一、有刷马达与无刷马达的差异

无刷马达线绕组方式图
 

二、有刷马达与无刷马达的优缺点

无刷直流马达的优势已经不仅在于能提高可靠性，以及降低与碳刷整流相关的杂讯和电气干扰。虽然有刷马达主要是由电压控制，但是无刷直流马达对电子整流的依赖让工程师们有机会以更高精度管理转子位置、速度、加速度，还有马达的输出扭矩、效率及其他参数，从而能够满足特定的应用需求。

2.1 有刷电机的优点
      2.2.1 电机结构简单，且相关制程成熟
      2.2.2 运行平稳，起动 / 制动效果好
      2.2.3 电磁力回应速度快，起动扭矩大
      2.2.4 仅需控制电压即可控制转速，控制器技术门槛低

2.2 有刷电机的缺点
      2.2.1 碳刷摩擦声因大，换向器损耗大
      2.2.2 效率低,无效功转换为热能，电机容易发热使用寿命短
      2.2.3 因其为接触式换向，换向过程会产生火花，对电网干扰大
      2.2.4 因其效率低，故于同一输入功率所转换的输出动能较小
      2.2.5 只能连续工作约5000小时，正常使用寿命为2-3年，寿命低

2.3 无刷电机的优点
      2.3.1 无电刷接触火花、电磁干扰低
      2.3.2 运转噪音低，运转顺畅
      2.3.3 没有接触性耗损零件，使用寿命长，可以连续工作约20,000小时，常规使用寿命为7 -10年
      2.3.4 没有碳刷及换向片接触碳化问题，电机免保养
      2.3.5 三相换相之控制，爆衝零风险
      2.3.6 无刷电机的效能可达85%以上，有刷电机效能约略为55%，故无刷系统更节能

2.4 无刷电机的缺点
      2.4.1 无刷电机绕线为三相式接法，电机设计较複杂
      2.4.2 控制演算法技术要求高，驱动电路複杂
      2.4.3 无刷控制器成本比有刷控制器高
      2.4.4 对相位侦测精度要求高，电机量产设备要求高

三、有刷与无刷电机工作原理

3.1 有刷电机工作原理

3.1.1 有刷电机的主要结构就是定子+转子+碳刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

 

3.1.2 有刷电机採用机械换向，磁极(磁铁)不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁铁和碳刷为固定体不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。

3.1.3 在有刷电机中，这个过程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，组成一个像圆柱体的东西，与电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子(碳刷)，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线圈通电。

3.1.4 随著电机转动，不同时刻给不同线圈或同一个线圈的不同的两极通电，使得线圈产生磁场的N-S极与最靠近的永磁铁定子的N-S极有一个适合的角度差，磁场异性相吸、同性相斥，产生力量推动电机转动。碳电极在线圈接线头上滑动，像刷子在物体表面刷，因此叫“碳刷”。

3.1.5 碳刷与转子相互滑动会摩擦，造成碳刷损耗，需要定期更换碳刷，碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，因此产生电磁波干扰电子设备。

3.2 无刷电机工作原理

3.2.1 无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路，一般为霍尔感测器(更精密需求的会使用编码器的技术)+电子换向器，来完成。

3.2.2 无刷电机採取电子换向，线圈不动而磁铁旋转。无刷电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力来驱动电机，消除了有刷电机的缺点。

3.2.3 上述这些电路，就是无刷电机控制器。无刷电机的控制器还可以实现一些有刷电机不能实现的功能，比如调整电源切换角，制动电机使电机反转，或是锁住电机。

3.2.4 无刷直流电机由电动机主体和驱动器(控制器)组成，是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下启动的同步电机那样，需要在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振盪和失步。

 

四、有刷电机与无刷电机调速方式的区别

实际上两种电机的控制都是调压，只是由于无刷直流採用了电子换向，所以要有数位控制才可以实现，而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统类比电路都可以控制，比较简单。

4.1 有刷马达调速过程是调整供给马达电源电压的高低。调整后的电压电流通过整流子及电刷转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的，这一过程称之为变压调速。
4.2 无刷马达调速过程是马达的供电电源的电压不变，通过微处理器改变驱动电路的控制信号，再改变大功率MOS管的开关速率，来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。

 

五、无刷电机控制原理

5.1 要控制无刷直流马达，首先要知道转子位置，控制器利用此资讯来协调与磁场相关的转子线圈之供电，以确保马达提供所需的回应，包括保持速度、加速、减速、改变方向、减小或增加扭矩、紧急停止或其他回应，具体取决于应用和操作条件。
5.2 转子位置可直接使用位于转子轴上的感测器或编码器进行检测。编码器类型丰富，大致分为相对位置和绝对位置两种；同时还有各种类型的感测技术，如磁线圈旋转变压器，或是霍尔效应、光学或电容感测器。根据解析度、耐用程度或成本等要求，这些类型的任何一种技术都可能适用既定的应用案例。
5.3 无感测器控制是一种可行的替代方法，它利用现有微控制器的运算能力，透过测量每个转子绕组中的反电动势来计算转子位置。无需编码器，因此可以节省材料成本、简化组装并提高可靠性。磁场导向控制(FOC)将转子电流分解为D轴和Q轴分量，因为直流值变化缓慢，可以简化控制挑战，结合这种控制方法，无需感测器即可检测转子位置，这种检测方式非常适合成本和可靠性比精度更重要的应用 

 

六、直流无刷驱动器(健身器材业界统称下控制器)

6.1 电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止，以及转动的速度，电机驱动控制部分也叫做电子调速器
6.2 无刷电机外部还需要一个电子驱动器，这个驱动器就是一个无刷电机控制器，它随时都在改变著固定线圈内部电流的方向，保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥及相互引力，如此线圈电流换向动作一直交换及重複，电机转子(磁铁)转动才能得以延续。
6.3 有刷电机欲让其转动，直接把直流电供给电机的正极跟负级，电机就能自行转动，无刷电机工作必须要有控制器，将直流电转化为三相交流电，输给无刷电机才能转动。
6.4 从电机电力来源的角度来看，有刷电机电力来源就是直流电，无刷电机电力来源就是三相交流电。
6.5 三相交流电是电的一种传输形式简称三相电，是由3个频率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流电压组成的电源，三相电之电压波形如下图片

6.6 无刷控制器，输入的是单相交流电，通过一个高压桥式整流器以及一个高压滤波电容器，整流出一个DC高压。此DC高压供应给全桥驱动电路主电源，当控制器MCU进行换向小讯号传输到全桥驱动电路的控制端，全桥电路就会将小讯号变为高压DC的大讯号,供应给电机线圈绕组，因此供应无刷电机线圈绕组电流就会一直改变流动方向，称之为电子换向
6.7 控制器内的MCU会以上控电子錶下发的转速命令，进而对每一相输出PWM信号，此PWM讯号的正脉宽宽度决定输出电压的大小配合PWM频率的高低以及U V W各相PWM由LO转HI的时间点(切向进角角度量)来控制电机的转速及转向，这就是无刷电子换相的原理。
6.8 在驱动电机运转的时候，控制器的全桥电路内共有3组MOS管工作，每组2个MOS管一个控制正极输出一个控制负极输出，当正极输出时负极不输出，负极输出时正极不输出，这样子也就形成了交流电，三组MOS FET都是如上述同样运作的

6.9 全桥电路中的功率MOSFET的选择，设计工程师必须考量所需电压和电流额定值、开关速度，以及开关和传导损耗等因素。而闸极驱动器也必须能够快速对MOSFET的闸极电容进行充电和放电，以确保能够快速切换到应用所要求的最大频率，早期此全桥驱动电路是以分立元件六个MOSFET以及周围的元器件所组成，现在因为集成技术发达，大功率的全桥电路均使用IPM模组化全桥驱动模组，此全桥电路所有零件全部集成在一个晶圆当中，再经由封装制程将晶圆包成一个模块，全桥MOS FET的保护电路皆设计于晶片内，其保护响应速度快，所以大幅度降低无刷控制器产品在运作过程中损坏全桥驱动电路零件的机率
6.10 浅谈PSoC 3架构图
     PSoC 3架构具有丰富的无刷直流马达控制功能，同时有多个PWM功能区块以及监控和通讯功能。

6.11 以MCP8024为说明案例
MCP8024整合了一些重要的功能，例如三个额定电压，以及电流高达12V和0.5A的半桥驱动器(具有针对高侧和低侧MOSFET的击穿保护和独立输入控制)，还有一个用于为配套微控制器供电的降压转换器。另外还有三个用于相电流监控和转子位置检测的运算放大器，一个过电流比较器两个电平转换器以及5V和12V 20mA的LDO稳压器。更多的内建保护功能包括欠压和过电压锁定、短路保护和过热关机。这些广泛的功能整合到一个小巧的40接脚5mm x 5mm QFN或48接脚7mm x 7mm TQFP封装内。
     MPC8024是高度整合的电源模组，设计用于控制外部MOSFET的闸极，从而控制针对无刷直流马达的供电。
 

七、总结

无刷直流马达已迅速成长为马达类型首选，由于其高可靠性、多功能性、低杂讯和电气干扰以及易于使用等特性，透过能以低成本微控制器或可程式化SoC实现的轻量化磁场导向控制策略即可对其进行控制，无论是否採用转子位置感测器皆可，PSoC 3控制器与恰当的电源模组和电源开关相结合，整合先进马达管理和监控功能电路，在健身器材这个需要机电整合技术性高的产业链，随著无刷马达生产工艺的成熟，以及控制技术演算法的精进，无刷系统俨然已经成为跑步机驱动系统的趋势