1 有刷電機(jī)的工作原理

 

有刷電機(jī)是大家最早接觸的一類電機(jī)，中學(xué)時(shí)物理課堂上介紹電動(dòng)機(jī)也是以它為模型來展示的。有刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而輸出動(dòng)能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動(dòng)中起到導(dǎo)電和換相作用。

 

 

有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來完成的。

 

在有刷電機(jī)中，這個(gè)過程是將各組線圈的兩個(gè)電源輸入端，依次排成一個(gè)環(huán)，相互之間用絕緣材料分隔，組成一個(gè)象圓柱體的東西，與電機(jī)軸連成一體，電源通過兩個(gè)碳元素做成的小柱子（碳刷），在彈簧壓力的作用下，從兩個(gè)特定的固定位置，壓在上面線圈電源輸入環(huán)狀圓柱上的兩點(diǎn)，給一組線圈通電。

 

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不同時(shí)刻給不同線圈或同一個(gè)線圈的不同的兩極通電，使得線圈產(chǎn)生磁場的N-S極與最靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個(gè)適合的角度差，磁場異性相吸、同性相斥，產(chǎn)生力量，推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。碳電極在線圈接線頭上滑動(dòng)，象刷子在物體表面刷，因此叫碳“刷”。

 

相互滑動(dòng)，會(huì)摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷；碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會(huì)發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破，干擾電子設(shè)備。

 

2 無刷電機(jī)工作原理

 

無刷電機(jī)中，換相的工作交由控制器中的控制電路（一般為霍爾傳感器+控制器，更先進(jìn)的技術(shù)是磁編碼器）來完成。

 

 

無刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機(jī)，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。消除了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)。

 

這些電路，就是電機(jī)控制器。無刷電機(jī)的控制器，還可以實(shí)現(xiàn)一些有刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的功能，比如調(diào)整電源切換角，制動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，鎖住電機(jī)，利用剎車信號(hào)，停止給電機(jī)供電。現(xiàn)在電瓶車的電子報(bào)警鎖，就充分利用了這些功能。

 

無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。

 

3 有刷電機(jī)與無刷電機(jī)調(diào)速方式的區(qū)別

 

實(shí)際上兩種電機(jī)的控制都是調(diào)壓，只是由于無刷直流采用了電子換向，所以要有數(shù)字控制才可以實(shí)現(xiàn)了，而有刷直流是通過碳刷換向的，利用可控硅傳統(tǒng)模擬電路都可以控制，比較簡單。

 

1、有刷馬達(dá)調(diào)速過程是調(diào)整馬達(dá)供電電源電壓的高低。調(diào)整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉(zhuǎn)換，改變電極產(chǎn)生的磁場強(qiáng)弱，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。這一過程被稱之為變壓調(diào)速。

 

2、無刷馬達(dá)調(diào)速過程是馬達(dá)的供電電源的電壓不變，改變電調(diào)的控制信號(hào)，通過微處理器再改變大功率MOS管的開關(guān)速率，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。

 

4 性能差別

 

TI的一個(gè)介紹視頻關(guān)于有刷電機(jī)與無刷電機(jī)的對比，如下圖所示，很完整。

 

 

1. 有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)時(shí)間久、技術(shù)成熟

 

早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時(shí)候，產(chǎn)生的實(shí)用性電機(jī)就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)在交流電產(chǎn)生以后得到了廣泛的應(yīng)用。但是，異步電動(dòng)機(jī)有許多無法克服的缺陷，以致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。尤其是直流無刷電機(jī)一直無法投入商業(yè)運(yùn)營，伴隨著電子技術(shù)的日新月異，直至近幾年才慢慢投入商業(yè)運(yùn)營，就其實(shí)質(zhì)來說依然屬于交流電機(jī)范疇。

 

無刷電機(jī)誕生不久，人們就發(fā)明了直流有刷電機(jī)。由于直流有刷電機(jī)機(jī)構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工容易，維修方便，容易控制；直流電機(jī)還具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，所以一經(jīng)問世就得到了廣泛應(yīng)用。

 

2. 直流有刷電機(jī)響應(yīng)速度快，起動(dòng)扭矩大

 

直流有刷電機(jī)起動(dòng)響應(yīng)速度快，起動(dòng)扭矩大，變速平穩(wěn)，速度從零到最大幾乎感覺不到振動(dòng)，起動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)更大的負(fù)荷。無刷電機(jī)起動(dòng)電阻大（感抗），所以功率因素小，起動(dòng)扭矩相對較小，起動(dòng)時(shí)有嗡嗡聲，并伴隨著強(qiáng)烈震動(dòng)，起動(dòng)時(shí)帶動(dòng)負(fù)荷較小。

 

3. 直流有刷電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起、制動(dòng)效果好

 

有刷電機(jī)是通過調(diào)壓調(diào)速，所以起動(dòng)和制動(dòng)平穩(wěn)，恒速運(yùn)行時(shí)也平穩(wěn)。無刷電機(jī)通常是數(shù)字變頻控制，先將交流變成直流，直流再變成交流，通過頻率變化控制轉(zhuǎn)速，所以無刷電機(jī)在起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)運(yùn)行不平穩(wěn)，振動(dòng)大，只有在速度恒定時(shí)才會(huì)平穩(wěn)。

 

4. 直流有刷電機(jī)控制精度高

 

直流有刷電機(jī)通常和減速箱、譯碼器一起使用，使的電機(jī)的輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可以達(dá)到0.01毫米，幾乎可以讓運(yùn)動(dòng)部件停在任何想要的地方。所有精密機(jī)床都是采用直流電機(jī)控制精度。無刷電機(jī)由于在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)不平穩(wěn)，所以運(yùn)動(dòng)部件每次都會(huì)停到不同的位置上，必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

 

5. 直流有刷電機(jī)使用成本低，維修方便。由于直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)廠家多，技術(shù)比較成熟，所以應(yīng)用也比較廣泛，比如工廠、加工機(jī)床、精密儀器等，如果電機(jī)故障，只需更換碳刷即可，每個(gè)碳刷只需要幾元，非常便宜。無刷電機(jī)技術(shù)不成熟，價(jià)格較高，應(yīng)用范圍有限，主要應(yīng)在恒速設(shè)備上，比如變頻空調(diào)、冰箱等，無刷電機(jī)損壞只能更換。

 

6. 無電刷、低干擾

 

無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

 

7. 噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

 

無刷電機(jī)沒有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。

 

8. 壽命長，低維護(hù)成本

 

少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護(hù)即可。

 

5 無刷電機(jī)控制原理

 

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或者停止，以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分也叫做電子調(diào)速器，簡稱電調(diào)，英文electronic speed controller（ESC）。電調(diào)對應(yīng)使用的電機(jī)不同，分無刷電調(diào)和有刷電調(diào)。

 

有刷電機(jī)的永磁體是固定不動(dòng)的，線圈繞在轉(zhuǎn)子上，通過一個(gè)電刷跟換相器接觸間斷來改變磁場方向來保持轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。無刷電機(jī)，顧名思義，這種電機(jī)是沒有所謂的電刷和換相器的，他的轉(zhuǎn)子是永磁體，而線圈是固定不動(dòng)的，直接接到外部電源，問題就來了，線圈磁場方向怎么改變呢？事實(shí)上，無刷電機(jī)外部還需要一個(gè)電子調(diào)速器，這個(gè)調(diào)速器說白了就是一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它隨時(shí)都在改變著固定線圈內(nèi)部電流的方向，保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)得以延續(xù)。

 

刷電機(jī)工作可以不需要電調(diào)，直接把電供給電機(jī)就能夠工作，但是這樣無法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。無刷電機(jī)工作必須要有電調(diào)，否則是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的。必須通過無刷電調(diào)將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，輸給無刷電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

最早的電調(diào)可不是像現(xiàn)在的電調(diào)一樣，最早全是有刷電調(diào)，說道這你可能要問了，什么是有刷電調(diào)，和現(xiàn)在的無刷電調(diào)有什么區(qū)別。事實(shí)上這差別呀可大了去了，有刷電調(diào)和無刷電調(diào)都是根據(jù)電機(jī)來說的，現(xiàn)在電機(jī)的轉(zhuǎn)子，就是能轉(zhuǎn)動(dòng)的部分全是磁鐵塊，線圈是定子不轉(zhuǎn)動(dòng)的，因?yàn)檫@中間沒有碳刷，這就是無刷電機(jī)。而有刷電機(jī)呢，顧名思義就是有碳刷，所以就是有刷電機(jī)，像我們平常小孩子玩的一二十塊錢的遙控車用的電機(jī)就是有刷電機(jī)。電調(diào)就是根據(jù)這兩種電機(jī)而命名的有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。從專業(yè)的角度來講呢就是有刷電調(diào)就是輸出時(shí)直流電，無刷電調(diào)輸出是三相交流電。直流電就是我們電池里存儲(chǔ)的電，有正負(fù)極之分，我們家用220V的，用于手機(jī)充電器或者電腦的電源都是交流電。交流電就是帶有一定的頻率，通俗講就是一根線上正負(fù)、正負(fù)的來回交換著；直流電就是正極是正極，負(fù)極是負(fù)極。交流直流弄清楚了，那么什么又是“三相機(jī)”呢？理論講三相交流電是電的一種傳輸形式，簡稱三相電，是由3個(gè)頻率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流電勢組成的電源。通俗的講，就是我們家用的三項(xiàng)交流電，除了電壓、頻率、驅(qū)動(dòng)角不同，其他都一樣，現(xiàn)在對于三相電和直流電都了解了吧。

 

 

無刷電調(diào)，輸入的是直流電，通過一個(gè)濾波電壓穩(wěn)定電壓。然后分成倆兩路，一路是電調(diào)的BEC使用，BEC是給接收機(jī)與電調(diào)自身單片機(jī)供電使用的，輸出至接收機(jī)的電源線就是信號(hào)線上的紅線和黑線，另一路是介入MOS管使用，在這里，電調(diào)上電，單片機(jī)開始啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)MOS管震動(dòng)，使電機(jī)發(fā)出滴滴滴的聲音。啟動(dòng)后待命，有些電調(diào)帶有油門校準(zhǔn)功能，在進(jìn)入待命前會(huì)監(jiān)測油門位置是在高還是低還是中間，高的話進(jìn)入電調(diào)行程校準(zhǔn)，中間的話開始發(fā)出報(bào)警信號(hào)，電機(jī)會(huì)滴滴的響，低的話會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。一切準(zhǔn)備就緒后，電調(diào)內(nèi)的單片機(jī)會(huì)根據(jù)PWM信號(hào)線上的信號(hào)決定輸出電壓的大小和頻率的高低以及驅(qū)動(dòng)方向和進(jìn)角多少來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向。這就是無刷電調(diào)原理。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，電調(diào)內(nèi)共有3組MOS管工作，每組2個(gè)極，一個(gè)控制正極輸出，一個(gè)控制負(fù)極輸出，當(dāng)正極輸出時(shí)，負(fù)極不輸出，負(fù)極輸出時(shí)，正極不輸出，這樣子也就形成了交流電，同樣，三組都是這樣工作的，它們的頻率是8000HZ。講到這，無刷電調(diào)也相當(dāng)于一個(gè)工廠里電機(jī)上使用的變頻器或者調(diào)速器。

 

 

電調(diào)的輸入是直流，通常由鋰電池來供電。輸出是三相交流，可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。另外航模無刷電子調(diào)速器還有三根信號(hào)輸入線，輸入PWM信號(hào)，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于航模，尤其是四軸飛行器，由于其特殊性，需要專門的航模電調(diào)。

 

 

那么為什么在四軸飛行器上需要專門的電調(diào)呢，其有什么特別的地方？四軸飛行器有四個(gè)槳，兩兩相對呈十字交叉結(jié)構(gòu)。在槳的轉(zhuǎn)向上分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這樣可抵消單個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問題。每個(gè)槳的直徑很小，四個(gè)槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力是分散的。不像直機(jī)的槳，只有一個(gè)能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)的慣性離心力，保持機(jī)身不容易很快的側(cè)翻掉。所以通常用到的舵機(jī)控制信號(hào)更新頻率很低。

 

四軸為了能夠快速反應(yīng)，以應(yīng)對姿態(tài)變化引起的飄移，需要高反應(yīng)速度的電調(diào)，常規(guī)PPM電調(diào)的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這種控制所需要的速度，且PPM電調(diào)MCU內(nèi)置PID穩(wěn)速控制，能對常規(guī)航模提供順滑的轉(zhuǎn)速變化特性，用在四軸上就不合適了，四軸需要的是快速反應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。用高速專用電調(diào)，IIC總線接口傳送控制信號(hào)，可達(dá)到每秒幾百上千次的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，在四軸飛行時(shí)，姿態(tài)時(shí)刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。

 

EMC是電子行業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域，具有嚴(yán)格的法規(guī)，電機(jī)是EMI的重要來源。希望此文能加深廣大工程們對電機(jī)的理解，提前采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种艵MI。

 

 

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