簡介

電機是通過轉子繞固定軸旋轉從而將電能轉化為機械運動的一種電氣設備。其功能多樣，可驅動各種應用，包括安全攝像頭、智能門鎖和3D 打印機。無論是對工程師還是普通愛好者來說，了解不同電機之間的差異都非常重要，因為電機的不同不僅影響最終的應用，也決定電機驅動器的選擇。

本文將介紹兩種常見的電機及其各自的電機驅動器：步進電機和直流電機。同時，我們還將描述這些電機類型之間的異同，以及可實現無縫控制與優化的步進電機驅動器和直流電機驅動器。

步進電機

步進電機可將電脈沖轉換為精確的機械運動。顧名思義，步進電機是逐步轉動的，其每一步都是一個精確的旋轉角度（通常約為1.8°）。它根據接收到的電脈沖數量設定旋轉次數。由于每次旋轉都遵循精確的旋轉角度，因此步進電機具有高度可控性。

步進電機的主要部件包括：

1.轉子：與軸相連的轉子是步進電機中的旋轉部件。轉子有齒或磁極，當它們與定子相互作用時產生運動。

2.定子：定子是電機的靜止部分。它具有可產生磁場的線圈；不同的線圈繞組構成不同的相。

3.繞組相：步進電機可以是雙極或單極的。雙極性步進電機有兩個繞組相，單極性步進電機有4個繞組相。每個相都與定子上的一個繞組相關聯。

4.脈沖和控制：旋轉步進電機需要將一系列的電脈沖發送到繞組相。這些脈沖的順序和時序可確定每一步的方向和距離。

圖 1 顯示了步進電機的橫截面圖。

步進電機以離散的步長移動，因此可以非常精確。此外，步進電機能夠保持最大電流以最大限度地提高保持扭矩，因此非常適合機器人和攝像頭萬向節等位置保持任務。

直流電機：有刷直流電機和無刷直流電機

直流電機可將電能轉換為機械運動，并基于電磁感應運行。這類電機在旋轉部件和固定部件之間產生磁場；磁場推動轉子，然后轉子再旋轉電機。直流電機主要有兩種類型：直流有刷電機和直流無刷（BLDC）電機。

圖2所示為直流有刷電機，其主要部件介紹如下：

1.轉子：轉子（或電樞）是纏繞在鐵芯上的線圈。 與步進電機的轉子一樣，它是直流有刷電機的旋轉部件，與定子相連。

2.定子：定子是由一個（或多個）永磁體或電磁體組成的靜止部件。定子產生的磁場與轉子的磁場相互作用，從而產生扭矩并使轉子旋轉。

3.換向器：換向器是安裝在轉子軸上的環，它與轉子上的繞組電性連接。換向器可以反轉轉子繞組中的電流方向，并驅動電機。

4.電刷：電刷是由碳或石墨制成的固定模塊，用于動態接觸換向器。它能傳導電流，從而使電機運轉。

圖 3 顯示了一款BLDC 電機。BLDC 電機沒有電刷，這使它們更可靠、更耐用、磨損更少。BLDC 電機的定子帶有多個線圈，轉子上有永磁體或電磁體。它們采用電子換向，并利用控制器來控制定子繞組中的電流。

對直流電機來說，施加的電流產生扭矩，其建議應用包括計算機硬盤驅動器、玩具和太陽能跟蹤系統等。

步進電機和直流電機的比較

步進電機、有刷直流電機和 BLDC 電機是不同類型的電機，它們各有優缺點，并適用于不同的應用。下面我們將描述其中部分關鍵區別。

操作/控制能力

步進電機可以在開環系統中運行，這意味著電機的精確位置由發送到電機的確切步進數或脈沖數決定。 由于步進電機以離散、易于量化的步長運行，因此不需要位置控制。但它需要外部設備來調整電機的速度和方向，例如微控制器 (MCU)。

直流有刷電機由直流電源供電，電源通過碳刷連接到轉子。簡單的直流有刷電機可以通過開環系統來控制，但較先進的電機可能需要反饋機制。通常，這些電機不需要外部控制器也可輕松調節。例如，調整電機電壓即可改變其速度。

BLDC 電機必須在閉環系統中運行。閉環系統精度更高但需要額外的控制電路才能平穩運行。

使用壽命

步進電機因其簡單性而更加可靠。其使用壽命可長達 4 至 5 年，或約 10,000 小時。

直流電機也相對可靠，但直流有刷電機需要不斷維護，以防止電刷發生故障。一般運行幾千小時就需要維護。

直流無刷電機比直流有刷電機的使用壽命長，因為它不存在電刷帶來的機械磨損，其運行時間可超過 10,000 小時。

效率和噪音

步進電機的效率往往較低，因為它們會因散熱損失能量；此外，步進電機始終以最大電流運行，因此需要大量的能量。直流電機的效率較高，其中直流無刷電機效率最高，因為它們不會因電刷摩擦而損失太多能量。

在噪音方面，步進電機情況最糟糕，因為其步進式的操作導致電機以連續速度旋轉時會產生呼呼聲或棘輪聲。有刷直流電機噪音較小，但當電刷刷過換向器時，仍然會產生噪音；可以想見，BLDC 電機產生的噪音最小。

總結

表 1 總結了步進電機和直流電機的優點、缺點以及常見應用。

電機驅動IC

所有電機都需要電機驅動 IC，即電機驅動器，用于控制和管理電機的運行。電機驅動器用于調節電機的速度、方向，有時還調節其他參數，以確保可靠、高效的運行。電機驅動器的功能包括放大電信號來為電機供電并控制電機，實現精確的速度控制，同時提供強大的保護功能，如過流保護 (OCP) 和過溫保護 (OTP)。

MPS 提供的步進電機驅動器、直流有刷或 BLDC 電機驅動器可配合這三種電機類型使用。下面我們將討論 MPS 提供的部分電機驅動器 IC。

MPS步進電機驅動器

MP6605 系列包括MP6605C、MP6605D和MP6605E。這些器件主要功能相同但控制接口不同。 它們都是 4 通道下管驅動器 IC，集成了下管 MOSFET (LS-FET) 和上管 (HS) 鉗位二極管，適用于單極步進電機。圖 4 顯示了 MP6605C 的典型應用電路。

這三個器件均在 4.5V 至 60V 的輸入電壓(VIN)范圍內工作，并采用超小尺寸 QFN-24 (4mmx4mm) 封裝。它們可提供高達 1.5A 的輸出電流(IOUT)，并具有 OCP、OTP 和欠壓鎖定 (UVLO) 等保護功能。UVLO可確保器件在輸入電壓不足時不會嘗試強行工作。

這些器件的主要區別是控制接口不同。MP6605C 通過 I2C 接口進行控制。MP6605D 通過并行接口進行控制，它提供單獨的輸入引腳控制每路輸出。MP6605E 則通過串行 (SPI) 接口進行控制，該接口將數據發送到 MP6605E 的輸出，同時可讀取三個傳感器輸入的狀態。

MPS直流有刷電機驅動器：MP6612系列

MP6612是一款 H 橋電機驅動器，可用于驅動可逆負載。其輸出通過 IN1 和 IN2 引腳進行控制，具備靈活性。該器件可以驅動一臺直流電機、一個步進電機繞組和其他負載。當設備在制動模式下禁用時，電機具有低靜態電流 (IQ)，可降低設備在無需工作時的功耗。

MP6612 提供 OCP、OVP 和 OTP等保護功能，并提供故障指示功能，以便設計人員在發生故障時收到通知。MP6612 還提供 UVLO保護。該器件采用 TSSOP-20 封裝，并帶散熱焊盤，可提高散熱效率（見圖 5）。

MP6612MP6612D系列器件能夠滿足眾多的應用需求。例如，MP6612D 是其中一款提供電流采樣電路的類似器件，它提供與負載電流成比例的輸出電壓(VOUT)。

MPQ6612A-AEC1則是一款汽車級產品，它與MP6612和MP6612D類似，但符合AEC-Q100 等級1認證，因此可用于門把手和電子鎖等汽車應用。

MPS BLDC電機驅動器

MP6546是一款三相 BLDC 電機驅動器，它具有I2C接口，可配置保護、操作模式和角度等參數。 該器件采用磁場定向控制 (FOC) 邏輯和角度計算來實現精確的監控，同時提供 OCP、OVP、UVLO和短路保護 (SCP) 故障指示，可使器件免受過流情況的影響。

MP6546支持多從機模式和連接到單個I2C接口總線的三軸云臺，每個從機單元都可以計算自己的角度并通過I2C接口控制電機。

MP6546 同時支持磁角度傳感器輸入模式和線性霍爾傳感器輸入模式，這也意味著它支持兩種位置反饋法（見圖 6）。在磁性角度傳感器輸入模式下，MP6546 可與 MPS 的MagAlpha 磁性角度傳感器系列配合使用；在線性霍爾傳感器輸入模式下，該器件將其 HA 和 HB 信號發送到模數轉換器 (ADC)，以便數字核心來計算角度。

MP6546 是一款高度通用且可配置的 BLDC 電機驅動器，只需很少的額外工作或測試，即可在不同的系統上運行。

總結

本文介紹并討論了各種電機類型以及相應的電機驅動 IC。其中，步進電機是一種以離散、高可靠步進方式運行的高精度電機；直流電機則通過電壓和電流實現靈活控制，將電能轉換為機械運動。步進電機精度很高，但效率不如直流電機。

電機需要電機驅動 IC來決定電機的速度和方向，從而保護并控制電機。MPS 提供多種步進電機驅動器，本文僅重點介紹了包括MP6605C在內的MP6605 系列。MPS 還提供有刷直流電機（例如 MP6612及其變體）以及BLDC 電機驅動器（例如MP6546）。敬請了解 MPS 專為工業和汽車市場的各種應用而設計的全系列電機驅動器產品。