直流電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)和無刷直流電機(jī)兩種。　　1．? 有刷直流電機(jī)　　直流電機(jī)以良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能等優(yōu)點(diǎn)著稱，其中屬于直流電機(jī)一類的有刷直流電機(jī)采用機(jī)械換向器，使得驅(qū)動(dòng)方法簡單，其模型示意圖如圖 1.2 所示。　　電機(jī)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(shí)，電機(jī)的換向器會(huì)自動(dòng)改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場方向，使直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)運(yùn)行。

由些可見，換向器和電刷在直流電機(jī)中扮演著重要的角色，雖然它可以簡化電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)，但是，它自身卻存在一定的缺點(diǎn)：　　z ?結(jié)構(gòu)相對(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，限制了使用范圍；　　z ?容易損壞，增加了維護(hù)成本等。　　2．? 無刷直流電機(jī)　　無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）的誕生，克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。　　圖 1.3 無刷直流電機(jī)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。可見它和直流電機(jī)有很多共同點(diǎn)，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(gè)明顯的區(qū)別：無刷直流電機(jī)沒有直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)就相對(duì)簡單，降低了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無刷直流電機(jī)不能自動(dòng)換向 （相） ，犧牲的代價(jià)是電機(jī)控制器成本的提高 （如同樣是三相直流電機(jī)，有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋則需要 6 只功率管） 。　　圖 1.3 是小功率三相、星形連接、單副磁對(duì)極的無刷直流電機(jī)之一。它的定子、轉(zhuǎn)子、結(jié)構(gòu)和圖 1.2 顯示的直流電機(jī)非常相似。另一種無刷直流電機(jī)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(jī)有以下的特點(diǎn)：　　z ?無刷直流電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩；　　z ?無刷直流電機(jī)的速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行；　　z ?無刷直流電機(jī)的效率高、過載能力強(qiáng)，使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；　　z? 無刷直流電機(jī)的再生制動(dòng)效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)　　電機(jī)狀態(tài)；　　z ?無刷直流電機(jī)的體積小，功率密度高；　　z? 無刷直流電機(jī)無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠　　性高；　　z ?無刷直流電機(jī)比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡單。　　1.2.2? 無刷直流電機(jī)的工作原理　　無刷直流電機(jī)的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流，則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，只有實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)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(jī)才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動(dòng)起來。　　如圖 1.4 顯示了無刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理示意圖。為便于描述，電機(jī)定子線圈中心的抽頭連接電機(jī)電源 POWER，各相端點(diǎn)連接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子也隨之旋轉(zhuǎn)，這是無刷直流電機(jī)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(jī)的有位置傳感器驅(qū)動(dòng)的一節(jié)，將會(huì)進(jìn)一步介紹無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。　　為了方便理解，本文檔以下內(nèi)容統(tǒng)一用如圖 1.這兩個(gè)符號(hào)作為模型介紹，圖 A圖為電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子在同一個(gè)圓心上B 是為了方便電機(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)方法　　無刷直機(jī)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式按不同類別可分多種驅(qū)動(dòng)方式，它們各有特點(diǎn)。　　按驅(qū)動(dòng)波形：　　z 方波驅(qū)動(dòng)，方便實(shí)現(xiàn)電機(jī)無位置傳感器控制；

z 正弦驅(qū)動(dòng)可以提高電機(jī)的運(yùn)行效果，使輸出扭矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，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(jī)的工作原理

刷電機(jī)是第一種接觸電機(jī)，在中學(xué)物理課上介紹的電機(jī)也以其為模型顯示。刷電機(jī)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(dòng)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(jī)采用機(jī)械換向，磁極不移動(dòng)，線圈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，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(jī)旋轉(zhuǎn)的換向器和刷完成。

在刷電機(jī)中，這個(gè)過程是將每組線圈的兩個(gè)電源輸入端依次排列成一個(gè)環(huán)，用絕緣材料相互分離，形成一個(gè)圓柱形的東西，與電機(jī)軸相連。電源由兩個(gè)碳元素制成的小柱(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線圈電源輸入環(huán)柱的兩點(diǎn)，給一組線圈通電。

隨著電機(jī)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(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。碳電極滑動(dòng)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(dòng)會(huì)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(huì)產(chǎn)生電火花、電磁損傷，干擾電子設(shè)備。

無刷電機(jī)的工作原理

在無刷電機(jī)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(jìn)的技術(shù)是磁編碼器)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)。

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

無刷直流電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電機(jī)是自動(dòng)控制的，轉(zhuǎn)子上不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣增加啟動(dòng)繞組，負(fù)載突變時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步。

刷電機(jī)和無刷電機(jī)調(diào)速的區(qū)別

事實(shí)上，兩種電機(jī)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(shí)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(duì)簡單。

1.刷電機(jī)調(diào)速過程是調(diào)節(jié)電機(jī)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(qiáng)度，達(dá)到改變速度的目的。這個(gè)過程叫變壓調(diào)速。

2.無刷電機(jī)的調(diào)速過程是電機(jī)供電電壓不變，通過微處理器改變電調(diào)控制信號(hào)和大功率MOS為了實(shí)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(jī)和無刷電機(jī)的對(duì)比視頻如下圖所示，非常完整。

1.刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)時(shí)間長，技術(shù)成熟

早在19紀(jì)電機(jī)誕生時(shí)，實(shí)用電機(jī)就是無刷電機(jī)，即交流鼠籠異步電機(jī)，在交流電源產(chǎn)生后得到了廣泛的應(yīng)用。然而，異步電機(jī)存在許多不可克服的缺陷，導(dǎo)致電機(jī)技術(shù)發(fā)展緩慢。特別是直流無刷電機(jī)不能投入商業(yè)運(yùn)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(yùn)行，本質(zhì)上仍屬于交流電機(jī)的范疇。

無刷電機(jī)誕生后不久，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)加工方便，維護(hù)方便，控制方便；直流電機(jī)還具有響應(yīng)快、啟動(dòng)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(jī)響應(yīng)速度快，啟動(dòng)扭矩大

直流刷電機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)速度快，啟動(dòng)扭矩大，變速穩(wěn)定，速度從零到較大幾乎感覺不到振動(dòng)，啟動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)更大的負(fù)載。無刷電機(jī)啟動(dòng)電阻大（感應(yīng)阻力），功率因素小，啟動(dòng)扭矩相對(duì)較小，啟動(dòng)時(shí)嗡嗡作響，振動(dòng)強(qiáng)，啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷小。

3.直流刷電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，制動(dòng)效果好

有刷電機(jī)通過調(diào)壓調(diào)速，啟動(dòng)制動(dòng)平穩(wěn)，恒速運(yùn)行平穩(wěn)。無刷電機(jī)通常由數(shù)字變頻控制。首先，交流變?yōu)橹绷鳎缓笾绷髯優(yōu)榻涣鳎俣扔深l率變化控制。因此，無刷電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中運(yùn)行不穩(wěn)定，振動(dòng)較大，只有在速度恒定時(shí)才能穩(wěn)定。

4.直流刷電機(jī)控制精度高

直流刷電機(jī)通常與減速器和翻譯器一起使用，使電機(jī)輸出功率更大，控制精度更高，控制精度可達(dá)0.01毫米幾乎可以讓運(yùn)動(dòng)部件停在任何你想要的地方。所有精密機(jī)床均由直流電機(jī)控制。由于無刷電機(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)部件每次都會(huì)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(jī)使用成本低，維護(hù)方便。由于直流刷電機(jī)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(jī)床、精密儀器等，如果電機(jī)故障，只需更換碳刷，每個(gè)碳刷只需幾元，非常便宜。無刷電機(jī)技術(shù)不成熟，價(jià)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(jī)損壞。

6、無電刷、低干擾

無刷電機(jī)去除了電刷，較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(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

7.噪音低，運(yùn)行順暢

無刷電機(jī)無刷，摩擦大大降低，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低得多。這一優(yōu)勢(shì)是對(duì)模型運(yùn)行穩(wěn)定性的巨大支持。

8、壽命長，低維護(hù)成本

沒有刷子，無刷電機(jī)的磨損主要在軸承上。從機(jī)械的角度來看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)電機(jī)。必要時(shí)，只需進(jìn)行一些除塵和維護(hù)。

無刷電機(jī)控制原理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制是控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)或停止以及旋轉(zhuǎn)速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分又稱電子調(diào)速器，簡稱電動(dòng)調(diào)速器和英語electronic speed controller（ESC）。電調(diào)對(duì)應(yīng)的電機(jī)不同，分為無刷電調(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)不需要電動(dòng)調(diào)節(jié)就可以直接工作，但不能控制電機(jī)的速度。無刷電機(jī)必須有電動(dòng)調(diào)節(jié)，否則不能旋轉(zhuǎn)。直流電必須通過無刷電動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為三相交流電，輸送到無刷電機(jī)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(huì)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(shí)上，這種差異很大，刷電調(diào)和無刷電調(diào)是基于電機(jī)，現(xiàn)在電機(jī)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?yàn)橹虚g沒有碳刷，這是無刷電機(jī)。而有刷電機(jī)，顧名思義，就是有碳刷，所以有刷電機(jī)，就像我們通常的孩子玩10或20元機(jī)是刷電機(jī)一樣。電調(diào)是根據(jù)這兩種電機(jī)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(chǔ)在我們電池中的電，有正負(fù)極，我們的家庭220V是的，手機(jī)充電器或器或計(jì)算機(jī)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(gè)頻率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流電勢(shì)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(duì)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(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(duì)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(gè)槳，兩兩相對(duì)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(duì)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(duì)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。