簡(jiǎn)介

直流電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，它功能多樣，無(wú)論是在小型家用電器還是工業(yè)機(jī)械中，都能見到它的身影。直流電機(jī)依賴電磁的相互作用工作，它簡(jiǎn)單、高效且用途廣泛。

兩種常見的直流電機(jī)類型包括有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。本文將介紹與之相關(guān)的組件、操作、參數(shù)以及計(jì)算，另外還將介紹可與這些解決方案一起使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

直流電機(jī)參數(shù)

無(wú)論是有刷還是無(wú)刷，直流電機(jī)都有一些關(guān)鍵參數(shù)必須檢測(cè)、監(jiān)控甚至計(jì)算出來(lái)，用于確定哪種電機(jī)最適合應(yīng)用。

圖 1 總結(jié)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，下面將進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

1. 電壓：電壓是施加到電機(jī)上的電勢(shì)差。電機(jī)的電壓非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了其他一些關(guān)鍵參數(shù)，如電機(jī)的速度、扭矩和輸出功率(POUT)。電壓越高，電機(jī)速度就越快。通過(guò)調(diào)整電壓可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，改變電壓除了可以改變電機(jī)的速度，還可以反轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。降低電壓則會(huì)減慢電機(jī)速度；當(dāng)電壓降至零時(shí)，電機(jī)即停止工作。

每個(gè)電機(jī)都有其工作電壓范圍。建議將電機(jī)電壓保持在其工作范圍內(nèi)，以確保電機(jī)有效、安全地運(yùn)行。

2. 電流：施加電壓到電機(jī)時(shí)，電流會(huì)流過(guò)電機(jī)。電流與扭矩成線性關(guān)系；在電壓恒定的條件下，增加扭矩會(huì)增大電流。不過(guò)，盡管增大電流也會(huì)提高POUT，但仍需將電流保持在其工作范圍內(nèi)，因?yàn)檫^(guò)流 (OC) 狀況可能會(huì)使電機(jī)過(guò)載并導(dǎo)致過(guò)熱。

電流對(duì)電機(jī)速度的影響不像電壓那么大，但它仍然可以用來(lái)微調(diào)電機(jī)的速度。

3. 扭矩：扭矩是對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力的度量。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力非常關(guān)鍵，最大扭矩是選擇電機(jī)時(shí)要考慮的主要參數(shù)之一。扭矩必須足夠高，才能克服電機(jī)的機(jī)械阻力并帶動(dòng)負(fù)載，無(wú)論是運(yùn)行傳送帶，還是旋轉(zhuǎn)重型機(jī)械。

電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要很大的扭矩來(lái)加速； 此外，還要有減速扭矩使電機(jī)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間范圍內(nèi)減速。某些應(yīng)用（例如 MRI 機(jī)器）需要具有高連續(xù)扭矩的電機(jī)，而機(jī)器人手臂等應(yīng)用則需要能夠提供極高突發(fā)扭矩的電機(jī)。

扭矩可以用公式（1）來(lái)計(jì)算：

T=K×I

其中 I 是電流，K 是電機(jī)的扭矩常數(shù)。

4. 速度：電機(jī)的速度用于衡量電機(jī)旋轉(zhuǎn)得有多快，通常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (rpm) 來(lái)表示。速度與施加到電機(jī)上的負(fù)載成反比。如果負(fù)載增加，電機(jī)速度就會(huì)減慢。通過(guò)增加電機(jī)的電壓可以提高電機(jī)的速度。

電機(jī)有時(shí)需要以恒定的速度運(yùn)行以優(yōu)化效率。由于可通過(guò)改變電機(jī)的負(fù)載或電壓來(lái)調(diào)節(jié)速度，因此直流電機(jī)在速度變化的應(yīng)用中很受歡迎，例如傳送帶和風(fēng)扇。但在許多應(yīng)用中，電機(jī)可能需要保持一個(gè)特定的速度。在這種情況下，可以使用反饋控制器（例如編碼器）來(lái)確保無(wú)論其他參數(shù)或負(fù)載如何變化，速度都保持恒定。

對(duì)直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，速度還和扭矩相關(guān)，電機(jī)可以在較低速度下產(chǎn)生較高扭矩，在較高速度下產(chǎn)生較低扭矩。

5. 效率(η)：電機(jī)的效率衡量直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的有效性。高效率意味著電機(jī)使用較少的電能即可完成任務(wù)，這對(duì)電池供電的設(shè)備和電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)是理想的選擇。高效的電機(jī)，其用電和維護(hù)成本也更低；因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量較少，所以也更有可能避免過(guò)熱并使用更長(zhǎng)時(shí)間。

無(wú)論是出于安全還是環(huán)境方面的考慮，很多應(yīng)用市場(chǎng)都要求電機(jī)滿足一定的效率標(biāo)準(zhǔn)。盡管更高效的電機(jī)可能初始成本也更高，但從電機(jī)的整個(gè)生命周期來(lái)看，其運(yùn)行時(shí)間可能更長(zhǎng)且成本更低。

有刷直流電機(jī)：組件和操作

有刷直流電機(jī)是一種高性價(jià)比的設(shè)備，它適用于需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的各種應(yīng)用。有刷直流電機(jī)由四個(gè)主要部分組成。圖1顯示了有刷直流電機(jī)的所有部件，主要部件描述如下。

有刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子是一個(gè)纏繞著線圈的圓柱體，它連接到輸出軸。連接到轉(zhuǎn)子的線圈通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)軸。

定子是連接到轉(zhuǎn)子的固定部件。轉(zhuǎn)子纏繞著線圈，而定子由一組永磁體或勵(lì)磁繞組組成。

換向器安裝在轉(zhuǎn)子軸上并連接到繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向器改變流過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電流方向。

電刷是有刷直流電機(jī)的最后一個(gè)主要部件。電刷通常由碳或石墨制成，用于將來(lái)自外部電源的電能傳輸?shù)綋Q向器。

有刷直流電機(jī)的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，主要遵循以下流程：

1.當(dāng)電刷被施加外部電壓時(shí)，電流從電刷通過(guò)換向器流至轉(zhuǎn)子上的繞組。

2.流經(jīng)繞組的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子的磁場(chǎng)相互作用。這種相互作用使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

3.當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向器周期性地反轉(zhuǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電流方向。

4.轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，換向器持續(xù)轉(zhuǎn)換電流方向。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式并提供保護(hù)功能，從而保證有刷直流電機(jī)的可靠運(yùn)行。

有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

MPS 提供可驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)和螺線管的 H 橋驅(qū)動(dòng)器，適用于玩具和汽車門鎖等應(yīng)用。這些驅(qū)動(dòng)器具備保護(hù)功能、控制速度和扭矩的機(jī)制，以及可減小總體 PCB 尺寸的高集成度。

MP6615是一款 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在適當(dāng)?shù)腜CB 布局和散熱條件下，該器件可提供高達(dá) 8A 的連續(xù)輸出電流(IOUT)。MP6615包含一個(gè)由四個(gè) N 溝道功率 MOSFET 組成的全橋，并將預(yù)驅(qū)動(dòng)器、柵極驅(qū)動(dòng)器電源和電流采樣放大器集成在緊湊的 TQFN-26 (6mmx6mm) 封裝中（見圖 2）。電流采樣放大器可同時(shí)對(duì)兩路輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。

MP6615利用內(nèi)部電荷泵生成柵極驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)支持 100% 占空比運(yùn)行。 該器件提供三種不同的輸入模式來(lái)控制部件的運(yùn)行，也可強(qiáng)制其進(jìn)入高阻抗 (Hi-Z) 狀態(tài)，以使電機(jī)慣性工作。MP6615 還提供一個(gè)用于低功耗睡眠模式的 nSLEEP 引腳，非常適合電池供電應(yīng)用。

MP6615的保護(hù)功能包括過(guò)壓保護(hù)（OVP）、過(guò)流保護(hù)（OCP）和過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)，這些功能可防止電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器因異常工作條件而損壞。建議將MP6615用于中等電流的工業(yè)應(yīng)用。

MPQ6615-AEC1是 MP6615 的汽車級(jí)版本。它也是一款具有四個(gè) N 溝道 MOSFET 的 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可提供8A 連續(xù)IOUT。該器件與 MP6615具有相同的特性和保護(hù)功能，同時(shí)，它還符合 AEC-Q100 等級(jí)1 認(rèn)證，可應(yīng)用于包括汽車門鎖、閂鎖電機(jī)和座椅執(zhí)行器等應(yīng)用。

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)：組件和操作

有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）的主要區(qū)別在于電機(jī)是否有電刷，除此之外，BLDC 電機(jī)還有其他一些特性影響其操作。

BLDC 電機(jī)的固定組件定子中包含了電磁繞組；這些繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以與轉(zhuǎn)子相互作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子是通常包含永磁體的旋轉(zhuǎn)部件；磁體與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生扭矩和運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子由軸承支撐，可最大限度地減少摩擦，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)行（見圖 3）。

BLDC 電機(jī)通常配有傳感器（例如霍爾效應(yīng)傳感器），用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并向控制器提供反饋。傳感器對(duì)于確定哪些定子線圈需要通電以至運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。BLDC 電機(jī)需要控制器來(lái)提供換向功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)速度或扭矩的控制。

BLDC電機(jī)的工作原理如下所述：

1.當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器（例如霍爾效應(yīng)傳感器）檢測(cè)磁體的位置，然后該信息被發(fā)送到控制器。

2.傳感器的反饋決定了對(duì)哪些定子線圈進(jìn)行通電。當(dāng)這些定子依次通電時(shí)，通電序列產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。

3.轉(zhuǎn)子的磁體與定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)齊，從而產(chǎn)生扭矩并使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

電機(jī)通過(guò)給不同的線圈通電來(lái)保持旋轉(zhuǎn)方向和速度。

BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

MPS 的集成型 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 集成了低導(dǎo)通電阻(RDS(ON))功率 MOSFET，可實(shí)現(xiàn)超小尺寸的單芯片解決方案。這些 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，以及可用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具和汽車應(yīng)用的永磁同步電機(jī)(PMSMs)。

MP6545是一款專為 BLDC 電機(jī)和其他負(fù)載設(shè)計(jì)的三相功率級(jí) IC（見圖 4）。

MP6545通過(guò) nFAULT 引腳提供 OCP、OVP、過(guò)溫關(guān)斷和欠壓鎖定 (UVLO)保護(hù)以及故障指示。該器件可在 4.5V 至 45V 的寬輸入電壓(VIN)范圍內(nèi)工作，并提供每相高達(dá) 2.5A 的IOUT。MP6545提供兩種不同的封裝：超小尺寸 QFN-28 (4mmx5mm) 封裝和耐熱增強(qiáng)型 TSSOP-28EP 封裝。與 MP6615 類似，MP6545 也提供一個(gè) nSLEEP 引腳，可強(qiáng)制器件進(jìn)入低功耗睡眠模式。

與MP6545 同系列的器件還包括MP6545A、MPQ6541-AEC1和MPQ6541A-AEC1。這些器件均提供電流采樣、強(qiáng)大的保護(hù)功能以及低 RDS(ON) MOSFETs。

MPQ6541-AEC1 是 MP6545 的汽車級(jí)版本，可以為所有三相提供集成使能 (EN) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 輸入。與 MP6545 一樣，MPQ6541A-AEC1 也具有 HSx 和 LSx 輸入。MPQ6541-AEC1 和 MPQ6541A-AEC1 均支持 100% 占空比運(yùn)行，可用于LiDAR等汽車應(yīng)用。

總結(jié)

如上所述，直流電機(jī)可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本文介紹了有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)的功能和組件，同時(shí)回顧了它們的重要參數(shù)，以及可進(jìn)一步優(yōu)化解決方案的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC。

直流電機(jī)具有令人難以置信的多功能性、高效性和可控性，這使其成為眾多應(yīng)用的理想選擇，包括高度專業(yè)的醫(yī)療和汽車行業(yè)，以及智能家居領(lǐng)域。MPS提供各種有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，致力于為您的應(yīng)用提供最佳解決方案。請(qǐng)瀏覽 MPS 官網(wǎng)了解更多產(chǎn)品信息。