直流電機主要有直流有刷電機和無刷直流電機兩種?！　?．? 有刷直流電機　　直流電機以良好的啟動性能、調(diào)速性能等優(yōu)點著稱，其中屬于直流電機一類的有刷直流電機采用機械換向器，使得驅(qū)動方法簡單，其模型示意圖如圖 1.2 所示?！　‰姍C主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉(zhuǎn)子（電樞） 、換向器和電刷等構(gòu)成。只要在電刷的A和B當(dāng)兩端通過一定的直流電流時，電機的換向器會自動改變電機轉(zhuǎn)子的磁場方向，使直流電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)運行。

由些可見，換向器和電刷在直流電機中扮演著重要的角色，雖然它可以簡化電機控制器的結(jié)構(gòu)，但是，它自身卻存在一定的缺點：　　z ?結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，增加了制造成本；　　z ?容易被環(huán)境（如灰塵等）影響，降低了工作的可靠性；　　z ?換向時會產(chǎn)生火花，限制了使用范圍；　　z ?容易損壞，增加了維護成本等?！　?．? 無刷直流電機　　無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）的誕生，克服了有刷直流電機的先天性缺陷，以電子換向器取代了機械換向器，所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點?！　D 1.3 無刷直流電機模型為圖 1.2轉(zhuǎn)換模型。它主要由永磁材料制成的轉(zhuǎn)子、帶線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成?？梢娝椭绷麟姍C有很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原定子變成轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)別：無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結(jié)構(gòu)就相對簡單，降低了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不能自動換向 （相） ，犧牲的代價是電機控制器成本的提高 （如同樣是三相直流電機，有刷直流電機的驅(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅(qū)動橋則需要 6 只功率管） ?！　D 1.3 是小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機之一。它的定子、轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)和圖 1.2 顯示的直流電機非常相似。另一種無刷直流電機的結(jié)構(gòu)與此相反。其定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即由線圈繞組組成的座椅，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。

無刷直流電機有以下的特點：　　z ?無刷直流電機的外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)矩；　　z ?無刷直流電機的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；　　z ?無刷直流電機的效率高、過載能力強，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；　　z? 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)　　電機狀態(tài)；　　z ?無刷直流電機的體積小，功率密度高；　　z? 無刷直流電機無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠　　性高；　　z ?無刷直流電機比異步電機的驅(qū)動控制簡單?！　?.2.2? 無刷直流電機的工作原理　　無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流，則電機只能產(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來?！　∪鐖D 1.4 顯示了無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)原理示意圖。為便于描述，電機定子線圈中心的抽頭連接電機電源 POWER，各相端點連接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時使功率管 G極接 12V，功率管通電，相應(yīng)的相線圈通電。由于三位傳感器隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的相線圈依次通電，定子產(chǎn)生的磁場方向不斷變化，電機轉(zhuǎn)子也隨之旋轉(zhuǎn)，這是無刷直流電機的基本旋轉(zhuǎn)原理——檢測轉(zhuǎn)子位置，依次通電，使定子產(chǎn)生的磁場方向連續(xù)均勻變化。

在下文介紹無刷直流電機的有位置傳感器驅(qū)動的一節(jié)，將會進一步介紹無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理?！　榱朔奖憷斫?，本文檔以下內(nèi)容統(tǒng)一用如圖 1.這兩個符號作為模型介紹，圖 A圖為電機轉(zhuǎn)子和定子在同一個圓心上B 是為了方便電機內(nèi)部磁場的解釋，用于不同的圓心。詳見下文。

1.3? 無刷直流電機的驅(qū)動方法　　無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。　　按驅(qū)動波形：　　z 方波驅(qū)動，方便實現(xiàn)電機無位置傳感器控制；

z 正弦驅(qū)動可以提高電機的運行效果，使輸出扭矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，這種方法是 SPWM 和 SVPWM(空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM效果比 好SPWM。

有刷電機的工作原理

刷電機是第一種接觸電機，在中學(xué)物理課上介紹的電機也以其為模型顯示。刷電機的主要結(jié)構(gòu)是定子 轉(zhuǎn)子 刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得旋轉(zhuǎn)扭矩，從而輸出動能。刷與換向器不斷接觸摩擦，在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮導(dǎo)電和換相作用。

刷電機采用機械換向，磁極不移動，線圈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機工作時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不旋轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化由電機旋轉(zhuǎn)的換向器和刷完成。

在刷電機中，這個過程是將每組線圈的兩個電源輸入端依次排列成一個環(huán)，用絕緣材料相互分離，形成一個圓柱形的東西，與電機軸相連。電源由兩個碳元素制成的小柱(碳刷)在彈簧壓力的作用下，從兩個特定的固定位置壓在上線圈電源輸入環(huán)柱的兩點，給一組線圈通電。

隨著電機的旋轉(zhuǎn)，不同的線圈或同一線圈同一線圈的不同兩極通電，使線圈產(chǎn)生磁場N-S極與較靠近的永磁鐵定子的N-S非常合適的角度差異，磁場異性吸力，同性排斥，產(chǎn)生力量，促進電機旋轉(zhuǎn)。碳電極滑動在線圈接線頭上，就像刷子在物體表面刷一樣，所以它被稱為碳刷。

相互滑動會摩擦碳刷，造成損失，需要定期更換碳刷；碳刷與線圈接線頭交替，會產(chǎn)生電火花、電磁損傷，干擾電子設(shè)備。

無刷電機的工作原理

在無刷電機中，換相工作由控制器中的控制電路(通常是霍爾傳感器 控制器，更先進的技術(shù)是磁編碼器)完成。

無刷電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機，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)動電機。消除了有刷電機的缺點。

這些電路是電機控制器。無刷電機控制器還可以實現(xiàn)一些無法實現(xiàn)的功能，如調(diào)整電源切換角、制動電機、逆轉(zhuǎn)電機、鎖定電機、使用制動信號停止電機供電等。目前，電池車的電子報警鎖已充分利用這些功能。

無刷直流電機由電機主體和驅(qū)動器組成，是典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電機是自動控制的，轉(zhuǎn)子上不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣增加啟動繞組，負(fù)載突變時也不會產(chǎn)生振蕩和失步。

刷電機和無刷電機調(diào)速的區(qū)別

事實上，兩種電機的控制是壓力調(diào)節(jié)，但由于無刷直流采用電子方向，因此可以實現(xiàn)數(shù)字控制，刷直流通過碳刷方向，傳統(tǒng)模擬電路可以控制，相對簡單。

1.刷電機調(diào)速過程是調(diào)節(jié)電機供電電源電壓。調(diào)整后的電壓電流通過整流子和刷子轉(zhuǎn)換，改變電極產(chǎn)生的磁場強度，達到改變速度的目的。這個過程叫變壓調(diào)速。

2.無刷電機的調(diào)速過程是電機供電電壓不變，通過微處理器改變電調(diào)控制信號和大功率MOS為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化，管道的開關(guān)速率。這一過程稱為變頻調(diào)速。

性能差異

ti有刷電機和無刷電機的對比視頻如下圖所示，非常完整。

1.刷電機結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)時間長，技術(shù)成熟

早在19紀(jì)電機誕生時，實用電機就是無刷電機，即交流鼠籠異步電機，在交流電源產(chǎn)生后得到了廣泛的應(yīng)用。然而，異步電機存在許多不可克服的缺陷，導(dǎo)致電機技術(shù)發(fā)展緩慢。特別是直流無刷電機不能投入商業(yè)運行，隨著電子技術(shù)的快速變化，直到近年來才慢慢投入商業(yè)運行，本質(zhì)上仍屬于交流電機的范疇。

無刷電機誕生后不久，人們就發(fā)明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工方便，維護方便，控制方便；直流電機還具有響應(yīng)快、啟動扭矩大、從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的性能，一經(jīng)問世就得到廣泛應(yīng)用。

2.直流刷電機響應(yīng)速度快，啟動扭矩大

直流刷電機啟動響應(yīng)速度快，啟動扭矩大，變速穩(wěn)定，速度從零到較大幾乎感覺不到振動，啟動可以驅(qū)動更大的負(fù)載。無刷電機啟動電阻大（感應(yīng)阻力），功率因素小，啟動扭矩相對較小，啟動時嗡嗡作響，振動強，啟動時驅(qū)動負(fù)荷小。

3.直流刷電機運行平穩(wěn)，制動效果好

有刷電機通過調(diào)壓調(diào)速，啟動制動平穩(wěn)，恒速運行平穩(wěn)。無刷電機通常由數(shù)字變頻控制。首先，交流變?yōu)橹绷?，然后直流變?yōu)榻涣?，速度由頻率變化控制。因此，無刷電機在啟動和制動過程中運行不穩(wěn)定，振動較大，只有在速度恒定時才能穩(wěn)定。

4.直流刷電機控制精度高

直流刷電機通常與減速器和翻譯器一起使用，使電機輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可達0.01毫米幾乎可以讓運動部件停在任何你想要的地方。所有精密機床均由直流電機控制。由于無刷電機在啟動和制動過程中不穩(wěn)定，運動部件每次都會停在不同的位置，必須通過定位銷或限位器停在所需位置。

5、直流刷電機使用成本低，維護方便。由于直流刷電機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，廠家多，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，如工廠、加工機床、精密儀器等，如果電機故障，只需更換碳刷，每個碳刷只需幾元，非常便宜。無刷電機技術(shù)不成熟，價格高，應(yīng)用范圍有限，主要在變頻空調(diào)、冰箱等恒速設(shè)備上，只能更換無刷電機損壞。

6、無電刷、低干擾

無刷電機去除了電刷，較直接的變化就是沒有了有刷電機運轉(zhuǎn)時產(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，運行順暢

無刷電機無刷，摩擦大大降低，運行平穩(wěn)，噪音低得多。這一優(yōu)勢是對模型運行穩(wěn)定性的巨大支持。

8、壽命長，低維護成本

沒有刷子，無刷電機的磨損主要在軸承上。從機械的角度來看，無刷電機幾乎是一種免維護電機。必要時，只需進行一些除塵和維護。

無刷電機控制原理

電機驅(qū)動控制是控制電機的旋轉(zhuǎn)或停止以及旋轉(zhuǎn)速度。電機驅(qū)動控制部分又稱電子調(diào)速器，簡稱電動調(diào)速器和英語electronic speed controller（ESC）。電調(diào)對應(yīng)的電機不同，分為無刷電調(diào)和有刷電調(diào)。

有刷電機的永磁體是固定不動的，線圈繞在轉(zhuǎn)子上，通過一個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。無刷電機，顧名思義，這種電機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？事實上，無刷電機外部還需要一個電子調(diào)速器，這個調(diào)速器說白了就是一個電機驅(qū)動，它隨時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)動得以延續(xù)。

刷電機不需要電動調(diào)節(jié)就可以直接工作，但不能控制電機的速度。無刷電機必須有電動調(diào)節(jié)，否則不能旋轉(zhuǎn)。直流電必須通過無刷電動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為三相交流電，輸送到無刷電機才能旋轉(zhuǎn)。

較早的電調(diào)不像現(xiàn)在的電調(diào)，較早的電調(diào)都是刷電調(diào)，說你可能會問，什么是刷電調(diào)，和現(xiàn)在的無刷電調(diào)有什么區(qū)別。事實上，這種差異很大，刷電調(diào)和無刷電調(diào)是基于電機，現(xiàn)在電機的轉(zhuǎn)子，是可以旋轉(zhuǎn)的部分都是磁塊，線圈是定子不旋轉(zhuǎn)，因為中間沒有碳刷，這是無刷電機。而有刷電機，顧名思義，就是有碳刷，所以有刷電機，就像我們通常的孩子玩10或20元機是刷電機一樣。電調(diào)是根據(jù)這兩種電機命名的刷電調(diào)和無刷電調(diào)。從專業(yè)的角度來看，刷電調(diào)是輸出直流電，無刷電調(diào)輸出是三相交流電。直流電是存儲在我們電池中的電，有正負(fù)極，我們的家庭220V是的，手機充電器或器或計算機的電源是交流電源。交流電源具有一定的頻率。一般來說，它是在線正負(fù)交換；直流電源是正極，負(fù)極是負(fù)極。交流直流已經(jīng)弄清楚了，那么什么是三相電呢？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交流電，除了電壓、頻率、驅(qū)動角不同，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，通過一個濾波電容穩(wěn)定電壓。然后分成倆兩路，一路是電調(diào)的BEC使用，BEC是給接收機與電調(diào)自身單片機供電使用的，輸出至接收機的電源線就是信號線上的紅線和黑線，另一路是介入MOS管使用，在這里，電調(diào)上電，單片機開始啟動，驅(qū)動MOS管震動，使電機發(fā)出滴滴滴的聲音。啟動后待命，有些電調(diào)帶有油門校準(zhǔn)功能，在進入待命前會監(jiān)測油門位置是在高還是低還是中間，高的話進入電調(diào)行程校準(zhǔn)，中間的話開始發(fā)出報警信號，電機會滴滴的響，低的話會進入正常工作狀態(tài)。一切準(zhǔn)備就緒后，電調(diào)內(nèi)的單片機會根據(jù)PWM信號線上的信號決定輸出電壓的大小和頻率的高低以及驅(qū)動方向和進角多少來驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向。這就是無刷電調(diào)原理。在驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的時候，電調(diào)內(nèi)共有3組MOS管工作，每組2個極，一個控制正極輸出，一個控制負(fù)極輸出，當(dāng)正極輸出時，負(fù)極不輸出，負(fù)極輸出時，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)于一個工廠里電機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)動電機。另外航模無刷電子調(diào)速器還有三根信號輸入線，輸入PWM信號，用于控制電機的轉(zhuǎn)速。對于航模，尤其是四軸*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*行器上需要專門的電調(diào)呢，其有什么特別的地方？四軸*行器有四個槳，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)，這樣可抵消單個槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問題。每個槳的直徑很小，四個槳轉(zhuǎn)動時的離心力是分散的。不像直機的槳，只有一個能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)的慣性離心力，保持機身不容易很快的側(cè)翻掉。所以通常用到的舵機控制信號更新頻率很低。

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)的電機轉(zhuǎn)速變化。用高速專用電調(diào)，IIC總線接口傳送控制信號，可達到每秒幾百上千次的電機轉(zhuǎn)速變化，在四軸飛行時，姿態(tài)時刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。