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          無刷電機(jī)和有刷電機(jī)的原理與區(qū)別

          作者: 時間:2022-03-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          工作原理

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202203/432385.htm

          是大家早接觸的一類電機(jī),中學(xué)時物理課堂上介紹電動機(jī)也是以它為模型來展示的。

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          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)動力矩,從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉(zhuǎn)動中起到導(dǎo)電和換相作用。

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          有刷電機(jī)采用機(jī)械換向,磁極不動,線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時,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)動的換相器和電刷來完成的。

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          在有刷電機(jī)中,這個過程是將各組線圈的兩個電源輸入端,依次排成一個環(huán),相互之間用絕緣材料分隔,組成一個象圓柱體的東西,與電機(jī)軸連成一體,電源通過兩個碳元素做成的小柱子(碳刷),在彈簧壓力的作用下,從兩個特定的固定位置,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,不同時刻給不同線圈或同一個線圈的不同的兩極通電,使得線圈產(chǎn)生磁場的N-S極與靠近的永磁鐵定子的N-S極有一個適合的角度差,磁場異性相吸、同性相斥,產(chǎn)生力量,推動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

          碳電極在線圈接線頭上滑動,象刷子在物體表面刷,因此叫碳“刷”。相互滑動,會摩擦碳刷,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,會發(fā)生電火花,產(chǎn)生電磁破,干擾電子設(shè)備。

          工作原理

          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。

          采取電子換向,線圈不動,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(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,還可以實現(xiàn)一些有刷電機(jī)不能實現(xiàn)的功能,比如調(diào)整電源切換角,制動電機(jī),使電機(jī)反轉(zhuǎn),鎖住電機(jī),利用剎車信號,停止給電機(jī)供電?,F(xiàn)在電瓶車的電子報警鎖,就充分利用了這些功能。

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

          有刷電機(jī)與無刷電機(jī)調(diào)速方式的區(qū)別

          實際上兩種電機(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)字控制才可以實現(xiàn)了,而有刷直流是通過碳刷換向的,利用可控硅等傳統(tǒng)模擬電路都可以控制,比較簡單。

          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。

          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,通過微處理器再改變大功率MOS管的開關(guān)速率,來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。

          有刷電機(jī)與無刷電機(jī)性能差異

          有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)時間久、技術(shù)成熟:早在十九紀(jì)誕生電機(jī)的時候,產(chǎn)生的實用性電機(jī)就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機(jī),這種電動機(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。

          直流有刷電機(jī)響應(yīng)速度快,起動扭矩大:直流有刷電機(jī)起動響應(yīng)速度快,起動扭矩大,變速平穩(wěn),速度從零到幾乎感覺不到振動,起動時可帶動更大的負(fù)荷。無刷電機(jī)起動電阻大(感抗),所以功率因素小,起動扭矩相對較小,起動時有嗡嗡聲,并伴隨著強(qiáng)烈震動,起動時帶動負(fù)荷較小。

          直流有刷電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),起、制動效果好:有刷電機(jī)是通過調(diào)壓調(diào)速,所以起動和制動平穩(wěn),恒速運(yùn)行時也平穩(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)在起動和制動時運(yùn)行不平穩(wěn),振動大,只有在速度恒定時才會平穩(wěn)。

          直流有刷電機(jī)控制高: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,控制更高,控制可以達(dá)到0.01毫米,幾乎可以讓運(yùn)動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。無刷電機(jī)由于在啟動和制動時不平穩(wěn),所以運(yùn)動部件每次都會停到不同的位置上,必須通過定位銷或限位器才可以停在想要的位置上。

          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,每個碳刷只需要幾元,非常便宜。無刷電機(jī)技術(shù)不成熟,價格較高,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。

          無電刷、低干擾:無刷電機(jī)去除了電刷,直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)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。

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

          無刷電機(jī)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)的電動機(jī)了,必要的時候,只需做一些除塵維護(hù)即可。

          無刷電機(jī)控制原理

          電機(jī)驅(qū)動控制就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動或者停止,以及轉(zhuǎn)動的速度。電機(jī)驅(qū)動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(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(jī)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(jī)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(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。

          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),有刷電調(diào)就是輸出時直流電,無刷電調(diào)輸出是三相交流電。交流直流弄清楚了,那么什么又是“三相電”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。

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          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(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,驅(qū)動MOS管震動,使電機(jī)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(jìn)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(jìn)入電調(diào)行程校準(zhǔn),中間的話開始發(fā)出報警信號,電機(jī)會滴滴的響,低的話會進(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(jìn)角多少來驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)向。這就是無刷電調(diào)原理。

          在驅(qū)動電機(jī)運(yùn)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(jī)上使用的變頻器或者調(diào)速器。

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          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(jī)。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(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(jī)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(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,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,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。



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