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有刷或無刷？您應該選擇哪種直流馬達？

布者: Chris McGrady

轉自: https://www.arrow.com/zh-cn/research-and-events/articles/which-dc-motor-is-best-for-your-application

直流馬達是將直流電能轉化成機械運動的電氣設備有多種馬達可適用於不同的應用和功率要求，

從用於醫療設備的微型設備- 直徑僅有幾毫米- 到產生數千馬力的自定義設計。

儘管底層的物理原理是一樣的，其結構，性能特性和控制方式卻大不同同。

哪種最適合你的應用？好吧，就像生活中的很多事一樣，答案是“看情況”。每種類型都有各自的優勢和劣勢。在本文中，我們將看看這兩種直流馬達技術並對這個複雜的話題進行一些了解。

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有刷直流馬達結構和操作
直流有刷馬達最初發明於19世紀，是最簡單的馬達類型之一。它們是第一種廣泛使用的馬達類型，因為可以通過早期的直流照明配電系統來供電。

圖1：有刷直流馬達。（來源： Oriental Motor ）

如圖1所示，典型的有刷直流馬達由一個旋轉電樞和一個固定定子組成。

電樞（也被稱為轉子）包含一個或多個包裹著軟鐵芯的絕緣線繞組。繞組形成了一個或多個線圈，與換向器連接，換向器是由多個金屬接觸段圍繞電樞軸形成的圓柱。定子圍繞著馬達並包含永磁體或電磁鐵來產生磁場。電刷為電觸點，由碳等柔軟材料組成，被彈簧頂住，從而可以在軸旋轉時與換向器段接觸。

當直流電源連接到電刷時，電樞線圈通電，將其變為電磁鐵並導致其旋轉，從而其北南極分別與定子的南北極對齊。在換向器旋轉時，運動導致流入電樞線圈的電流的極性 - 及其磁場的方向 - 反向電樞便朝著新的對齊點旋轉，電流再次反向，電樞繼續旋轉。

這種使電流反向的方式被稱為機械換向 - 軸的機械轉動提供了切換電流極性所需的反饋。

通過改變繞組的安排方式，開發出了多種有刷直流馬達變體，具有不同的性能特性;有5種基本類型。前4種類型在定子和轉子（電樞）中都使用線圈，因此只使用電磁鐵。

並聯有刷直流馬達的轉子和定子勵磁線圈採用並聯方式;無論負載如何均以恆定速度運行這種自我調節的功能使其廣泛應用於工業恆速應用。

串聯有刷直流馬達的兩個線圈採用串聯方式;其速度隨著負載而變化，負載降低時速度增加，但有很高的啟動扭矩，因此廣泛用於汽車啟動器等短時間應用。

复激有刷直流馬達是並聯和串聯馬達的組合，具有兩者的特性。遇到嚴峻的啟動條件並且需要恆定速度時，通常會使用複激馬達。

單獨勵磁有刷直流電機有單獨的轉子和定子電源，可實現高定子勵磁電流和充足的電樞電壓來產生所需的定子扭矩電流。在低速下需要高扭矩能力時可使用這類馬達。

永磁有刷直流馬達在定子中包含永磁鐵，從而無需外部勵磁電流。這種設計比其他類型的有刷直流馬達更小更輕，且能效更高;專門用於最高功率約2 HP的低功率應用。

有刷直流馬達控制
在機械換向中，有刷直流電機的控制在概念上十分簡單定速馬達只需要直流電壓和開關;改變電壓即可在較大的範圍內改變速度。

對於需要更精密控制的應用，可使用常見的電路拓撲，如圖2所示的H橋。同時打開晶體管Q1和Q4，或者同時打開晶體管Q3和Q2，流過BDC馬達的電流將流向一個方向或另一個方向，實現雙向活動。

圖2：使用H橋的雙向有刷直流馬達控制。（來源：Microchip）

對於速度控制，可使用脈衝寬度調製（PWM）信號來產生平均電壓。因此高頻PWM波形將在馬達繞組中產生穩定的電流。對於更精確的速度調節，可以加入霍爾效應傳感器或光學編碼器等速度傳感器來形成閉環控制系統。

有刷直流馬達總結
有刷直流馬達價格低廉而可靠，具有較高的扭矩慣量比。由於只需要很少或完全不需要外部元器件，也適合在嚴峻的條件下操作。

缺點是，電刷會隨著時間推移而磨損並產生灰塵;有刷馬達需要定期維護，以清潔或更換電刷其他缺點包括散熱性能差（因定子的限制），高轉動慣量，最高速度低，以及電刷起弧產生的電磁幹擾（EMI）。

無刷直流馬達結構和操作
無刷直流（BLDC）馬達的基本操作原理與有刷直流馬達相同 - 通過內部軸位置反饋進行換向控制 - 但其結構完全不同。

與有刷直流馬達不同，永磁體是安裝在BLDC定子上的;定子由開槽的層壓鋼製成，包含線圈繞組。

BLDC也不適用碳刷或機械換向器。可相繼對轉子周圍的線圈通電，強制定子旋轉，換向可通過結合使用複雜的電子控制器與定子位置傳感器（如光晶體管LED，電磁或霍爾效應傳感器）來實現。

BLDC的製造方法可以讓其在轉子線圈中有更少的內阻以及更好的散熱性能。這樣便產生了更高的工作效率，因為線圈產生的熱量可以通過更大的固定式馬達外殼更加有效地散發出去。

轉子繞組可以按照星形（或Y形）模式或三角形模式來安放。鋼槽片可以是開槽或無槽的。無槽馬達具有更低的電感，因此能以更高的速度運行並在低速時出現較少的紋波。無槽轉子的缺點就是成本較高，因為它需要更多繞組來補償更大的氣隙。

定子中的電極數量取決於應用領域。增加電極數量可增加扭矩，但會降低最高速度。製造永磁體的材料也會對最大扭矩產生影響，會增加磁通密度。

圖3：無刷直流馬達（BLDC）。（來源： Oriental Motor ）

無刷直流馬達控制
由於必須通過電氣方式來換向，BLDC控制比上文介紹的簡單機制複雜得多，並且使用了模擬和數字控制方法。基本控制塊與有刷直流電機方法類似，但閉環控制是必須的。

BLDC馬達控制主要使用三種控制算法類型：梯形換向，正弦換向和矢量（或磁場定向）控制。每種控制算法都能以不同的方式執行，具體取決於軟件編碼和硬件設計，每種都有優點和缺點。

圖4：無刷直流馬達控制方法。

梯形換向需要最簡單的控制電路和軟件，使其十分適合低端應用。它利用六步流程，使用定子位置反饋。梯形換向可有效控制馬達速度和電源，但會受換向期間扭矩紋波的影響，尤其是在低速時。

無傳感器換向 - 通過測量馬達的後EMF來預估定子位置 - 提供與霍爾效應方法類似的性能，但代價是要增加算法複雜度。無傳感器換向不使用霍爾效應傳感器及其接口電路，減少了組件和安裝成本，並簡化了系統設計。

正弦換向使用載波頻率調製來驅動馬達，同時控制三個繞組的電流，因此可以隨著馬達轉動而平滑地以正弦方式變化。這項技術不會產生梯形方法中的扭矩紋波和換向尖峰，提供了平滑精確的馬達控制。它可以作為開環系統來使用，或者是作為帶有附加速度傳感器的閉環系統，一般用於需要速度和扭矩控制的中端性能應用。複雜的正弦換向機制需要額外的處理能力和控制電子設備來實現。

考慮到其複雜的設計以及對微控制器的高需求，矢量控制是留給高端應用的。該算法使用相電流反饋來計算電壓和頻率向量並對馬達進行換向。矢量控制提供對速度和扭矩的精確動態控制，在很大的工作範圍內均能保持高效。

還可以使用無傳感器技術;分流器監控馬達電流，算法比較結果與保存的馬達工作參數數學模型。該方法降低了反饋設備的成本，但大大增加了MCU的處理要求。

BLDC控制策略對比
不同控制策略之間的對比如何？如您所料，簡單的梯形方法的扭矩控制最差，但並不需要過多的微控制器或控制設備。另一個極端，矢量控制方法（也被稱為磁場定向控制，或FOC）可以出色控制速度和扭矩，但對微控制器的要求很高。

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BLDC總結
無刷直流馬達沒有機械換向器和電刷，自然也不會磨損，只需很少的維護且無火花。此外，軸摩擦和慣性更少，噪音更小，並且扭矩重量比（功率密度）高得多，因此比同等有刷直流馬達的尺寸小得多。

相比有刷直流馬達，BLDC馬達有很多性能優勢。它們具有較高的啟動扭矩，增加到額定速度後，扭矩趨於平緩。由於採用實時電子控制，其速度調節很精確並且對負載變化不敏感。由於熱量產生在外部轉子而不是內部定子，因此更容易冷卻。沒有電刷意味著產生的電氣噪聲更少，並且可以在更高的速度下運行 - 某些情況可高達100,000 RPM。

可用的直流馬達控制解決方案
正如我們所見，儘管簡單的有刷直流馬達控制很容易實現，更精確的BDC控制和BLDC控制卻一點都不簡單。

箭頭電子提供多種來自領先供應商的馬達控制器，可用於有刷和無刷直流馬達。此外，由於馬達控制是一個巨大的市場，很多供應商都針對直流馬達控制提供開發套件，參考設計和軟件庫。

結論：哪一種最適合您呢？
在需要選擇合適的直流馬達技術時，您有多個選項可供選擇，具體取決於應用。

空間局限且不需要維護的醫療設備該怎麼辦？首先看看無刷解決方案。您最關心的是低成本嗎？也許永磁直流馬達適合您。

需要非常精確的控制？考慮使用BLDC，也許可帶有數字控制策略。簡單的控制機制？可了解一下有刷直流方案。

不管怎樣，您已經了解了每種技術的相對優勢，您應該能更好地做出最佳選擇了。

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