1.2 电机类型

大家好，欢迎来到德州仪器 (TI) 高精度实验室。 我叫 Dalton Ortega，是一名 TI 刷式 直流和步进电机驱动器部门的产品营销工程师。 在本视频中，我们将讨论 刷式直流、无刷直流和步进电机之间的区别， 以及每种电机的常见应用。 我们将要研究的第一类电机是 刷式直流电机。 使用刷式直流电机是移动负载的 最简单方法之一。 就本视频而言，我们将考虑使用 一个由 H 桥控制的 双向永磁和 刷式直流电机。 通过导通高侧和低侧 MOSFET， 我们创建了一条通过输出 1 和输出 2 端子的 电流路径。 然后电流流经转子的换向器 和电机绕组，在转子周围 产生磁场。 定子磁体永久固定在此刷式 直流电机中，这会产生一个 静态磁场。 这些静态磁场对带电线圈的 磁场施以推力，从而导致电机旋转， 在本案例中为顺时针或 正向旋转。 要停止电机旋转，需将同一 MOSFET 置于关断状态，直到电流完成衰减。 要在两个方向上运行刷式直流电机， 需要颠倒输出 1 和输出 2 端子上的 电压极性。 我们可以通过导通对置侧的 MOSFET 来实现， 该操作将导致顺时针或反向旋转。 在许多不同的应用中，刷式直流电机 是一种简单且低成本的负载驱动解决方案。 除了通常比其他类型的电机便宜外， 刷式直流电机非常易于控制， 并且在大多数应用中不需要电流控制。 刷式直流电机的一些缺点包括 包括电刷寿命较短、易产生噪声和火花， 以及可能出现 EMI 问题。 刷式电机可能不适用于某些 易产生火花或灰尘较多的环境。 刷式直流电机的简单性还有 另一个缺点。 如果系统需要位置或速度控制， 则必须使用附加电路或传感器。 使用刷式直流电机的一些常见应用 包括智能仪表、汽车升降门和车窗、 扫地机器人轮子和刷子、智能锁、 电子和机器人玩具、 点钞机等等。 请查看我们的刷式直流应用页面， 了解刷式直流电机的更多用途以及 用于驱动这些系统的关键 TI 产品设计。 现在，让我们来看一下刷式直流电机， 或简称为 BLDC 电机。 通常，有两种类型的无刷直流电机。 顾名思义，内转子 BLDC 电机的 转子位于定子的内部。 这是一种更为传统的无刷直流类型， 被许多电机制造商使用。 对于外转子BLDC 电机， 转子位于定子的外侧， 这也称为外转式设计。 内转子设计通常具有更小的结构、 更好的散热以及更高的转矩 和转速等优点。 外转子设计通常具有低齿槽转矩的 优势。 将电磁线圈缠绕在定子上 比较容易，并且不需要高性能的磁体。 现在，让我们来看看BLDC 电机绕组的三个相位。 BLDC 电机结构的三个电机相的绕组连接方式 可能有所不同。 左侧显示的是Y 形绕组或星形连接， 这是 BLDC 电机最常用的绕组。 右侧是三角形绕组连接。 Y 形绕组自然效率更高， 电阻损耗更少， 耐受寄生电流的能力更强，并且 在较低转速时具有更高的转矩。 另一方面，三角形绕组的主要优势是具有 更高的最高转速。 需要特别注意的一点是， 无论电机连接方式如何， 两个电机的驱动方式完全相同。 无刷直流电机由于其机械结构 而非常高效，因为它与定子和转子 没有直接接触。 它转速高，噪声极低， 并且在电机的整个使用寿命期间更加可靠， 因为没有电刷，不会像刷式直流电机 那样会产生磨损。 另一方面，与刷式直流和 步进电机相比，无刷直流电机更昂贵， 并且需要更多的设计复杂性和控制。 BLDC 电机在汽车系统中的 一些常见应用包括动力转向、牵引逆变器、 泵、风扇和电动座椅。 BLDC 电机还用于工业应用， 例如家用电器、电动工具、工业机器人 和工厂自动化。 个人电子系统，如无人机、台式机和笔记本 电脑风扇以及游戏机，也可以使用 BLDC 电机。 请查看我们的BLDC 应用页面， 了解德州仪器 (TI)BLDC 电机驱动器的 其他用例。 我们今天要讨论的最后一种电机类型 是双极步进电机。 与刷式直流或无刷直流电机相比， 步进电机可以在开环系统中驱动负载， 而无需位置和速度传感器 或复杂的计算算法。 典型的步进电机在定子上有两对绕组， 需要两个 H 桥来控制流经绕组对的 电流。 通过激励步进电机中的绕组， 转子被定子的磁体排斥， 从而使转子旋转 并与所述磁场保持一致。 集成式步进驱动器通过按特定顺序 激励步进器绕组来控制 转子位置。 在此示例中，微控制器 向步进驱动器发送脉冲， 以指示步进转子应移动到 下一个位置。 当驱动器接收到该步进脉冲时， 它将按顺序激励其中一个电机相。 当它接收到下一个脉冲时，它将激励下一个相位， 由此转子便可继续运动。 集成在独立驱动器中的 H 桥 可以在两个方向上控制相绕组中的电流， 以改变绕组的极性并继续 使转子运动。 如果微控制器停止发送这些脉冲， 则转子将保持静止并与 激励相位中的磁场对齐。 步进电机具有与每个输入脉冲 相对应的基本运动角，也称为步进角。 而这是由电机制造商提供的。 利用这个已知的步进角，可以通过 控制输入信号频率来推断角位置和转速。 步进电机提供了一种无需周围 感应电路即可精确控制负载 位置和速度的简便方法。 它们还可以长时间保持电机位置， 而无需复杂的算法， 并且与无刷直流电机相比，它们通常成本较低。 不过，也有一些缺点。 如果步进电机丧失去电流调节功能， 通常会导致可闻噪声。 共振会引起系统振动。 为避免这种情况，必须进行电流 控制和调节。 使用步进电机的一些常见应用 包括 ATM、HVAC 膨胀阀、汽车前照灯、 打印机、投影仪等等。 请查看我们的步进电机应用页面， 了解步进电机的更多用途 以及我们为这些系统设计的关键产品。 总结一下，我们今天讨论的三种电机类型 分别是刷式直流电机、无刷直流电机和步进电机。 每种电机类型各有高级别优缺点。 刷式直流电机价格便宜。 它们更易于使用。 而且它们的设计更为简单。 但是它们的机械电刷会在电机的整个 使用寿命内磨损。 与其他电机类型相比，它们的效率也很低。 另一方面，无刷直流电机 没有电刷磨损，也不会引起 EMI 辐射。 这使得 BLDC电机效率高， 并在提供平稳运动和更好性能的同时 延长了电机寿命。 但是，与刷式直流电机和步进电机相比， 这些优点带来了更高的 电机成本和更复杂的 换向设计。 我们认为，步进电机是适合穷人使用的 无刷直流电机。 步进电机用于通过使用电流、 受控的上升和下降步进来重建 类似于 BLDC 电机的平滑波形和电机运动。 借助步进电机，我们可以使用开环架构 进行速度和位置控制，而无需任何传感器。 这使得步进电机的设计 比无刷直流系统更容易。 但是，由于需要控制步进电机的 电流以避免噪声、振动和电机共振， 因此经常需要进行 电流调节。 我们建议您查看此处列出的 每种电机类型的TI 应用参考设计。 这些工具提供了一种快速简便的方法 来了解如何通过我们的电机驱动器 和支持的 IC实现我们的电机应用。 感谢您抽出时间学习电机基础知识。