无刷/有刷电机的区别,终于有人说清楚了!

andycao1860

有刷直流电机

BLDC（brushless DC electric motor）全称是无刷直流电机。在介绍BLDC之前，这里就不得不说一下有刷直流电机，然后带着问题再看什么是直流无刷电机。
结构

有刷直流电机发明于 19 世纪，现在应用仍然很普遍，相比较于无刷直流电机，它的结构会更加复杂，通常电机内部结构的组件都包括转子和定子；

转子就是旋转的；定子就是固定的；

然后其中一个可能是永磁体，就是那种加入稀土等材料然后可以保持长期磁性的物质；

而另一个就是线圈绕组，经过交变电流之后，会产生变化的磁场，从而推动电机的转子进行旋转。

下面是我小时候玩的四驱车里拆下来的电机；

玩具四驱车的电机

内部结构图原理

小时候拆过的小伙伴请举手，好，言归正传，下面是一个简单的两极有刷直流电机的模型，我们来简单分析一下它的旋转原理；


状态一
首先这里的转子是励磁绕组，正如前面提到的，就是线圈绕组，但是它如何通过交变电流呢，正是通过这个换向器，图1 中金黄色的器件，

假设我们给线圈通电，这时候会在电枢周围产生磁场。由于同极相斥，电枢的左侧被推离左侧，电枢的右侧被拉向右侧，从而导致转子旋转。

这里电枢是转子，而永磁体是定子，其中用蓝色表示N极，红色表示S极；

状态二
电枢继续旋转。当电枢与水平垂直时，即电枢产生的磁场与永磁体产生的磁场垂直，换向器反转改变了通过线圈的电流方向，使磁场反转。因此转子可以继续旋转。


状态三
重复以上过程，转子就开始旋转了，如下图所示；


旋转过程
其实最简单的运行原理看下图就很清晰了，如果我们换一个更大的电池（电压更高），这个线圈可能会转的更快；


线圈旋转
所以有刷直流电机可以很简单地转动起来，因为电机内部已经帮你做好了换向的工作，所以通常可以进行升压和降压调速，通常这里的做法是PWM，加上功率元器件，实现弱电控制强电，这有一部分属于电力电子的范畴了。

最常经常使用的就是H桥驱动电路了，可以简单的控制电机的正转和反转，还能通过控制PWM的占空比进行调速，整体电路如下所示；


H桥电路
有刷直流电机虽然换相简单，控制简单，但是结构相对复杂，并且在换相的时候，容易产生火花。

大家想象一下，把插头插入插座的时候，是不是会产生火花？是的，就是这种换相开关瞬间产生的火花，可能会损坏电刷，所以它的维护成本就直线上升了。

好了，差不多搞清楚直流有刷电机之后，可以看看直流无刷电机到底和它有什么相同和不同的地方呢？
无刷直流电机

直流无刷电机从结构上，比直流有刷电机少了电刷和换向器，所以内部结构无法自己完成换相的操作，因此就需要外部驱动信号进行换向。

这里我们还是从内部结构作为切入点，对其驱动时序进行分析，结果就会变得清晰起来。
结构

如下图所示，在四轴飞行器或者一些航模上，都能看到这种类型的直流无刷电机，它通常有三条线，U，V，W，当然航模上还需要配置一个电调(ESC)——作为电机的驱动器。

这里的电调往往有两种驱动方式，六步方波，或者FOC驱动，下面主要对六步方波驱动方式进行分析。


无刷直流电机
我们先看一下直流无刷的内部结构，通常是这样的，这里由定子和转子构成，是电枢绕组，转子是永磁体；两对极电机，分别是U1，V1，W1，U2，V2，W2，后面我们会进一步进行介绍。具体如下图示；


2对极BLDC内部结构
图中的电机的定子是电枢绕组在通过交变电流的时候，会产生磁场，电枢的材料是铁芯，可以导磁，这样可以增大磁场的强度，磁场的方向取决于电流的方向，具体可以根据右手螺旋定则来判断，如下图所示；


右手螺旋定则换相原理

这里我们简单介绍一下转子旋转的过程，即无刷直流电机的换相原理：

首先我们对电枢绕组施加适当大小的电流，线圈将产生一个磁场，该磁场将吸引转子的永磁体；

如果我们一个接一个地激活每个线圈，这样可以产生一个旋转的磁场，由于永磁体和电磁体之间的力相互作用，转子将在旋转的磁场作用下继续旋转。

具体如下图所示；


旋转磁场
但是上面提到，这里是两对极的直流无刷电机，那么为了提高电机的效率，我们可以将两个相反的线圈组成一个绕组，这样会产生与转子极相反的磁极，从而获得双倍的磁场的力。


共同通电
初步了解了内部的结构和通电机制之后，我们就需要产生相应的驱动信号去产生旋转的磁场，带动转子转动。如下图所示，这是一个简单的驱动的架构；

通常我们会在MCU中会固化一段代码，这段代码可以产生驱动信号；然后驱动信号通过IPM间接驱动六个功率开关元器件（这里可以是MOSFET），从而产生旋转的磁场。

电机模型可以等效成三个星型连接的电感，所以我们需要做的工作就是如何去产生驱动信号。

这个驱动信号又符合什么样的规律呢？下面我们进一步介绍驱动信号。


硬件架构图
这里其实是一种两两通电的方式。如果我们将 A 相上拉至高电平，然后在另一侧将 B 相接地，则电流将从 VCC 流过A 相，中性点和 B 相，最终流向地。

因此，只需一个电流，我们就可以产生了四个不同的磁极，从而导致转子移动，内部的电流走向如下图所示；


两两通电的情况
其实电机内部一般可以等效成一个星型的连接方式，A，B，C三相的中性点连接在一起，外部通过MOSFET或者IGBT组成功率开关元器件，进行控制，所以这里也可以说明无刷直流电机，通常有U，V，W三条线引出来。

两两通电的其中一种状态如下图所示，此时的状态可以标注为a+，b-，c0，下面我们会进一步进行解释；


两两通电外部结构图
首先规定一下我们的驱动电路的相应符号：

使用SW1和SW2作为一个上下管驱动U，或者是a；使用SW3和SW4作为一个上下管驱动V，或者是b；使用SW5和SW6作为一个上下管驱动W，或者是c；

然后我们在这里规定：上管打开标记为+，下管打开标记为-，上下管都不开标记为0。

最终让转子朝一个方向旋转的驱动时序应该是这样的：

a+，b-，c0a+，b0，c-a0，b+，c-a-，b+，c0a-，b0，c+a0，b-，c+

具体如下图示：


六步方波
驱动的六步方波时序正确之后，我们基本可以实现对无刷直流电机的开环控制驱动了；

具体的驱动时序可以简单画一下，对于每一相而言都需要六步的驱动时序，然后两相之间的相位相差120°。

例如A相的六步相序需要比B相超前120°，B相需要比C相超前120°，

整体应该如下图所示；


驱动信号时序
下面是我实际过程中测试的上管的方波驱动信号，可以和A相，B相，C相的信号对应起来。


实测波形闭环控制

实现开环运行之后，就要进行闭环控制了，首先有一点需要说明的是，前面的六步PWM时序，并没有根据转子的实际位置进行磁场的切换，所以可能出现的情况，就是失步，这个有点类似步进电机。

结论就是实际磁场旋转的速度可能远快于转子旋转的速度，导致磁场的旋转速度和转子不同步，所以就造成了失步。

如果这里引入转子的位置反馈量，就可以完美的解决这个问题，所以通常会加入霍尔传感器来检测实际的转子位置。


无刷直流电机内的霍尔传感器
转子处于不同位置的时候霍尔传感器会产生相应的信号，并且还可以根据霍尔信号计算转速，作为后面速度闭环的反馈值，霍尔信号具体如下图所示；


霍尔信号
一般来说增加了霍尔传感器，在成本和电机的结构复杂程度上都会大大增加，所以，这里可以通过检测每一相的反电动势（Back EMF)，来进行位置的估算以及速度的计算。

无刷直流电机的反电动势是梯形反电动势，具体如下图所示；


反电动势
无感方波的驱动方式难点在于启动和过零点的检测上，通常启动可以使用三段式启动的方式，即转子预定位，开环强拖，开环切闭环，这三个过程。

另外还可以进行高频注入的方式确定转子的初始位置，然后直接进行启动，在过零点的检测和换相存在一定的难度。
结论

本文简单介绍了有刷直流电机和无刷直流电机的结构和原理，以及各自的优势。进一步介绍了无刷直流电机的六步方波驱动原理，简单提及了闭环控制中一些注意点。作者水平有限，文中难免存在不足和错误之处，请各位大佬不吝赐教。

好的，这期就先到这里，我们下期再见。

参考：

《无刷直流电机控制应用-基于STM8S系列单片机 - 李家庆》

https://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor

—— The End ——


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