有刷直流电机的工作原理

有刷直流电机的主要结构是定子 + 转子 + 电刷，通过旋转磁场获得转矩并输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在旋转过程中起到导电和换相的作用。

有刷直流电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，线圈和换向器旋转，磁铁和碳刷不旋转，线圈电流方向的交替变化由随电机旋转的换向器和碳刷完成。

有刷直流电机的工作原理是将每组线圈的两个电源输入端子依次排列成环形，中间用绝缘材料隔开，形成一个圆筒状，与电机轴整体相连。电源通过两个由碳元素（碳刷）制成的小支柱。在弹簧压力的作用下，它从两个特定的固定位置压向上部线圈电源输入环筒上的两个点，使一组线圈通电。

电机旋转时，不同线圈或同一线圈的不同磁极在不同时间通电，从而使产生磁场的线圈的 NS 磁极与最靠近它的永磁定子的 NS 磁极具有适当的角度差。磁场的异极相互吸引，同极相互排斥，从而产生驱动电机旋转的力。碳电极在线圈端子上滑动，就像刷子在物体表面刷动一样，因此被称为碳 "刷"。

在相互滑动时，碳刷会相互摩擦，造成磨损，需要定期更换碳刷。当交替接通和断开碳刷和线圈端子时，会产生电火花，造成电磁损害并干扰电子设备。

无刷直流电机的工作原理

在无刷直流电机中，换向工作由控制器中的控制电路完成（通常是霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器）。

无刷直流电机采用电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷直流电机使用一套电子装置，通过 SS2712 霍尔开关感知永磁磁极的位置。根据这一感知，利用电子电路及时切换线圈中的电流方向，以确保产生正确方向的磁力来驱动电机。这样就消除了有刷直流电机的缺点。

这些电路就是电机控制器。无刷直流电机的控制器还可以实现一些有刷直流电机无法实现的功能，如调整电源开关角度、制动电机、电机反转、锁定电机、利用制动信号停止电机供电等。目前电瓶车的电子报警锁就充分利用了这些功能。

直流无刷电机由电机本体和驱动器组成，是典型的机电一体化产品。由于直流无刷电机是以自动方式运行的，因此它不需要像同步电机那样在变频调速的情况下在重负载下启动时在转子上增加启动绕组，也不会在负载突然变化时产生振荡和失步。

有刷直流电机与无刷直流电机调速的区别

事实上，两种电机的控制方式都是电压调节，但由于无刷直流采用电子换向，需要数字控制才能实现，而有刷直流采用碳刷换向，可以使用晶闸管等传统模拟电路进行控制，相对简单。

1.有刷电机的调速过程是调节电机电源的电压。调节后的电压和电流通过换向器和电刷进行转换，从而改变电极产生的磁场强度，达到改变转速的目的。这一过程称为变压调速。

2.无刷电机的调速过程是在保持电机电源电压不变的情况下，通过改变电动调节器的控制信号，再通过微处理器改变大功率 MOS 管的开关速率，从而达到改变转速的目的。这一过程称为变频调速。

性能差异

1.有刷电机结构简单、开发时间长、技术成熟。

早在 19 世纪电动机诞生之初，生产的实用电动机就是无刷型的，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机在交流电产生后得到了广泛应用。

然而，异步电机存在许多难以克服的缺陷，导致电机技术在过去发展缓慢。特别是直流无刷电机，由于电子技术日新月异，直到近几年才投入商业运行。实质上，它们仍属于交流电机的范畴。

无刷电机发明后不久，人们又发明了直流有刷电机。由于直流有刷电动机结构简单、易于生产加工、易于维护、易于控制，而且具有响应速度快、起动转矩大、从零转速到额定转速都能提供额定转矩等特点，因此自问世以来就得到了广泛的应用。

2.有刷直流电机响应速度快，启动扭矩大

直流有刷电机起动响应速度快，起动转矩大，变速平稳，从零转速到最高转速几乎没有振动。启动时可驱动较大的负载。无刷电机的起动电阻（感抗）较大，因此功率因数较小，起动转矩相对较小，起动时有嗡嗡声，并伴有强烈的振动，起动时驱动的负载较小。

3.直流有刷电机运行平稳，启动和制动效果良好

有刷电机通过电压调节来调整速度，因此起动和制动都很平稳，匀速运行时也很平稳。无刷电机通常采用数字变频控制，先将交流电转换成直流电，再将直流电转换成交流电，通过改变频率来控制转速。因此，无刷直流电机在启动和制动时运行不平稳，振动较大。只有当转速恒定时，它们才能保持稳定。

4.直流有刷电机控制精度高

有刷直流电机通常与减速箱和编码器配合使用，以提高电机的输出功率和控制精度。控制精度可以达到 0.01 毫米，这使得运动部件几乎可以停在任何地方。所有精密机床都采用直流电机控制精度。无刷直流电机在启动和制动时并不稳定，因此运动部件每次都会停在不同的位置，必须通过定位销或限位器将其停在所需位置。

5.直流有刷电机成本低，易于维护

由于有刷直流电机结构简单、生产成本低、生产厂家多、技术相对成熟，因此应用广泛，如工厂、加工机床、精密仪器等。如果电机出现故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需几元钱，非常便宜。无刷直流电机技术不成熟，价格较高，应用范围有限。主要应用于恒速设备，如变频空调、冰箱等。无刷直流电机损坏后只能更换。

6.无电刷，低干扰

无刷直流电机去掉了电刷。最直接的变化是有刷电机运转时不会产生火花，从而大大减少了火花对遥控无线电设备的干扰。

7.噪音低，运行平稳

无刷直流电机没有电刷，因此运行时的摩擦大大减少，运行平稳且噪音更低。这一优势为模型运行的稳定性提供了巨大支持。

8.使用寿命长，维护成本低

由于没有电刷，直流无刷电机的磨损主要发生在轴承上。从机械角度来看，无刷直流电机几乎是免维护电机。必要时，只需进行一些除尘维护。

无刷直流电机控制原理

电机驱动控制是指控制电机的旋转或停止以及旋转速度。电机驱动控制部分也称为电子速度控制器，简称电调。根据使用的电机不同，电调可分为无刷电调和无刷电调。

有刷直流电机的永久磁铁是固定的，线圈绕在转子上。电刷间歇性地与换向器接触，以改变磁场方向，从而使转子持续旋转。顾名思义，无刷直流电机没有所谓的电刷和换向器。它的转子是永久磁铁，线圈是固定的，直接与外部电源连接。问题是，如何改变线圈磁场的方向？事实上，无刷直流电机外部还需要一个电子速度调节器。简单地说，这个速度调节器就是一个电机驱动器。它可以随时改变固定线圈内的电流方向，确保其与永磁体之间的力是相互排斥的，从而可以继续连续转动。

有刷电机可以在没有电调的情况下工作，也可以通过直接向电机供电的方式工作，但这种方式无法控制电机速度。无刷直流电机必须安装电调才能工作，否则无法旋转。直流电必须由无刷电调转换成三相交流电，然后传输给无刷直流电机，使其旋转。

最早的电调与现在的电调不同。它们都是有刷电调。您可能会问，什么是有刷电调，它与现在的无刷电调有什么区别。事实上，区别是巨大的。有刷和无刷电调都是以电机为基础的。当前电机的转子，也就是旋转部分，全部是磁铁，线圈是不旋转的定子，因为中间没有碳刷。这就是无刷直流电机。

至于有刷电机，顾名思义，它有碳刷，所以是有刷直流电机。例如，孩子们平时玩的 10 到 20 元的遥控车所用的电机就是有刷直流电机。电调就是以这两种电机命名的，即有刷电调和无刷电调。从专业角度来看，有刷电调输出的是直流电，而无刷电调输出的是三相交流电。直流电是我们蓄电池中储存的电能，它有正负两极。我们的家用 220V 电源、手机充电器或电脑使用的电源都是交流电。

交流电有一定的频率。通俗地说，它是一条正负极、正负极来回交换的线路；直流电则是一条有正极和负极的线路。既然我们已经弄清了交流电和直流电，那么什么是 "三相电 "呢？从理论上讲，三相交流电是一种输电方式，简称三相电。它是由三个频率相同、幅值相等、相位差为 120 度的交流电势组成的电源。通俗地说，它就是我们家中使用的三相交流电。除了电压、频率和驱动角之外，其他都是一样的。现在，您已经了解了三相电和直流电。

无刷电调输入直流电，通过滤波电容器使其稳定。然后，电流被分成两路。一条路径由电调的 BEC 使用。BEC 用于为接收器和电调自身的微控制器供电。输出到接收器的电源线是信号线上的红线和黑线。另一条路径由 MOS 管使用。在这里，当电调接通电源时，微控制器开始启动，驱动 MOS 管振动，使电机发出滴滴声。

启动后，即可开始运行。有些电调具有节流阀校准功能。在进入待机模式之前，它会监控油门位置是偏高、偏低还是居中。如果是高位，则会进入电调行程校准。如果处于中间位置，它将开始发出警报信号，电机也会发出蜂鸣声。如果为低电平，则进入正常工作状态。一切准备就绪后，电调中的单片机将根据 PWM 信号线上的信号确定输出电压和频率，以及驱动方向和定时角度，从而驱动电机的速度和方向。这就是无刷电调的原理。驱动电机时，电调内有 3 组 MOS 管工作，每组有 2 个极，一组控制正极输出，另一组控制负极输出。正极输出时，负极不输出，负极输出时，正极不输出，从而形成交流。同样，三组都是以这种方式工作，其频率为 8000HZ。说到这里，无刷电调就相当于工厂里电机上使用的变频器或调速器。

电调的输入为直流电，通常由锂电池供电。输出为三相交流电，可直接驱动电机。此外，航模无刷电子调速器有三条信号输入线，输入 PWM 信号来控制电机的速度。对于航模，尤其是四旋翼飞机，由于其特殊性，需要使用专用的航模电调。

那么，为什么四旋翼飞行器需要特殊的电调？它们有什么特别之处？四旋翼飞行器有四个螺旋桨，呈交叉结构排列。螺旋桨可以正反方向旋转，这样就可以抵消单个螺旋桨旋转造成的自旋问题。每个螺旋桨的直径都非常小，四个螺旋桨旋转时的离心力会被分散。与直升机的螺旋桨不同，只有一个螺旋桨能产生集中的离心力，形成陀螺惯性离心力，使机身不至于迅速倾覆。因此，常用伺服控制信号的更新频率非常低。

为了让四旋翼飞行器能够快速反应，应对姿态变化引起的漂移，需要一个高响应速度的电调。传统 PPM 电调的更新速度仅为 50Hz 左右，无法满足该控制所需的速度。此外，PPM 电调 MCU 具有内置 PID 速度控制，可为传统飞机模型提供平滑的速度变化特性，但不适用于需要快速响应电机速度变化的四旋翼飞行器。使用高速专用电调和 IIC 总线接口传输控制信号，可以实现每秒数百或数千次的电机速度变化，从而使四旋翼飞行器在飞行过程中始终保持姿态稳定。即使突然受到外力冲击，也能安然无恙。