【導(dǎo)讀】許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都采用永磁直流電機(jī)。因?yàn)榕c交流電機(jī)相比，直流電機(jī)的控制系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。因此，在需要控制速度、扭矩或位置時(shí)，通常都采用直流電機(jī)。
常用的直流電機(jī)有兩種：有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)（或稱(chēng)BLDC電機(jī)）。顧名思義，有刷直流電機(jī)帶有電刷，電刷可以使電機(jī)換向并旋轉(zhuǎn)；而無(wú)刷電機(jī)則用電子控制取代了機(jī)械換向功能。
很多應(yīng)用都是既可以使用有刷直流電機(jī)，也可以使用無(wú)刷直流電機(jī)。兩種類(lèi)型的電機(jī)基于相同的線圈和永磁體吸引與排斥原理，二者都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行具體選擇。
有刷直流電機(jī)
有刷直流電機(jī)
有刷直流電機(jī)(圖片來(lái)源：maxon集團(tuán))
直流電機(jī)使用繞線線圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在有刷電機(jī)中，線圈可以自由旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)軸，它們被稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子“。通常，線圈纏繞在鐵芯上，當(dāng)然也有“無(wú)芯“有刷電機(jī)，其繞組是自支撐的。
電機(jī)的固定部分稱(chēng)為“定子“。用于提供固定磁場(chǎng)的永磁體通常位于定子的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外部。
為了產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)，以使其磁場(chǎng)吸引并排斥定子的固定磁場(chǎng)。通常采用滑動(dòng)式電子開(kāi)關(guān)來(lái)使磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。該開(kāi)關(guān)由換向器和固定電刷組成，換向器通常是安裝在轉(zhuǎn)子上的分片觸點(diǎn)，而固定電刷則安裝在定子上。
隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，換向器不斷地接通和斷開(kāi)不同的轉(zhuǎn)子繞組，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈不斷被定子的固定磁體吸引和排斥，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
有刷電機(jī)的電刷和換向器之間存在機(jī)械摩擦，而且由于是電觸點(diǎn)，通常無(wú)法潤(rùn)滑。因此電刷和換向器在電機(jī)的整個(gè)壽命周期內(nèi)都存在機(jī)械磨損，并最終將導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作。不過(guò)許多有刷電機(jī)（尤其是大型有刷電機(jī)）都有可更換的電刷，其電刷通常由碳制成，在磨損后也可保持良好的接觸，這些電機(jī)都需要定期維護(hù)。但即使有可更換的電刷，換向器最終也會(huì)磨損到必須更換電機(jī)的程度。
要驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)，需要在電刷兩端施加直流電壓，使電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組從而旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
如果一個(gè)有刷電機(jī)在應(yīng)用中只需要向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，也無(wú)需控制速度或扭矩，則完全不需要驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。在這類(lèi)應(yīng)用中，只需打開(kāi)和關(guān)閉直流電壓即可使電機(jī)運(yùn)行或停止。這在電動(dòng)玩具等低成本應(yīng)用中很常見(jiàn)。如果需要反向旋轉(zhuǎn)，則可以通過(guò)雙極開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如果需要控制速度、扭矩和方向，則采用由電子開(kāi)關(guān)（晶體管、IGBT或MOSFET）組成的“ H橋”來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向任一方向旋轉(zhuǎn)。施加到電機(jī)上的電壓可以是任一極性，它使電機(jī)沿不同方向旋轉(zhuǎn)。而通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)脈沖的寬度可以控制電機(jī)的速度或扭矩。
無(wú)刷直流電機(jī)
無(wú)刷直流電機(jī)(圖片來(lái)源：maxon集團(tuán))
無(wú)刷直流電機(jī)與有刷電機(jī)的磁吸和排斥原理相同，但結(jié)構(gòu)略有不同。與有刷電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷不同，無(wú)刷電機(jī)通過(guò)電子換向器實(shí)現(xiàn)定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，而這需要使用主動(dòng)控制電子設(shè)備。
在無(wú)刷電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上附有永磁體，定子上則裝有繞組。轉(zhuǎn)子可以放在內(nèi)側(cè)（如上圖所示），也可以放在繞組外側(cè)（有時(shí)稱(chēng)為“外轉(zhuǎn)式”電機(jī)）。
無(wú)刷電機(jī)中用到的繞組數(shù)稱(chēng)為相數(shù)，它可以有不同的相數(shù)，但最常見(jiàn)的是三相無(wú)刷電機(jī)。另外，如小型冷卻風(fēng)扇等可能就只有一相或兩相。
無(wú)刷電機(jī)的三個(gè)繞組通常以“星形”或“三角形”方式連接。無(wú)論哪種連接，都有三根線連接到電機(jī)，而且其驅(qū)動(dòng)技術(shù)和波形都是相同的。
三相電機(jī)可以構(gòu)建不同的磁配置，稱(chēng)為磁極。最簡(jiǎn)單的三相電機(jī)有兩個(gè)磁極：轉(zhuǎn)子只有一對(duì)磁極，一個(gè)N極，一個(gè)S極。當(dāng)然也可以有更多的磁極，這需要在轉(zhuǎn)子中配置更多的磁性部分，并在定子中增加更多繞組。磁極越多，性能越高，但極數(shù)少可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。
要驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)，三相繞組每相需要在根據(jù)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)，運(yùn)行在高電位或低電位上。為此，通常采用三個(gè)“半橋”驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都由兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成。根據(jù)所需的電壓和電流，開(kāi)關(guān)可以是雙極型晶體管、IGBT或MOSFET。
三相無(wú)刷電機(jī)可以采用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)有很多，其中最簡(jiǎn)單的被稱(chēng)為梯形波驅(qū)動(dòng)、方波驅(qū)動(dòng)或120度換向控制。梯形換向有點(diǎn)類(lèi)似于直流有刷電機(jī)中采用的換向方法：在任何給定時(shí)間，三相中都有一相接地、一相斷開(kāi)、另一相連至電源電壓。如果需要控制速度或扭矩，則可以脈寬調(diào)制連接到電源電壓的相位。由于相位在每個(gè)換向點(diǎn)突然切換，而轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是恒定的，因此扭矩會(huì)隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一些變化，這稱(chēng)為扭矩波動(dòng)。
為了改善性能，也可以采用其他換向方法。如正弦或180度換向法可以始終驅(qū)動(dòng)所有三個(gè)電機(jī)相位的電流。控制器控制驅(qū)動(dòng)，使得三相無(wú)刷電機(jī)每相產(chǎn)生正弦電流，且每相之間的相移為120度。這種驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以最大程度地減小扭矩波動(dòng)以及噪音和振動(dòng)，通常用于高性能或高效率的驅(qū)動(dòng)器。
要適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)磁場(chǎng)，控制電子設(shè)備需要知道轉(zhuǎn)子上的磁體相對(duì)于定子的物理位置。通常，這個(gè)位置信息通過(guò)安裝在定子上的霍爾傳感器獲得。當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)拾取轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備利用該信息，使電流按順序流過(guò)定子繞組以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
采用三個(gè)霍爾傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的組合邏輯即可實(shí)現(xiàn)梯形換向，無(wú)需復(fù)雜的控制電子設(shè)備。而其他換向方法（例如正弦換向）則需要更復(fù)雜的控制電子設(shè)備，而且通常需要微控制器。
除了使用霍爾傳感器提供位置反饋以外，還有很多方法可以在沒(méi)有傳感器的情況下確定轉(zhuǎn)子位置。最簡(jiǎn)單的方法是在未驅(qū)動(dòng)的相位上監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，以感應(yīng)相對(duì)于定子的磁場(chǎng)。還有一種更復(fù)雜的控制算法，稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（FOC），它基于轉(zhuǎn)子電流和其他參數(shù)來(lái)計(jì)算位置。FOC通常需要功能強(qiáng)大的處理器來(lái)快速執(zhí)行許多計(jì)算，因此這種方法比簡(jiǎn)單的梯形控制法要昂貴很多。
有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
下表總結(jié)了兩種電機(jī)類(lèi)型的主要優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用需求，您可能更愿意選擇無(wú)刷電機(jī)。
使用壽命
如前所述，有刷電機(jī)的缺點(diǎn)之一是電刷和換向器存在機(jī)械磨損。碳刷尤其是易耗品，在很多電機(jī)的維護(hù)計(jì)劃中，都規(guī)定碳刷要定期更換。換向器的軟銅也會(huì)被電刷慢慢磨損，并最終導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法工作。而無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)觸點(diǎn)，因此不存在這種磨損。
速度和加速度
有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)受到電刷、換向器以及轉(zhuǎn)子質(zhì)量的限制。在極高的速度下，電刷與換向器的接觸會(huì)變得不穩(wěn)定，并且電刷電弧會(huì)增大。大多數(shù)有刷電機(jī)在轉(zhuǎn)子中還使用了疊片鐵芯，這使它們具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也限制了電機(jī)的加速和減速速率。在轉(zhuǎn)子上采用高性能稀土磁體可以將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降至最低。當(dāng)然，這會(huì)增加成本。
電氣噪聲
電刷和換向器形成了一種電氣開(kāi)關(guān)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)或閉合，大量電流流過(guò)電感轉(zhuǎn)子繞組，并在觸點(diǎn)處產(chǎn)生電弧。這些電弧會(huì)產(chǎn)生大量電氣噪聲，會(huì)耦合到敏感電路中。在電刷上增加電容或RC緩沖器可以一定程度上減輕電弧，但是換向器的瞬時(shí)切換仍然會(huì)產(chǎn)生一些電氣噪聲。
聲學(xué)噪聲
有刷電機(jī)是“硬切換”的，也就是說(shuō)，電流是突然從一個(gè)繞組移動(dòng)到另一個(gè)繞組。隨著繞組的接通和斷開(kāi)，產(chǎn)生的扭矩隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化，導(dǎo)致扭矩波動(dòng)。而無(wú)刷電機(jī)可以控制繞組電流逐漸從一個(gè)繞組過(guò)渡到另一個(gè)繞組，這降低了扭矩波動(dòng)。扭矩波動(dòng)是能量在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械脈動(dòng)，它會(huì)引起振動(dòng)和機(jī)械噪聲，尤其是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)更嚴(yán)重。
成本
有刷電機(jī)技術(shù)非常成熟，制造成本也很低。無(wú)刷電機(jī)因?yàn)樾枰鼜?fù)雜的電子設(shè)備，所以總成本高于有刷電機(jī)；但因?yàn)闆](méi)有電刷和換向器，因此比有刷電機(jī)更容易制造。無(wú)刷電機(jī)現(xiàn)在越來(lái)越普及，特別是在汽車(chē)電機(jī)等大批量應(yīng)用中。另外，電子設(shè)備（如微控制器）成本持續(xù)下降也使無(wú)刷電機(jī)更具吸引力。
總結(jié)
由于成本不斷下降而且性能更佳，無(wú)刷電機(jī)越來(lái)越受歡迎。但對(duì)有些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有刷電機(jī)仍然是最佳選擇。
從無(wú)刷電機(jī)在汽車(chē)中的應(yīng)用我們可以知道，截至2020年，大多數(shù)汽車(chē)行駛時(shí)運(yùn)行的電機(jī)（例如泵和風(fēng)扇）都已從有刷電機(jī)轉(zhuǎn)為無(wú)刷電機(jī)，以提高其可靠性。現(xiàn)場(chǎng)故障率的降低和維護(hù)要求的降低，完全彌補(bǔ)了無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備所增加的成本。
另一方面，那些不常操作的電機(jī)（例如移動(dòng)電動(dòng)座椅和電動(dòng)窗的電機(jī)）仍然主要采用有刷電機(jī)。 因?yàn)樵谄?chē)的整個(gè)壽命周期內(nèi)，這些電機(jī)的總運(yùn)行時(shí)間非常短，不大可能發(fā)生故障。
隨著無(wú)刷電機(jī)及其相關(guān)電子設(shè)備的成本不斷降低，無(wú)刷電機(jī)逐漸滲透?jìng)鹘y(tǒng)有刷電機(jī)占據(jù)主導(dǎo)的應(yīng)用。汽車(chē)行業(yè)的另一個(gè)例子是，高端車(chē)型中的座椅調(diào)節(jié)電機(jī)已經(jīng)換成了無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的噪音更小。
來(lái)源：MPS
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