簡介

直流電機是將電能轉換為機械運動的機器，它功能多樣，無論是在小型家用電器還是工業機械中，都能見到它的身影。直流電機依賴電磁的相互作用工作，它簡單、高效且用途廣泛。

兩種常見的直流電機類型包括有刷直流電機和無刷直流 (BLDC) 電機。本文將介紹與之相關的組件、操作、參數以及計算，另外還將介紹可與這些解決方案一起使用的電機驅動器。

直流電機參數

無論是有刷還是無刷，直流電機都有一些關鍵參數必須檢測、監控甚至計算出來，用于確定哪種電機最適合應用。

圖 1 總結了電機驅動器的參數，下面將進行更詳細的描述。

1. 電壓：電壓是施加到電機上的電勢差。電機的電壓非常重要，因為它決定了其他一些關鍵參數，如電機的速度、扭矩和輸出功率(POUT)。電壓越高，電機速度就越快。通過調整電壓可以對電機進行控制，改變電壓除了可以改變電機的速度，還可以反轉電機的旋轉方向。降低電壓則會減慢電機速度；當電壓降至零時，電機即停止工作。

每個電機都有其工作電壓范圍。建議將電機電壓保持在其工作范圍內，以確保電機有效、安全地運行。

2. 電流：施加電壓到電機時，電流會流過電機。電流與扭矩成線性關系；在電壓恒定的條件下，增加扭矩會增大電流。不過，盡管增大電流也會提高POUT，但仍需將電流保持在其工作范圍內，因為過流 (OC) 狀況可能會使電機過載并導致過熱。

電流對電機速度的影響不像電壓那么大，但它仍然可以用來微調電機的速度。

3. 扭矩：扭矩是對電機旋轉力的度量。電機的旋轉力非常關鍵，最大扭矩是選擇電機時要考慮的主要參數之一。扭矩必須足夠高，才能克服電機的機械阻力并帶動負載，無論是運行傳送帶，還是旋轉重型機械。

電機開始運轉時，需要很大的扭矩來加速； 此外，還要有減速扭矩使電機在恰當的時間范圍內減速。某些應用（例如 MRI 機器）需要具有高連續扭矩的電機，而機器人手臂等應用則需要能夠提供極高突發扭矩的電機。

扭矩可以用公式（1）來計算：

T=K×I

其中 I 是電流，K 是電機的扭矩常數。

4. 速度：電機的速度用于衡量電機旋轉得有多快，通常以每分鐘轉數 (rpm) 來表示。速度與施加到電機上的負載成反比。如果負載增加，電機速度就會減慢。通過增加電機的電壓可以提高電機的速度。

電機有時需要以恒定的速度運行以優化效率。由于可通過改變電機的負載或電壓來調節速度，因此直流電機在速度變化的應用中很受歡迎，例如傳送帶和風扇。但在許多應用中，電機可能需要保持一個特定的速度。在這種情況下，可以使用反饋控制器（例如編碼器）來確保無論其他參數或負載如何變化，速度都保持恒定。

對直流電機來說，速度還和扭矩相關，電機可以在較低速度下產生較高扭矩，在較高速度下產生較低扭矩。

5. 效率(η)：電機的效率衡量直流電機將電能轉換為機械能的有效性。高效率意味著電機使用較少的電能即可完成任務，這對電池供電的設備和電動汽車來說是理想的選擇。高效的電機，其用電和維護成本也更低；因為產生的熱量較少，所以也更有可能避免過熱并使用更長時間。

無論是出于安全還是環境方面的考慮，很多應用市場都要求電機滿足一定的效率標準。盡管更高效的電機可能初始成本也更高，但從電機的整個生命周期來看，其運行時間可能更長且成本更低。

有刷直流電機：組件和操作

有刷直流電機是一種高性價比的設備，它適用于需要旋轉運動的各種應用。有刷直流電機由四個主要部分組成。圖1顯示了有刷直流電機的所有部件，主要部件描述如下。

有刷直流電機的運動部分稱為轉子。轉子是一個纏繞著線圈的圓柱體，它連接到輸出軸。連接到轉子的線圈通過旋轉來驅動軸。

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

換向器安裝在轉子軸上并連接到繞組。當轉子旋轉時，換向器改變流過轉子繞組的電流方向。

電刷是有刷直流電機的最后一個主要部件。電刷通常由碳或石墨制成，用于將來自外部電源的電能傳輸到換向器。

有刷直流電機的操作相對簡單，主要遵循以下流程：

1.當電刷被施加外部電壓時，電流從電刷通過換向器流至轉子上的繞組。

2.流經繞組的電流產生磁場，導致轉子與定子的磁場相互作用。這種相互作用使轉子旋轉。

3.當電機旋轉時，換向器周期性地反轉通過轉子繞組的電流方向。

4.轉子持續轉動，換向器持續轉換電流方向。

電機驅動器 IC 用于控制電機的運動方式并提供保護功能，從而保證有刷直流電機的可靠運行。

有刷直流電機驅動器

MPS 提供可驅動有刷直流電機和螺線管的 H 橋驅動器，適用于玩具和汽車門鎖等應用。這些驅動器具備保護功能、控制速度和扭矩的機制，以及可減小總體 PCB 尺寸的高集成度。

MP6615是一款 H 橋直流電機驅動器。在適當的PCB 布局和散熱條件下，該器件可提供高達 8A 的連續輸出電流(IOUT)。MP6615包含一個由四個 N 溝道功率 MOSFET 組成的全橋，并將預驅動器、柵極驅動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對兩路輸出電流進行檢測。

MP6615利用內部電荷泵生成柵極驅動電壓，同時支持 100% 占空比運行。 該器件提供三種不同的輸入模式來控制部件的運行，也可強制其進入高阻抗 (Hi-Z) 狀態，以使電機慣性工作。MP6615 還提供一個用于低功耗睡眠模式的 nSLEEP 引腳，非常適合電池供電應用。

MP6615的保護功能包括過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）和過溫關斷保護，這些功能可防止電機或驅動器因異常工作條件而損壞。建議將MP6615用于中等電流的工業應用。

MPQ6615-AEC1是 MP6615 的汽車級版本。它也是一款具有四個 N 溝道 MOSFET 的 H 橋電機驅動器，可提供8A 連續IOUT。該器件與 MP6615具有相同的特性和保護功能，同時，它還符合 AEC-Q100 等級1 認證，可應用于包括汽車門鎖、閂鎖電機和座椅執行器等應用。

無刷直流 (BLDC) 電機：組件和操作

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

BLDC 電機的固定組件定子中包含了電磁繞組；這些繞組產生的磁場可以與轉子相互作用而產生運動。轉子是通常包含永磁體的旋轉部件；磁體與磁場相互作用產生扭矩和運動。轉子由軸承支撐，可最大限度地減少摩擦，實現平穩的運行（見圖 3）。

BLDC 電機通常配有傳感器（例如霍爾效應傳感器），用于檢測轉子位置并向控制器提供反饋。傳感器對于確定哪些定子線圈需要通電以至運動至關重要。BLDC 電機需要控制器來提供換向功能，同時實現速度或扭矩的控制。

BLDC電機的工作原理如下所述：

1.當轉子旋轉時，傳感器（例如霍爾效應傳感器）檢測磁體的位置，然后該信息被發送到控制器。

2.傳感器的反饋決定了對哪些定子線圈進行通電。當這些定子依次通電時，通電序列產生旋轉的磁場。

3.轉子的磁體與定子線圈產生的磁場對齊，從而產生扭矩并使電機轉動。

電機通過給不同的線圈通電來保持旋轉方向和速度。

BLDC電機驅動器

MPS 的集成型 BLDC 電機驅動器 IC 集成了低導通電阻(RDS(ON))功率 MOSFET，可實現超小尺寸的單芯片解決方案。這些 BLDC 電機驅動器可以驅動無刷直流電機，以及可用于電動自行車、電動工具和汽車應用的永磁同步電機(PMSMs)。

MP6545是一款專為 BLDC 電機和其他負載設計的三相功率級 IC（見圖 4）。

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

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、強大的保護功能以及低 RDS(ON) MOSFETs。

MPQ6541-AEC1 是 MP6545 的汽車級版本，可以為所有三相提供集成使能 (EN) 和脈寬調制 (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% 占空比運行，可用于LiDAR等汽車應用。

總結

如上所述，直流電機可將電能轉換為機械能并使電機旋轉。本文介紹了有刷直流電機和無刷直流 (BLDC) 電機的功能和組件，同時回顧了它們的重要參數，以及可進一步優化解決方案的電機驅動器 IC。

直流電機具有令人難以置信的多功能性、高效性和可控性，這使其成為眾多應用的理想選擇，包括高度專業的醫療和汽車行業，以及智能家居領域。MPS提供各種有刷直流電機驅動器和BLDC 電機驅動器，致力于為您的應用提供最佳解決方案。請瀏覽 MPS 官網了解更多產品信息。