直流電動機已問世近 200 年，在此期間進行了一系列穩定的改進。最近，無刷直流電機變得越來越流行，但對於許多應用來說，有刷直流電機仍然是正確的選擇。有刷電機成本更低，驅動更簡單，因此它們仍然是一種流行的選擇。
回到基礎，電動機的基本原理當然是將電能轉化為運動。它通過磁體之間的相互作用來實現這一點，其中之一通常是通過使電流通過鐵氧體磁芯周圍的導線而產生的。流過導線的電流產生第二磁場。這與主磁場相互作用以產生相反的力，使電機的一部分移動，通常會導致其繞軸旋轉。
有刷直流電機由四個關鍵部件組成；固定磁鐵（稱為定子）、轉子、換向器和電刷（見圖 1）。轉子由一個或多個繞在黑色金屬（通常是鐵）製成的鐵芯上的線圈組成，並通過金屬“刷子”連接到電源。當我們通過轉子繞組發送電流時，產生的磁場會與定子磁場相互作用並產生使轉子轉動的力。定子可以是永磁體或電磁體，這取決於任何特定應用的要求。
這一切看來都很好，但是如果我們只是使用普通電線將轉子繞組連接到電源，一旦轉子轉動得足夠遠，它的磁力就會有效地反轉方向，因此轉子只會前後移動，而不是旋轉一個方向。
為了解決這個問題，我們使用換向器，它是一個圍繞轉子軸的導電銅套，在物理上和電氣上分為多個部分。當換向器旋轉時，它通過電刷連接和斷開這些段，向不同的段對供電。這會導致電機每旋轉 180º 時磁場的極性就會反轉，從而實現平穩連續的旋轉。
無刷直流電機，顧名思義，無刷直流電機沒有電刷。相反，它使用電子控制電路中的晶體管來為轉子的電線施加和移除電力，從直流電源產生交流電，以在每個半週期反轉電流，實現連續旋轉。
無刷直流電機通常比有刷電機更平穩、更高效，具有更高的扭矩功率比，並提供更高的速度和更精確的控制。由於電刷或換向器沒有磨損，它們需要的維護更少，使用壽命更長。然而，無刷電機的主要缺點之一是成本：電機本身以及所需的更複雜的驅動電路。
為了提供連續運動，無刷電機的控制器會在電機每次旋轉 180 度時反轉電流的方向或相位，或者其他固定量（例如三相電機的 120 度）。
可以使用模擬組件或使用 FPGA 或微控制器以數字方式改變控制電壓。控制電路需要了解電機的相對角位置，以便在正確的時間激活正確的相位。這可以通過傳感器、光學編碼器或霍爾效應傳感器來實現，也可以不使用傳感器通過從磁場產生的反電動勢推斷旋轉角度來實現。在任一情況下，通常使用一體式電機驅動器，將所需功能集成到單個芯片中。
有刷電機驅動電路，原則上，如上所述，有刷電機不需要外部控制器，因為磁場極性的變化是通過電刷通過繞組接通和斷開電氣通路來實現的，實現一個方向的連續旋轉。
對於某些應用程序，這已經足夠了。但是如果我們想要能夠改變電機的速度，或者反轉旋轉方向，我們就需要一個驅動電路。這可以很簡單，只需反轉電流方向即可使電機轉向另一方向。
為了改變速度，我們可以使用分壓器改變電壓，速度與電壓成正比。然而，以這種方式降低電壓是沒有效率的，因為分壓器不會減少流動的總電流。為了克服這個問題，通常使用脈寬調變 (PWM)，這涉及快速關閉和打開電流以降低電機兩端的“平均”電壓。
讓我們看一個簡單的單向應用程序示例，例如玩具。為此，我們只需要一個晶體管和一個反馳式二極管，它提供了一種消散反電動勢的途徑，否則可能會造成損壞（見圖 2）。
為了使速度能夠改變，我們需要一個可以提供所需功率並且可以通過控制信號打開和關閉的晶體管。例如DIODES(達爾科技)的 DMTH4008LFDFWQ，這是一款堅固耐用的 MOSFET 器件，可在高達 175ºC 的溫度下運行。該器件提供高功率密度，在緊湊的 2mm x 2mm 封裝中處理高達 40V 和 11.6A 的電流。
如果需要改變電機的旋轉方向，可以使用“H-Bridge”電路來實現，之所以這樣稱呼，是因為它使用四個晶體管來控制電流（見圖 3）。 當兩個晶體管 Q1 和 Q4 導通時，電流從左到右流過電機（圖 3 中標記為“BDC”），使其旋轉。 關閉 Q1 和 Q4，打開 Q2 和 Q3，會導致電流從右向左流過電機，使其反向旋轉。 圖 3 還顯示我們仍然需要為每個晶體管配備一個反馳式二極管，就像前面討論的單晶體管電路一樣。 實際上，晶體管的體二極管提供了這種功能。
現在有一些器件可以將 “H-Bridge”的所有四個晶體管集成到一個封裝中，例如 DIODES (達爾)的DMHC4035LSDQ (圖4)。 這形成了一個可以切換到 3A 的 H -Bridge。 它採用 SO-8 封裝，符合嚴格的 AEC-Q101 標準，適用於汽車應用。 該裝置還可用於控制單相無刷電機。
結論
有刷直流電機看起來可能沒有無刷那麼迷人，但它們提供可靠、經過驗證的性能，不需要復雜的驅動電路 - 將總成本保持在最低水平。
為任何給定應用選擇合適的電機取決於該應用的具體要求。 是否需要通過無刷電機提供的平滑運動來精確控制電機的位置，或者更簡單、成本更低的有刷替代品能否提供更好的解決方案，如果應用不能證明無刷電機提供的功能所帶來的更高的成本和復雜性，那麼有刷直流電機與正確的驅動電路設計相結合，仍然可以提供非常有吸引力的解決方案。
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