多旋翼无人机：第 6 讲 有刷电机与无刷电机

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多旋翼无人机的动力来源于螺旋桨，而螺旋桨是电机转动的结果。现在我们就来学习一下电动机的运动原理。在学习电动机原理之前，我们需要先了解一下多旋翼无人机使用的电机种类：有刷电机和无刷电机。

一、有刷电机
        电机转动的原理在今天看来很简单，一般初中物理课都会讲到电动机的运动原理。现在我们就一起来复习一下。首先，我们知道法拉第电磁原理，当电流经过导线后会产生磁效应，根据右手定则，电流延四指方向流动，母指指向的方向为N极，反向为S极，如下图所示：



        我们将由线圈缠绕铁棒的这种器件为电磁铁，当线圈通电后铁棒即会生产磁性。由于电流流经线圈产生了磁效应，再根据磁极同性排斥，异性吸引的原理，如果将铁棒中心加入一个可旋转的轴，并将其外侧加入一个永磁铁，如下图：



        根据磁铁同性排斥，异性吸引的原理，电磁铁的N极会受到永磁铁N的的推力，同时也会受到永磁铁S的吸力，所以会延转轴顺时针运动，而电磁铁的S极同样会受到永磁铁S极的排斥，并受到永磁铁N极的吸引，所以也会顺时针转动，当电磁铁转动到180度时，永磁铁与其产生的作用力达到最大，所以电磁铁在180度位置摆动几次之后将停止在这个位置上。



        而此时，我们希望可以让电磁铁一直转动下去，那么我们就自然想到让电磁铁的电流方向发生改变，这样电磁铁原来的N极变为S极，而S极变为N极，于是电磁铁因永磁铁的作用继续顺时针转动，而再转过180度时我们再让电磁铁的磁极改变，因而电磁铁每转动180度就会改变一次磁极方向，所以会一直转动下去。这就是我们所说的电机机转动原理。
        但是这里面有一个问题，就是如何让电机的电磁铁在转动到180度时自动改变其电流方向呢？实际上这个问题已经被完美的解决了，请大家看下面图解：



  上图中虚线是线圈连接导体片的导线。这就是有刷电机的原理图，在电机内部的电磁铁的转动轴上，安装两个半圆形的导体片，并在其两侧用两个电刷夹在这两彼片半圆形导体上，当电磁铁转动过180度时，由于惯性会稍微转过一个小角度，超过180度，而此时电刷接触导体片的位置发生了变化，也就是电源的正极和负极发生了变化，电流的方向也就发生了改变，于是电磁铁的磁极与永磁铁的磁极一起作用下，电磁铁就会转动起来。
        我们把电动机中持续转动的部件，叫做电动机的转子，而不动的、固定的部件，叫作电动机的定子。通常如果电刷是转动180度再变换一次电流方向的话，有时候会在180度时进入死角所以多数情况下，有刷电机的电磁铁是三组线圈，而电刷只有一组，运行时就无论在什么情况下都可以转动了，如下图：



        想要改变有刷电机的转动方向，只要改变电机电源的正负极即可。对于多旋翼无人机来说，小型无人机通常使用有刷电机，比如空心杯电机；而轴距较大，通常大于200mm左右的无人机都使用无刷电机。下面我们就来一起了解一下无刷电机的原理与构成。
二、无刷电机
        无刷电机的运动原理与有刷电机没有什么本质区别，它们都是通过电流流经线圈而产生磁效应，从而与永磁铁发生同性排斥，异性吸引的效果，从而发生转动。无刷电机顾名思义，就是没有电刷的电动机。无刷电机的电磁铁是固定在机座上的，不能转动，而永磁铁是有一个转动轴，并做为外壳在电磁铁的外部，如下图：



        因为电磁铁不能转动，所以需要靠改变电磁铁的电流而产生不同的磁场，从而使外部的永磁体发成转动。对于无刷电机来讲，可以通过三向桥式连接二二导通的方式来控制，每当电机的转子转动120度，逆变器开关管换流一次，同时定子的磁状态改变一次：





        想要改变有刷电机的转动方向，只要将三条电源线的任意两条反接即可。无刷电机的转动部件为永磁体，又称转子；而不转动部件为电磁体，又称定子。控制电机电动势变化的设备叫做电调，我们会在下一讲中学习电调的控制方法。
        无刷电机还有几个常见指标：定子高度，定子宽度和电机KV值。我们通常在看电机参数时，可以看到电机型号会注明2212 2216 2312等等，前两个数字表示的是电机写字的直径，后两个数字表示的是电机定子的高度，单位均是毫米。例如2206表示电机定子直径为22mm，定子厚度为6mm。2312表示电机定子直径为23mm，定子高度为12mm。2216表示电机定子直径为22mm，定子高度为16mm。
        指标KV值表示电机在空载（不安装螺旋桨）的情况下，电压每增加1v，电机每分钟的转数增加多少。电机KV值越小，说明电机的动力越大，但速度越低；而KV值越大，说明电机的动力越小，但速度越快。你可以想像一下汽车的档位，档位越低（比如1档），发动机的动力越大，但速度越小；档位越高（比如5档），发动机的动力越小，但速度越快。



下期预告：《电调与PWM》

         《一天精通无人机：初级篇》主要内容为：基本动力原理、硬件组装、飞控程序下载、编译、校准、调参与试飞。
        《一天精通无人机：中级篇》主要内容为：开源飞控程序PX4架构、精典PID控制原理、路径规划、命令收发、与地面站通讯协议。
        《一天精通无人机：高级篇》主要内容为：动力学建模、半物理仿真、传感器数据融合、扩展卡尔曼滤波、全自动飞行设计、环境感知与视觉建模。

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