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    一文弄清有刷電機與無刷電機那些事

    作者: 1596 次瀏覽 時間:2019-03-16

    信息摘要:...

    西安西瑪電機集團資訊:有刷電機是大家最早接觸的一類電機,中學時物理課堂上介紹電動機也是以它為模型來展示的。有刷電機的主要結構就是定子+轉子+電刷,通過旋轉磁場獲得轉動力矩,從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉動中起到導電和換相作用。

    有刷電機采用機械換向,磁極不動,線圈旋轉。電機工作時,線圈和換向器旋轉,磁鋼和碳刷不轉,線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換相器和電刷來完成的。

    在有刷電機中,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,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狀圓柱上的兩點,給一組線圈通電。

    隨著電機轉動,不同時刻給不同線圈或同一個線圈的不同的兩極通電,使得線圈產生磁場的N-S極與最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,產生力量,推動電機轉動。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,會發生電火花,產生電磁破,干擾電子設備。

    無刷電機工作原理

    無刷電機中,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,更先進的技術是磁編碼器)來完成。

    無刷電機采取電子換向,線圈不動,磁極旋轉。無刷電機,是使用一套電子設備,通過霍爾元件,感知永磁體磁極的位置,根據這種感知,使用電子線路,適時切換線圈中電流的方向,保證產生正確方向的磁力,來驅動電機。消除了有刷電機的缺點。

    這些電路,就是電機控制器。無刷電機的控制器,還可以實現一些有刷電機不能實現的功能,比如調整電源切換角,制動電機,使電機反轉,鎖住電機,利用剎車信號,停止給電機供電?,F在電瓶車的電子報警鎖,就充分利用了這些功能。

    無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成,是一種典型的機電一體化產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的,所以不會象變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組,也不會在負載突變時產生振蕩和失步。

    有刷電機與無刷電機調速方式的區別

    實際上兩種電機的控制都是調壓,只是由于無刷直流采用了電子換向,所以要有數字控制才可以實現了,而有刷直流是通過碳刷換向的,利用可控硅等傳統模擬電路都可以控制,比較簡單。

    1、有刷馬達調速過程是調整馬達供電電源電壓的高低。調整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉換,改變電極產生的磁場強弱,達到改變轉速的目的。這一過程被稱之為變壓調速。

    2、無刷馬達調速過程是馬達的供電電源的電壓不變,改變電調的控制信號,通過微處理器再改變大功率MOS管的開關速率,來實現轉速的改變。這一過程被稱之為變頻調速。

    性能差異

    TI的一個介紹視頻關于有刷電機與無刷電機的對比,如下圖所示,很完整。

    1、有刷電機結構簡單、開發時間久、技術成熟

    早在十九紀誕生電機的時候,產生的實用性電機就是無刷形式,即交流鼠籠式異步電動機,這種電動機在交流電產生以后得到了廣泛的應用。但是,異步電動機有許多無法克服的缺陷,以致電機技術發展緩慢。尤其是直流無刷電機一直無法投入商業運營,伴隨著電子技術的日新月異,直至近幾年才慢慢投入商業運營,就其實質來說依然屬于交流電機范疇。

    無刷電機誕生不久,人們就發明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構簡單,生產加工容易,維修方便,容易控制;直流電機還具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能,所以一經問世就得到了廣泛應用。

    2、直流有刷電機響應速度快,起動扭矩大

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

    3、直流有刷電機運行平穩,起、制動效果好

    有刷電機是通過調壓調速,所以起動和制動平穩,恒速運行時也平穩。無刷電機通常是數字變頻控制,先將交流變成直流,直流再變成交流,通過頻率變化控制轉速,所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩,振動大,只有在速度恒定時才會平穩。

    4、直流有刷電機控制精度高

    直流有刷電機通常和減速箱、譯碼器一起使用,使的電機的輸出功率更大,控制精度更高,控制精度可以達到0.01毫米,幾乎可以讓運動部件停在任何想要的地方。所有精密機床都是采用直流電機控制精度。無刷電機由于在啟動和制動時不平穩,所以運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。

    5、直流有刷電機使用成本低,維修方便

    由于直流有刷電機結構簡單,生產成本低,生產廠家多,技術比較成熟,所以應用也比較廣泛,比如工廠、加工機床、精密儀器等,如果電機故障,只需更換碳刷即可,每個碳刷只需要幾元,非常便宜。無刷電機技術不成熟,價格較高,應用范圍有限,主要應在恒速設備上,比如變頻空調、冰箱等,無刷電機損壞只能更換。

    6、無電刷、低干擾

    無刷電機去除了電刷,最直接的變化就是沒有了有刷電機運轉時產生的電火花,這樣就極大減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。

    7、噪音低,運轉順暢

    無刷電機沒有了電刷,運轉時摩擦力大大減小,運行順暢,噪音會低許多,這個優點對于模型運行穩定性是一個巨大的支持。

    8、壽命長,低維護成本

    少了電刷,無刷電機的磨損主要是在軸承上了,從機械角度看,無刷電機幾乎是一種免維護的電動機了,必要的時候,只需做一些除塵維護即可。

    無刷電機控制原理

    電機驅動控制就是控制電機的轉動或者停止,以及轉動的速度。電機驅動控制部分也叫做電子調速器,簡稱電調,英文electronic speed controller(ESC)。電調對應使用的電機不同,分無刷電調和有刷電調。

    有刷電機的永磁體是固定不動的,線圈繞在轉子上,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子持續轉動。無刷電機,顧名思義,這種電機是沒有所謂的電刷和換相器的,他的轉子是永磁體,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,無刷電機外部還需要一個電子調速器,這個調速器說白了就是一個電機驅動,它隨時都在改變著固定線圈內部電流的方向,保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥,持續轉動得以延續。

    刷電機工作可以不需要電調,直接把電供給電機就能夠工作,但是這樣無法控制電機的轉速。無刷電機工作必須要有電調,否則是不能轉動的。必須通過無刷電調將直流電轉化為三相交流電,輸給無刷電機才能轉動。

    最早的電調可不是像現在的電調一樣,最早全是有刷電調,說道這你可能要問了,什么是有刷電調,和現在的無刷電調有什么區別。事實上這差別呀可大了去了,有刷電調和無刷電調都是根據電機來說的,現在電機的轉子,就是能轉動的部分全是磁鐵塊,線圈是定子不轉動的,因為這中間沒有碳刷,這就是無刷電機。而有刷電機呢,顧名思義就是有碳刷,所以就是有刷電機,像我們平常小孩子玩的一二十塊錢的遙控車用的電機就是有刷電機。電調就是根據這兩種電機而命名的有刷電調和無刷電調。從專業的角度來講呢就是有刷電調就是輸出時直流電,無刷電調輸出是三相交流電。直流電就是我們電池里存儲的電,有正負極之分,我們家用220V的,用于手機充電器或者電腦的電源都是交流電。交流電就是帶有一定的頻率,通俗講就是一根線上正負、正負的來回交換著;直流電就是正極是正極,負極是負極。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、驅動角不同,其他都一樣,現在對于三相電和直流電都了解了吧。


    無刷電調,輸入的是直流電,通過一個濾波電容穩定電壓。然后分成倆兩路,一路是電調的BEC使用,BEC是給接收機與電調自身單片機供電使用的,輸出至接收機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,電調上電,單片機開始啟動,驅動MOS管震動,使電機發出滴滴滴的聲音。啟動后待命,有些電調帶有油門校準功能,在進入待命前會監測油門位置是在高還是低還是中間,高的話進入電調行程校準,中間的話開始發出報警信號,電機會滴滴的響,低的話會進入正常工作狀態。一切準備就緒后,電調內的單片機會根據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動方向和進角多少來驅動電機的轉速,轉向。這就是無刷電調原理。在驅動電機運轉的時候,電調內共有3組MOS管工作,每組2個極,一個控制正極輸出,一個控制負極輸出,當正極輸出時,負極不輸出,負極輸出時,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,無刷電調也相當于一個工廠里電機上使用的變頻器或者調速器。


    電調的輸入是直流,通常由鋰電池來供電。輸出是三相交流,可以直接驅動電機。另外航模無刷電子調速器還有三根信號輸入線,輸入PWM信號,用于控制電機的轉速。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。


    那么為什么在四軸飛行器上需要專門的電調呢,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構。在槳的轉向上分正轉和反轉,這樣可抵消單個槳葉旋轉引起的自旋問題。每個槳的直徑很小,四個槳轉動時的離心力是分散的。不像直機的槳,只有一個能產生集中的離心力形成陀螺性質的慣性離心力,保持機身不容易很快的側翻掉。所以通常用到的舵機控制信號更新頻率很低。

    四軸為了能夠快速反應,以應對姿態變化引起的飄移,需要高反應速度的電調,常規PPM電調的更新速度只有50Hz左右,滿足不了這種控制所需要的速度,且PPM電調MCU內置PID穩速控制,能對常規航模提供順滑的轉速變化特性,用在四軸上就不合適了,四軸需要的是快速反應的電機轉速變化。用高速專用電調,IIC總線接口傳送控制信號,可達到每秒幾百上千次的電機轉速變化,在四軸飛行時,姿態時刻能夠保持穩定。即使受到外力突然沖擊,依舊安然無恙。


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