直流电动机已经存在了近两百年，并在此期间进行了一系列稳步的改进。最近，无刷直流电机变得越来越流行，但对于许多应用来说，有刷直流电机仍然是正确的选择。有刷电机成本更低，驱动更简单，因此仍然是一种受欢迎的选择。

在本文中，我们将解释有刷直流电机的基础知识，然后了解驱动它们所需的电路。我们还将介绍无刷直流电机及其优缺点。

有刷直流电机基础知识

回到基础，电动机的基本原理当然是将电力转化为运动。它通过磁体之间的相互作用来实现这一点，其中一种磁体通常是通过使电流穿过铁氧体磁芯周围的导线而产生的。流过导线的电流产生第二磁场。它与主磁场相互作用，产生反向力，移动电机的一部分，通常导致电机绕轴旋转。

有刷直流电机由四个关键部件组成；固定磁铁（称为定子）、转子、换向器和电刷（见图 1）。转子由一个或多个缠绕在黑色金属（通常是铁）制成的磁芯上的绕组组成，并通过金属“电刷”连接到电源。当我们通过转子绕组发送电流时，产生的磁场与定子磁场相互作用，并产生转动转子的力。定子可以是永磁体或电磁体，具体取决于任何特定应用的要求。

这一切都很好，但如果我们只使用常规电线将转子绕组连接到电源，一旦转子转得足够远，其磁力将有效地反转方向 - 因此转子只会前后移动，而不是旋转一个方向。

为了解决这个问题，我们使用换向器，它是围绕转子轴的导电铜套，在物理和电气上分为多个部分。当换向器旋转时，它通过电刷连接和断开这些片段，从而向不同的片段对供电。这会导致电机每次旋转 180° 时磁场极性发生反转，从而实现平稳、连续的旋转。

替代方案：无刷直流电机

顾名思义，无刷直流电机没有电刷。相反，它使用电子控制电路中的晶体管向转子导线施加和断开电源，从直流电源产生交流电，以在每个半周期反转电流，从而实现连续旋转。

无刷直流电机通常比有刷电机更平稳、更高效，具有更高的扭矩功率比，并提供更高的速度和更精确的控制。由于电刷或换向器没有磨损，因此需要更少的维护并具有更长的使用寿命。然而，无刷电机的主要缺点之一是成本：电机本身的成本以及所需的更复杂的驱动电路的成本。

为了提供连续运动，每当电机旋转 180 度或另一个固定量（例如三相电机的 120 度）时，无刷电机的控制器就会反转电流的方向或相位。

改变控制电压可以通过模拟组件实现，或者使用 FPGA 或微控制器以数字方式实现。控制电路需要了解电机的相对角位置，以便能够在正确的时间激活正确的相位。这可以通过使用光学编码器或霍尔效应传感器来使用传感器来实现，或者通过从磁场产生的反电动势推断旋转角度来不使用传感器来实现。无论哪种情况，通常都会使用一体化电机驱动器，将所需的功能集成到单个芯片中。

有刷电机的驱动电路

原则上，如上所述，有刷电机不需要外部控制器，因为磁场极性的改变是通过电刷建立和断开穿过绕组的电气路径来实现的，从而实现沿一个方向的连续旋转。

对于某些应用程序来说，这已经足够了。但如果我们希望能够改变电机的速度，或者反转旋转方向，我们就需要一个驱动电路。这可以很简单，只需反转电流方向即可使电机向另一个方向转动。

为了改变速度，我们可以使用分压器改变电压——速度与电压成正比。然而，以这种方式降低电压效率低下，因为分压器不会降低总电流。为了克服这个问题，通常使用脉宽调制（PWM），它涉及快速关闭和打开电流以降低电机上的“平均”电压。

让我们看一个简单的单向应用程序的示例，例如玩具。为此，我们只需要一个晶体管和一个反激二极管，它提供了消散反电动势的途径，否则可能会造成损坏。

为了改变速度，我们需要一个能够提供所需功率并可以通过控制信号打开和关闭的晶体管。Diodes 公司的 DMTH4008LFDFWQ 就是一个例子，这是一款坚固耐用的 MOSFET 器件，工作温度高达 175°C。该器件具有高功率密度，在紧凑的 2mm x 2mm 封装中可处理高达 40V 和 11.6A 的电流。

如果需要改变电机的旋转方向，可以使用“H 桥”电路来实现，之所以这样称呼是因为它使用四个晶体管来控制电流（见图 3）。当两个晶体管 Q1 和 Q4 导通时，电流从左向右流过电机（图 3 中标记为“BDC”），使其旋转。关闭 Q1 和 Q4，打开 Q2 和 Q3，使电流从右向左流过电机，使其沿相反方向旋转。图 3 还显示，我们仍然需要为每个晶体管配备一个反激二极管，如前面讨论的单晶体管电路一样。实际上，晶体管的体二极管提供了此功能。

现在有一些器件可将 H 桥的所有四个晶体管集成到一个封装中，例如 DMHC4035LSDQ。这形成了一个可切换高达 3A 电流的 H 桥。它采用 SO-8 封装，符合严格的 AEC-Q101 标准，适合汽车应用。该装置还可用于控制单相无刷电机。

结论

有刷直流电机可能看起来不如无刷电机那么迷人，但它们提供可靠、经过验证的性能，需要不太复杂的驱动电路，从而将总体成本降至最低。

为任何给定应用选择合适的电机取决于该应用的具体要求。是否需要通过无刷电机提供的平滑运动来精确控制电机的位置，或者更简单、成本更低的有刷替代品能否提供更好的解决方案？避免磨损和维护是否很重要（无刷电机可以实现这一点），还是应用中的电机很少运行，以至于电刷和换向器的损坏不被优先考虑？

如果应用无法证明无刷电机所提供的功能带来的更高成本和复杂性是合理的，那么有刷直流电机加上正确的驱动电路设计，仍然可以提供非常有吸引力的解决方案。