半導(dǎo)體技術(shù)可保持有刷電機(jī)的簡(jiǎn)單性

　　想不到，有刷電機(jī)和白熾燈有許多共同點(diǎn)：都于19世紀(jì)發(fā)明和優(yōu)化，其易用性使它們?cè)?0世紀(jì)我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，它們同樣都受到21世紀(jì)重視能效的法規(guī)的影響?，F(xiàn)時(shí)白熾燈已大部分消失了，但更高能效的無(wú)刷電機(jī)仍只是緩慢的替代有刷電機(jī)。這一部分是因?yàn)槌杀镜脑?，也因?yàn)閷?shí)施無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)時(shí)仍有顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)促使便宜但能效低的白熾燈消失，同樣也可能使有刷電機(jī)走向同樣的結(jié)局。

　　電機(jī)到處都是，但不像燈泡，它們不是那么明顯。當(dāng)有無(wú)生命的物理在移動(dòng)時(shí)，很可能是由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)我們家里的冰箱、洗碗機(jī)和洗衣機(jī)。它們開門、運(yùn)行手扶電梯、垂直電梯和火車送我們?nèi)スぷ?。在我們工作時(shí)它們煮咖啡、冷卻電腦和運(yùn)行空調(diào)。在現(xiàn)代汽車中，采用20至50個(gè)電機(jī)為調(diào)節(jié)車鏡、前大燈和座椅、燃油泵、水泵和擋風(fēng)玻璃液、以及輔助制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等多種不同的功能提供動(dòng)力。將來(lái)，電機(jī)甚至?xí)?fù)責(zé)讓汽車自己移動(dòng)。

　　在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)，這些應(yīng)用選擇的電機(jī)大多是有刷電機(jī)，因?yàn)樗浅Ｒ子谑褂?。像燈泡，只要通電就工?– 反向電壓通過(guò)終端，電機(jī)將反轉(zhuǎn)方向。改變電壓，速度就變化。這簡(jiǎn)單性可能因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)的機(jī)械式開關(guān)（換向器）使它旋轉(zhuǎn)。換向器由旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)和滑動(dòng)接頭（稱為電刷）組成，旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)連接到旋轉(zhuǎn)電機(jī)線圈，滑動(dòng)接頭令電流從固定電機(jī)外殼流向滑環(huán)。當(dāng)電機(jī)線圈組件旋轉(zhuǎn)，線圈端子滑過(guò)電刷，指示電流流過(guò)線圈，以這樣一種方式保持旋轉(zhuǎn)。

　　圖1：有刷電機(jī)原理圖

　　雖然換向器使有刷電機(jī)易于使用，但它也是問(wèn)題的主要來(lái)源。換向器易受機(jī)械磨損，限制了電機(jī)的使用壽命。電刷磨損產(chǎn)生灰塵，降低電機(jī)性能。此外，當(dāng)電機(jī)電流沿滑環(huán)在線圈間流動(dòng)，產(chǎn)生電弧。這樣的刷電弧產(chǎn)生臭氧，及造成噪聲和電子輻射，可能干擾電氣設(shè)備如電話、無(wú)線電和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。在有灰塵或可燃環(huán)境中，刷弧可能非常危險(xiǎn)，因?yàn)樗梢l(fā)火災(zāi)甚至引起爆炸。換向器采用機(jī)械式電刷，也限制了電機(jī)高達(dá)70%的電能效；而無(wú)刷電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的能效（如Nicola Tesla早在19世紀(jì)末顯示）。如果無(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)更高能效、更可靠和更環(huán)保，為什么當(dāng)今有刷電機(jī)仍然如此普遍？

　　就像白熾燈和LED燈，以一些更復(fù)雜和昂貴的東西取代一些便宜和簡(jiǎn)單的東西，通常需要最初來(lái)自政府的強(qiáng)大壓力，直到大規(guī)模生產(chǎn)把價(jià)格降下來(lái)。國(guó)際能效標(biāo)準(zhǔn)（如北美的能源之星和歐盟的生態(tài)設(shè)計(jì)）強(qiáng)制企業(yè)去遵守。此外，消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注環(huán)境和節(jié)能，現(xiàn)在更愿意在節(jié)能產(chǎn)品花錢，或者是出于良心的原因，又或者是為減少電費(fèi)帳單。因此，能效除了作為純粹的法規(guī)要求，也被視為工程師將他們的產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開來(lái)的一種途徑。同樣，在汽車領(lǐng)域，汽車制造商已被要求通過(guò)不斷收緊的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)提升燃油經(jīng)濟(jì)性。這可以許多創(chuàng)造性的方式實(shí)現(xiàn)，但一個(gè)可持續(xù)的方法是驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)上連接到發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)的系統(tǒng)。后者可更好地針對(duì)手頭任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，只在必要時(shí)運(yùn)行。一個(gè)很好的例子是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它必須在停車時(shí)以空轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大的轉(zhuǎn)向支持。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍連接到發(fā)動(dòng)機(jī)，它耗費(fèi)大量的動(dòng)力在總線，這時(shí)轉(zhuǎn)向最小，因此，汽車中的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為第一個(gè)使用無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用。隨著法規(guī)的日益嚴(yán)苛，無(wú)刷電機(jī)正被設(shè)計(jì)到液壓泵中提供制動(dòng)支持、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇、燃油泵、油/水泵等等。

　　雖然以無(wú)刷電機(jī)取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)是提高能效和可靠性，同時(shí)消除噪聲和污染的快速路經(jīng)，但無(wú)刷電機(jī)的實(shí)施對(duì)工程師是一重大挑戰(zhàn)。以前必須由換向器機(jī)械式完成的工作現(xiàn)在使用三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)器，它通常由一個(gè)微控制器實(shí)施復(fù)雜的電機(jī)控制算法來(lái)控制。因此，開發(fā)這些應(yīng)用的工程師不僅需要?jiǎng)偃斡布O(shè)計(jì)及微控制器編程，還需要深入了解電機(jī)物理學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)最大的能效到系統(tǒng)中。有刷電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員通常沒(méi)有這些技能，所以他們不愿意使用無(wú)刷電機(jī)。

　　這些工程師需要的是現(xiàn)成的方案，不需要深入設(shè)計(jì)和編程專知就能讓無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行。目的是使無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用開發(fā)就像有刷電機(jī)開發(fā)一樣簡(jiǎn)單，以至應(yīng)用工程師可專注于他們的專長(zhǎng)到應(yīng)用上，而不是如何使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。類似于LED燈取代白熾燈，半導(dǎo)體行業(yè)可支持轉(zhuǎn)向使用無(wú)刷電機(jī)部署，通過(guò)為客戶解決電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。有利的是，有一些公司正開始應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

　　有個(gè)例子是安森美半導(dǎo)體，已用其用于立體聲設(shè)備、磁盤驅(qū)動(dòng)和冷卻風(fēng)扇的“易于使用”的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)驗(yàn)，集中在工業(yè)和汽車用無(wú)刷電機(jī)的開發(fā)。特別地，公司推出高度集成的LV8907電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，使無(wú)刷電機(jī)像有刷電機(jī)一樣易于使用，無(wú)需任何軟件開發(fā)。LV8907可用于12 V工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用，而且兼容汽車要求，只需6個(gè)功率開關(guān)和幾個(gè)分立電阻和電容。該IC負(fù)責(zé)啟動(dòng)，無(wú)需傳感器換向和運(yùn)行無(wú)刷電機(jī)所需的各種安全特性。在電機(jī)和應(yīng)用相關(guān)參數(shù)通過(guò)SPI接口上傳后，控制電機(jī)速度所必需的是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）-就像有刷電機(jī)應(yīng)用一樣。所有相關(guān)參數(shù)可存儲(chǔ)在該器件的嵌入式非易失性（OTP）存儲(chǔ)器中，并將在應(yīng)用的生命周期內(nèi)保持固定。

　　雖然可使用一個(gè)開關(guān)用于固定速度模式，但LV8907的內(nèi)置P-I速度控制回路結(jié)合PWM輸入，支持在不同電源電壓和負(fù)載條件下電機(jī)速度的精確調(diào)控。得益于該器件集成的保護(hù)功能，可保護(hù)應(yīng)用免受過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫及其它故障條件的損害。在堵轉(zhuǎn)的情況下，LV8907將停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并在設(shè)置間隔后再重啟。

　　總之，從有刷向無(wú)刷電機(jī)的過(guò)渡已在進(jìn)行，出于能效的原因，和日益嚴(yán)格的政府法規(guī)正加速這開發(fā)。然而，由于這過(guò)渡涉及顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)，他們?nèi)源嬖谡系K來(lái)增加無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用的范圍。通過(guò)引入無(wú)刷電機(jī)智能電機(jī)控制方案，半導(dǎo)體行業(yè)正提供越來(lái)越多的產(chǎn)品，消除這些障礙。因此，無(wú)刷電機(jī)，像LED燈，可能隨著21世紀(jì)引進(jìn)新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來(lái)越普遍。也許很快，有刷電機(jī)就像白熾燈一樣成為歷史。