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Medical Design Briefs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?！?這種線性蠕動(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）。這篇文章清楚地闡述了無(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)度永磁體連接到旋轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)子）上，圖 1（右）。由于控制電子設(shè)備（電子換向 - EC）依次為磁極供電，轉(zhuǎn)子周?chē)拇艌?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(chē)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“智慧”相反，有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)之間的選擇很簡(jiǎn)單。無(wú)論是否與電機(jī)相關(guān)，盡職盡責(zé)的工程師都會(huì)對(duì)項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)及其相對(duì)權(quán)重進(jìn)行排序，然后在確定在特定情況下哪個(gè)是最好的之前，公平地查看各種替代方案。

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審核編輯：郭婷