机来说，施加的电流产生扭矩，其建议应用包括计算机硬盘驱动器、玩具和太阳能跟踪系统等。
步进电机和直流电机的比较
步进电机、有刷直流电机和 BLDC 电机是不同类型的电机，它们各有优缺点，并适用于不同的应用。下面我们将描述其中部分关键区别。
操作/控制能力
步进电机可以在开环系统中运行，这意味着电机的精确位置由发送到电机的确切步进数或脉冲数决定。 由于步进电机以离散、易于量化的步长运行，因此不需要位置控制。但它需要外部设备来调整电机的速度和方向，例如微控制器 (MCU)。
直流有刷电机由直流电源供电，电源通过碳刷连接到转子。简单的直流有刷电机可以通过开环系统来控制，但较先进的电机可能需要反馈机制。通常，这些电机不需要外部控制器也可轻松调节。例如，调整电机电压即可改变其速度。
BLDC 电机必须在闭环系统中运行。闭环系统精度更高但需要额外的控制电路才能平稳运行。
使用寿命
步进电机因其简单性而更加可靠。其使用寿命可长达 4 至 5 年，或约 10,000 小时。
直流电机也相对可靠，但直流有刷电机需要不断维护，以防止电刷发生故障。一般运行几千小时就需要维护。
直流无刷电机比直流有刷电机的使用寿命长，因为它不存在电刷带来的机械磨损，其运行时间可超过 10,000 小时。
效率和噪音
步进电机的效率往往较低，因为它们会因散热损失能量；此外，步进电机始终以最大电流运行，因此需要大量的能量。直流电机的效率较高，其中直流无刷电机效率最高，因为它们不会因电刷摩擦而损失太多能量。
在噪音方面，步进电机情况最糟糕，因为其步进式的操作导致电机以连续速度旋转时会产生呼呼声或棘轮声。有刷直流电机噪音较小，但当电刷刷过换向器时，仍然会产生噪音；可以想见，BLDC 电机产生的噪音最小。
总结
表 1 总结了步进电机和直流电机的优点、缺点以及常见应用。
表1: 步进电机和直流有刷电机的比较
| 电机 | 优点 | 缺点 | 应用 |
| 步进电机 |
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| 直流有刷电机 |
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| 直流无刷电机 |
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电机驱动IC
所有电机都需要电机驱动 IC，即电机驱动器，用于控制和管理电机的运行。电机驱动器用于调节电机的速度、方向，有时还调节其他参数，以确保可靠、高效的运行。电机驱动器的功能包括放大电信号来为电机供电并控制电机，实现精确的速度控制，同时提供强大的保护功能，如过流保护 (OCP) 和过温保护 (OTP)。
MPS 提供的步进电机驱动器、直流有刷或 BLDC 电机驱动器可配合这三种电机类型使用。下面我们将讨论 MPS 提供的部分电机驱动器 IC。
MPS步进电机驱动器
MP6605 系列包括MP6605C、MP6605D和MP6605E。这些器件主要功能相同但控制接口不同。 它们都是 4 通道下管驱动器 IC，集成了下管 MOSFET (LS-FET) 和上管 (HS) 钳位二极管，适用于单极步进电机。图 4 显示了 MP6605C 的典型应用电路。
图4: MP6605C
这三个器件均在 4.5V 至 60V 的输入电压(VIN)范围内工作，并采用超小尺寸 QFN-24 (4mmx4mm) 封装。它们可提供高达 1.5A 的输出电流(IOUT)，并具有 OCP、OTP 和欠压锁定 (UVLO) 等保护功能。UVLO可确保器件在输入电压不足时不会尝试强行工作。
这些器件的主要区别是控制接口不同。MP6605C 通过 I2C 接口进行控制。MP6605D 通过并行接口进行控制，它提供单独的输入引脚控制每路输出。MP6605E 则通过串行 (SPI) 接口进行控制，该接口将数据发送到 MP6605E 的输出，同时可读取三个传感器输入的状态。
MPS直流有刷电机驱动器：MP6612系列
MP6612是一款 H 桥电机驱动器，可用于驱动可逆负载。其输出通过 IN1 和 IN2 引脚进行控制，具备灵活性。该器件可以驱动一台直流电机、一个步进电机绕组和其他负载。当设备在制动模式下禁用时，电机具有低静态电流 (IQ)，可降低设备在无需工作时的功耗。
MP6612 提供 OCP、OVP 和 OTP等保护功能，并提供故障指示功能，以便设计人员在发生故障时收到通知。MP6612 还提供 UVLO保护。该器件采用 TSSOP-20 封装，并带散热焊盘，可提高散热效率（见图 5）。
图5: MP6612的3D图/p>
MP6612MP6612D系列器件能够满足众多的应用需求。例如，MP6612D 是其中一款提供电流采样电路的类似器件，它提供与负载电流成比例的输出电压(VOUT)。
MPQ6612A-AEC1则是一款汽车级产品，它与MP6612和MP6612D类似，但符合AEC-Q100 等级1认证，因此可用于门把手和电子锁等汽车应用。
MPS BLDC电机驱动器
MP6546是一款三相 BLDC 电机驱动器，它具有I2C接口，可配置保护、操作模式和角度等参数。 该器件采用磁场定向控制 (FOC) 逻辑和角度计算来实现精确的监控，同时提供 OCP、OVP、UVLO和短路保护 (SCP) 故障指示，可使器件免受过流情况的影响。
MP6546支持多从机模式和连接到单个I2C接口总线的三轴云台，每个从机单元都可以计算自己的角度并通过I2C接口控制电机。
MP6546 同时支持磁角度传感器输入模式和线性霍尔传感器输入模式，这也意味着它支持两种位置反馈法（见图 6）。在磁性角度传感器输入模式下，MP6546 可与 MPS 的MagAlpha 磁性角度传感器系列配合使用；在线性霍尔传感器输入模式下，该器件将其 HA 和 HB 信号发送到模数转换器 (ADC)，以便数字核心来计算角度。
图 6：输入模式（左：霍尔传感器，右：磁性角度传感器）
MP6546 是一款高度通用且可配置的 BLDC 电机驱动器，只需很少的额外工作或测试，即可在不同的系统上运行。
总结
本文介绍并讨论了各种电机类型以及相应的电机驱动 IC。其中，步进电机是一种以离散、高可靠步进方式运行的高精度电机；直流电机则通过电压和电流实现灵活控制，将电能转换为机械运动。步进电机精度很高，但效率不如直流电机。
电机需要电机驱动 IC来决定电机的速度和方向，从而保护并控制电机。MPS 提供多种步进电机驱动器，本文仅重点介绍了包括MP6605C在内的MP6605 系列。MPS 还提供有刷直流电机（例如 MP6612及其变体）以及BLDC 电机驱动器（例如MP6546）。敬请了解 MPS 专为工业和汽车市场的各种应用而设计的全系列电机驱动器产品。
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