簡介

電機(jī)是通過轉(zhuǎn)子繞固定軸旋轉(zhuǎn)從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動的一種電氣設(shè)備。其功能多樣，可驅(qū)動各種應(yīng)用，包括安全攝像頭、智能門鎖和3D 打印機(jī)。無論是對工程師還是普通愛好者來說，了解不同電機(jī)之間的差異都非常重要，因為電機(jī)的不同不僅影響最終的應(yīng)用，也決定電機(jī)驅(qū)動器的選擇。

本文將介紹兩種常見的電機(jī)及其各自的電機(jī)驅(qū)動器：步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。同時，我們還將描述這些電機(jī)類型之間的異同，以及可實現(xiàn)無縫控制與優(yōu)化的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和直流電機(jī)驅(qū)動器。

步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖轉(zhuǎn)換為精確的機(jī)械運(yùn)動。顧名思義，步進(jìn)電機(jī)是逐步轉(zhuǎn)動的，其每一步都是一個精確的旋轉(zhuǎn)角度（通常約為1.8°）。它根據(jù)接收到的電脈沖數(shù)量設(shè)定旋轉(zhuǎn)次數(shù)。由于每次旋轉(zhuǎn)都遵循精確的旋轉(zhuǎn)角度，因此步進(jìn)電機(jī)具有高度可控性。

步進(jìn)電機(jī)的主要部件包括：

1.轉(zhuǎn)子：與軸相連的轉(zhuǎn)子是步進(jìn)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子有齒或磁極，當(dāng)它們與定子相互作用時產(chǎn)生運(yùn)動。

2.定子：定子是電機(jī)的靜止部分。它具有可產(chǎn)生磁場的線圈；不同的線圈繞組構(gòu)成不同的相。

3.繞組相：步進(jìn)電機(jī)可以是雙極或單極的。雙極性步進(jìn)電機(jī)有兩個繞組相，單極性步進(jìn)電機(jī)有4個繞組相。每個相都與定子上的一個繞組相關(guān)聯(lián)。

4.脈沖和控制：旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)需要將一系列的電脈沖發(fā)送到繞組相。這些脈沖的順序和時序可確定每一步的方向和距離。

圖 1 顯示了步進(jìn)電機(jī)的橫截面圖。

步進(jìn)電機(jī)以離散的步長移動，因此可以非常精確。此外，步進(jìn)電機(jī)能夠保持最大電流以最大限度地提高保持扭矩，因此非常適合機(jī)器人和攝像頭萬向節(jié)等位置保持任務(wù)。

直流電機(jī)：有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)

直流電機(jī)可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動，并基于電磁感應(yīng)運(yùn)行。這類電機(jī)在旋轉(zhuǎn)部件和固定部件之間產(chǎn)生磁場；磁場推動轉(zhuǎn)子，然后轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直流電機(jī)主要有兩種類型：直流有刷電機(jī)和直流無刷（BLDC）電機(jī)。

圖2所示為直流有刷電機(jī)，其主要部件介紹如下：

1.轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子（或電樞）是纏繞在鐵芯上的線圈。 與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一樣，它是直流有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，與定子相連。

2.定子：定子是由一個（或多個）永磁體或電磁體組成的靜止部件。定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，從而產(chǎn)生扭矩并使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

3.換向器：換向器是安裝在轉(zhuǎn)子軸上的環(huán)，它與轉(zhuǎn)子上的繞組電性連接。換向器可以反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向，并驅(qū)動電機(jī)。

4.電刷：電刷是由碳或石墨制成的固定模塊，用于動態(tài)接觸換向器。它能傳導(dǎo)電流，從而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖 3 顯示了一款BLDC 電機(jī)。BLDC 電機(jī)沒有電刷，這使它們更可靠、更耐用、磨損更少。BLDC 電機(jī)的定子帶有多個線圈，轉(zhuǎn)子上有永磁體或電磁體。它們采用電子換向，并利用控制器來控制定子繞組中的電流。

對直流電機(jī)來說，施加的電流產(chǎn)生扭矩，其建議應(yīng)用包括計算機(jī)硬盤驅(qū)動器、玩具和太陽能跟蹤系統(tǒng)等。

步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的比較

步進(jìn)電機(jī)、有刷直流電機(jī)和 BLDC 電機(jī)是不同類型的電機(jī)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，并適用于不同的應(yīng)用。下面我們將描述其中部分關(guān)鍵區(qū)別。

操作/控制能力

步進(jìn)電機(jī)可以在開環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行，這意味著電機(jī)的精確位置由發(fā)送到電機(jī)的確切步進(jìn)數(shù)或脈沖數(shù)決定。 由于步進(jìn)電機(jī)以離散、易于量化的步長運(yùn)行，因此不需要位置控制。但它需要外部設(shè)備來調(diào)整電機(jī)的速度和方向，例如微控制器 (MCU)。

直流有刷電機(jī)由直流電源供電，電源通過碳刷連接到轉(zhuǎn)子。簡單的直流有刷電機(jī)可以通過開環(huán)系統(tǒng)來控制，但較先進(jìn)的電機(jī)可能需要反饋機(jī)制。通常，這些電機(jī)不需要外部控制器也可輕松調(diào)節(jié)。例如，調(diào)整電機(jī)電壓即可改變其速度。

BLDC 電機(jī)必須在閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行。閉環(huán)系統(tǒng)精度更高但需要額外的控制電路才能平穩(wěn)運(yùn)行。

使用壽命

步進(jìn)電機(jī)因其簡單性而更加可靠。其使用壽命可長達(dá) 4 至 5 年，或約 10,000 小時。

直流電機(jī)也相對可靠，但直流有刷電機(jī)需要不斷維護(hù)，以防止電刷發(fā)生故障。一般運(yùn)行幾千小時就需要維護(hù)。

直流無刷電機(jī)比直流有刷電機(jī)的使用壽命長，因為它不存在電刷帶來的機(jī)械磨損，其運(yùn)行時間可超過 10,000 小時。

效率和噪音

步進(jìn)電機(jī)的效率往往較低，因為它們會因散熱損失能量；此外，步進(jìn)電機(jī)始終以最大電流運(yùn)行，因此需要大量的能量。直流電機(jī)的效率較高，其中直流無刷電機(jī)效率最高，因為它們不會因電刷摩擦而損失太多能量。

在噪音方面，步進(jìn)電機(jī)情況最糟糕，因為其步進(jìn)式的操作導(dǎo)致電機(jī)以連續(xù)速度旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生呼呼聲或棘輪聲。有刷直流電機(jī)噪音較小，但當(dāng)電刷刷過換向器時，仍然會產(chǎn)生噪音；可以想見，BLDC 電機(jī)產(chǎn)生的噪音最小。

總結(jié)

表 1 總結(jié)了步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)以及常見應(yīng)用。

電機(jī)驅(qū)動IC

所有電機(jī)都需要電機(jī)驅(qū)動 IC，即電機(jī)驅(qū)動器，用于控制和管理電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動器用于調(diào)節(jié)電機(jī)的速度、方向，有時還調(diào)節(jié)其他參數(shù)，以確?？煽俊⒏咝У倪\(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動器的功能包括放大電信號來為電機(jī)供電并控制電機(jī)，實現(xiàn)精確的速度控制，同時提供強(qiáng)大的保護(hù)功能，如過流保護(hù) (OCP) 和過溫保護(hù) (OTP)。

MPS 提供的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、直流有刷或 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器可配合這三種電機(jī)類型使用。下面我們將討論 MPS 提供的部分電機(jī)驅(qū)動器 IC。

MPS步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

MP6605 系列包括MP6605C、MP6605D和MP6605E。這些器件主要功能相同但控制接口不同。 它們都是 4 通道下管驅(qū)動器 IC，集成了下管 MOSFET (LS-FET) 和上管 (HS) 鉗位二極管，適用于單極步進(jìn)電機(jī)。圖 4 顯示了 MP6605C 的典型應(yīng)用電路。

這三個器件均在 4.5V 至 60V 的輸入電壓(VIN)范圍內(nèi)工作，并采用超小尺寸 QFN-24 (4mmx4mm) 封裝。它們可提供高達(dá) 1.5A 的輸出電流(IOUT)，并具有 OCP、OTP 和欠壓鎖定 (UVLO) 等保護(hù)功能。UVLO可確保器件在輸入電壓不足時不會嘗試強(qiáng)行工作。

這些器件的主要區(qū)別是控制接口不同。MP6605C 通過 I2C 接口進(jìn)行控制。MP6605D 通過并行接口進(jìn)行控制，它提供單獨(dú)的輸入引腳控制每路輸出。MP6605E 則通過串行 (SPI) 接口進(jìn)行控制，該接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到 MP6605E 的輸出，同時可讀取三個傳感器輸入的狀態(tài)。

MPS直流有刷電機(jī)驅(qū)動器：MP6612系列

MP6612是一款 H 橋電機(jī)驅(qū)動器，可用于驅(qū)動可逆負(fù)載。其輸出通過 IN1 和 IN2 引腳進(jìn)行控制，具備靈活性。該器件可以驅(qū)動一臺直流電機(jī)、一個步進(jìn)電機(jī)繞組和其他負(fù)載。當(dāng)設(shè)備在制動模式下禁用時，電機(jī)具有低靜態(tài)電流 (IQ)，可降低設(shè)備在無需工作時的功耗。

MP6612 提供 OCP、OVP 和 OTP等保護(hù)功能，并提供故障指示功能，以便設(shè)計人員在發(fā)生故障時收到通知。MP6612 還提供 UVLO保護(hù)。該器件采用 TSSOP-20 封裝，并帶散熱焊盤，可提高散熱效率（見圖 5）。

MP6612MP6612D系列器件能夠滿足眾多的應(yīng)用需求。例如，MP6612D 是其中一款提供電流采樣電路的類似器件，它提供與負(fù)載電流成比例的輸出電壓(VOUT)。

MPQ6612A-AEC1則是一款汽車級產(chǎn)品，它與MP6612和MP6612D類似，但符合AEC-Q100 等級1認(rèn)證，因此可用于門把手和電子鎖等汽車應(yīng)用。

MPS BLDC電機(jī)驅(qū)動器

MP6546是一款三相 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器，它具有I2C接口，可配置保護(hù)、操作模式和角度等參數(shù)。 該器件采用磁場定向控制 (FOC) 邏輯和角度計算來實現(xiàn)精確的監(jiān)控，同時提供 OCP、OVP、UVLO和短路保護(hù) (SCP) 故障指示，可使器件免受過流情況的影響。

MP6546支持多從機(jī)模式和連接到單個I2C接口總線的三軸云臺，每個從機(jī)單元都可以計算自己的角度并通過I2C接口控制電機(jī)。

MP6546 同時支持磁角度傳感器輸入模式和線性霍爾傳感器輸入模式，這也意味著它支持兩種位置反饋法（見圖 6）。在磁性角度傳感器輸入模式下，MP6546 可與 MPS 的MagAlpha 磁性角度傳感器系列配合使用；在線性霍爾傳感器輸入模式下，該器件將其 HA 和 HB 信號發(fā)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以便數(shù)字核心來計算角度。

MP6546 是一款高度通用且可配置的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器，只需很少的額外工作或測試，即可在不同的系統(tǒng)上運(yùn)行。

總結(jié)

本文介紹并討論了各種電機(jī)類型以及相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動 IC。其中，步進(jìn)電機(jī)是一種以離散、高可靠步進(jìn)方式運(yùn)行的高精度電機(jī)；直流電機(jī)則通過電壓和電流實現(xiàn)靈活控制，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)精度很高，但效率不如直流電機(jī)。

電機(jī)需要電機(jī)驅(qū)動 IC來決定電機(jī)的速度和方向，從而保護(hù)并控制電機(jī)。MPS 提供多種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，本文僅重點(diǎn)介紹了包括MP6605C在內(nèi)的MP6605 系列。MPS 還提供有刷直流電機(jī)（例如 MP6612及其變體）以及BLDC 電機(jī)驅(qū)動器（例如MP6546）。敬請了解 MPS 專為工業(yè)和汽車市場的各種應(yīng)用而設(shè)計的全系列電機(jī)驅(qū)動器產(chǎn)品。