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———利用有刷直流電機(jī)來(lái)完成一個(gè)項(xiàng)目您需要一個(gè)小型(電機(jī))來(lái)完成一個(gè)項(xiàng)目,并且您會(huì)本能地查看各種標(biāo)準(zhǔn)無(wú)刷直流((BLDC))電機(jī)。這樣做有多種原因:它們可以直接使用當(dāng)今的控制器IC或嵌入式固件來(lái)驅(qū)動(dòng);您可以輕松地將所選電機(jī)與處理器和電機(jī)極之間的必要(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器相匹配;由于沒(méi)有滑動(dòng)接觸電刷,它們可靠且產(chǎn)生最小的EMI。
但是等等……BLDC電機(jī)供應(yīng)商網(wǎng)站還提供有刷直流((BDC))電機(jī),這些電機(jī)已經(jīng)“永遠(yuǎn)存在”。為什么有人會(huì)選擇一個(gè)有刷子或接觸手指的問(wèn)題以及難以嚴(yán)格控制其性能的有刷電機(jī),除了它們的成本較低或用于遺留應(yīng)用程序?這沒(méi)有任何意義。
至少我是這么想的,直到我在MedicalDesignBriefs上看到一篇關(guān)于精密便攜式輸液泵電機(jī)選擇的文章,“每一滴都很重要:設(shè)計(jì)電機(jī)以優(yōu)化家用和流動(dòng)輸液泵?!边@種線性蠕動(dòng)泵機(jī)制是一種先進(jìn)的應(yīng)用,其中低成本當(dāng)然不是選擇過(guò)程的主要標(biāo)準(zhǔn)(盡管它是其中之一,當(dāng)然)。這篇文章清楚地說(shuō)明了無(wú)芯有刷直流電機(jī)與BLDC(以及(步進(jìn)電機(jī)),一種BLDC變體)在效率、緊湊性、壽命、噪音水平和可靠性方面的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。它包括對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和尺寸的分析,并非常清楚為什么古老的有刷電機(jī)(盡管采用更現(xiàn)代的“無(wú)芯”配置)是這里的最佳選擇。
BLDC和BDC安排有什么區(qū)別?簡(jiǎn)而言之,(無(wú)刷電機(jī))有一組電磁線圈(磁極)固定在外殼內(nèi)部的適當(dāng)位置,高強(qiáng)度永磁體附在旋轉(zhuǎn)軸(轉(zhuǎn)子)上,圖1(右)。由于控制(電子)設(shè)備(電子換向-EC)按順序?yàn)榇艠O供電,轉(zhuǎn)子周圍的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn),因此吸引/排斥轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子被迫跟隨磁場(chǎng)。
驅(qū)動(dòng)磁極的(電流)可能是方波,效率低下并且會(huì)引起(振動(dòng)),因此大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用斜坡波形,其形狀針對(duì)所需的電效率和運(yùn)動(dòng)精度組合進(jìn)行了定制。此外,控制器可以微調(diào)激勵(lì)波形,以實(shí)現(xiàn)快速而平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖,以及對(duì)機(jī)械負(fù)載瞬態(tài)的清晰響應(yīng)。簡(jiǎn)而言之,有什么不喜歡的?
圖1:有刷直流電機(jī)使用機(jī)械(觸點(diǎn))實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的換向和交變(左),而無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)使用電子換向,沒(méi)有易磨損或產(chǎn)生EMI的動(dòng)觸點(diǎn)(右)。
相比之下,有刷直流電機(jī)使用機(jī)械換向來(lái)切換轉(zhuǎn)子(也稱為電樞)與定子(定子的磁場(chǎng)由永磁體或電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng))的極性,圖1(左)。電樞上沒(méi)有永磁體,而是有電流通過(guò)的線圈繞組。是轉(zhuǎn)子線圈和定子之間磁場(chǎng)的相互作用和不斷反轉(zhuǎn),從而引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)的換向作用是通過(guò)物理接觸(稱為電刷)來(lái)實(shí)現(xiàn),這些接觸會(huì)接觸電樞線圈并因此為電樞線圈供電。
有刷電機(jī)的尺寸從微型電機(jī)提供幾英寸盎司的扭矩到數(shù)百馬力,并已成功使用了100多年,并且在許多安裝中運(yùn)行良好。主要缺點(diǎn)是換向觸點(diǎn)——在大型電機(jī)中使用石墨實(shí)現(xiàn)——會(huì)磨損,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電灰塵;當(dāng)觸點(diǎn)接通和斷開(kāi)時(shí),還會(huì)產(chǎn)生火花和EMI。較小的有刷電機(jī)使用具有類似問(wèn)題的金屬板簧,但規(guī)模要小得多。
大多數(shù)新設(shè)計(jì)選擇BDLC電機(jī),因?yàn)榕c有刷電機(jī)相比,它具有良好的優(yōu)點(diǎn)和較少的缺點(diǎn)。您可以選擇不同的電壓、電流、扭矩和其他額定值,以及(軟件)或固件中的(硬件)驅(qū)動(dòng)程序和控制算法。許多還提供了GUI,可以輕松設(shè)置所需的性能屬性(速度、加速/減速曲線和響應(yīng)能力)。
相比之下,有刷電機(jī)更難以精確控制,并且這樣做的算法只能在更有限的范圍內(nèi)做到這一點(diǎn)。一些有刷設(shè)計(jì)添加了旋轉(zhuǎn)位置反饋(傳感器)((光學(xué))、霍爾效應(yīng)、(電容)或磁性),這可以提高性能,但會(huì)增加BOM成本,存在機(jī)械安裝問(wèn)題,并增加控制復(fù)雜性。(公平地說(shuō),雖然許多BLDC安裝不需要這樣的反饋傳感器,但有時(shí)會(huì)在其中添加它以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋并提高性能。)
盡管有明顯的缺點(diǎn),有刷電機(jī)仍然具有廣泛的應(yīng)用,超出了引用的高度專業(yè)化的泵示例或低成本玩具。盡管電氣和機(jī)械條件惡劣,但它在汽車等大眾市場(chǎng)用途中得到了非常廣泛的應(yīng)用。IC供應(yīng)商提供有刷(電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)系列,例如(德州儀器)((TI))的DRV887x系列。他們的基本DRV8870驅(qū)動(dòng)器(圖2)包括使用脈寬調(diào)制(PWM)控制為線圈通電以提高性能的規(guī)定;該系列中的其他IC添加了故障報(bào)告和電流感應(yīng)等功能。
圖2:a)德州儀器(TI)DRB8870的系統(tǒng)級(jí)視圖顯示了它如何用作改進(jìn)的有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC;b)它為更有效、更可控的電機(jī)操作而集成的附加(電路)的詳細(xì)信息。
教訓(xùn)是,與普遍的傳統(tǒng)工程
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