马拉松电机带您了解无刷电机VS有刷电机

直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。　　1．? 有刷直流电机　　直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点着称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图 1.2 所示。　　电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢） 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B当两端通过一定的直流电流时，电机的换向器会自动改变电机转子的磁场方向，使直流电机的转子继续运行。

由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点：　　z ?结构相对复杂，增加了制造成本；　　z ?容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性；　　z ?换向时会产生火花，限制了使用范围；　　z ?容易损坏，增加了维护成本等。　　2．? 无刷直流电机　　无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。　　图 1.3 无刷直流电机模型为图 1.2转换模型。它主要由永磁材料制成的转子、带线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见它和直流电机有很多共同点，定子和转子的结构差不多(原定子变成转子，转子变为定子） ，绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向 （相） ，牺牲的代价是电机控制器成本的提高 （如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管） 。　　图 1.3 是小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机之一。它的定子、转子、结构和图 1.2 显示的直流电机非常相似。另一种无刷直流电机的结构与此相反。其定子在外，转子在内，即由线圈绕组组成的座椅，转子由永磁材料制成。

无刷直流电机有以下的特点：　　z ?无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；　　z ?无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；　　z ?无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；　　z? 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发　　电机状态；　　z ?无刷直流电机的体积小，功率密度高；　　z? 无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠　　性高；　　z ?无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。　　1.2.2? 无刷直流电机的工作原理　　无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。　　如图 1.4 显示了无刷直流电机的旋转原理示意图。为便于描述，电机定子线圈中心的抽头连接电机电源 POWER，各相端点连接功率管，位置传感器导通时使功率管 G极接 12V，功率管通电，相应的相线圈通电。由于三位传感器随转子旋转，相应的相线圈依次通电，定子产生的磁场方向不断变化，电机转子也随之旋转，这是无刷直流电机的基本旋转原理——检测转子位置，依次通电，使定子产生的磁场方向连续均匀变化。

在下文介绍无刷直流电机的有位置传感器驱动的一节，将会进一步介绍无刷直流电机的转动原理。　　为了方便理解，本文档以下内容统一用如图 1.这两个符号作为模型介绍，图 A图为电机转子和定子在同一个圆心上B 是为了方便电机内部磁场的解释，用于不同的圆心。详见下文。

1.3? 无刷直流电机的驱动方法　　无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式，它们各有特点。　　按驱动波形：　　z 方波驱动，方便实现电机无位置传感器控制；

z 正弦驱动可以提高电机的运行效果，使输出扭矩均匀，但实现过程相对复杂。同时，这种方法是 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM）两种方式，SVPWM效果比 好SPWM。

有刷电机的工作原理

刷电机是第一种接触电机，在中学物理课上介绍的电机也以其为模型显示。刷电机的主要结构是定子 转子 刷，通过旋转磁场获得旋转扭矩，从而输出动能。刷与换向器不断接触摩擦，在旋转过程中发挥导电和换相作用。

刷电机采用机械换向，磁极不移动，线圈旋转。当电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不旋转，线圈电流方向的交替变化由电机旋转的换向器和刷完成。

在刷电机中，这个过程是将每组线圈的两个电源输入端依次排列成一个环，用绝缘材料相互分离，形成一个圆柱形的东西，与电机轴相连。电源由两个碳元素制成的小柱(碳刷)在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置压在上线圈电源输入环柱的两点，给一组线圈通电。

随着电机的旋转，不同的线圈或同一线圈同一线圈的不同两极通电，使线圈产生磁场N-S极与较靠近的永磁铁定子的N-S非常合适的角度差异，磁场异性吸力，同性排斥，产生力量，促进电机旋转。碳电极滑动在线圈接线头上，就像刷子在物体表面刷一样，所以它被称为碳刷。

相互滑动会摩擦碳刷，造成损失，需要定期更换碳刷；碳刷与线圈接线头交替，会产生电火花、电磁损伤，干扰电子设备。

无刷电机的工作原理

在无刷电机中，换相工作由控制器中的控制电路(通常是霍尔传感器 控制器，更先进的技术是磁编码器)完成。

无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。无刷电机，是使用一套电子设备，通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。

这些电路是电机控制器。无刷电机控制器还可以实现一些无法实现的功能，如调整电源切换角、制动电机、逆转电机、锁定电机、使用制动信号停止电机供电等。目前，电池车的电子报警锁已充分利用这些功能。

无刷直流电机由电机主体和驱动器组成，是典型的机电一体化产品。由于无刷直流电机是自动控制的，转子上不会像变频调速下重载启动的同步电机那样增加启动绕组，负载突变时也不会产生振荡和失步。

刷电机和无刷电机调速的区别

事实上，两种电机的控制是压力调节，但由于无刷直流采用电子方向，因此可以实现数字控制，刷直流通过碳刷方向，传统模拟电路可以控制，相对简单。

1.刷电机调速过程是调节电机供电电源电压。调整后的电压电流通过整流子和刷子转换，改变电极产生的磁场强度，达到改变速度的目的。这个过程叫变压调速。

2.无刷电机的调速过程是电机供电电压不变，通过微处理器改变电调控制信号和大功率MOS为了实现转速的变化，管道的开关速率。这一过程称为变频调速。

性能差异

ti有刷电机和无刷电机的对比视频如下图所示，非常完整。

1.刷电机结构简单，开发时间长，技术成熟

早在19纪电机诞生时，实用电机就是无刷电机，即交流鼠笼异步电机，在交流电源产生后得到了广泛的应用。然而，异步电机存在许多不可克服的缺陷，导致电机技术发展缓慢。特别是直流无刷电机不能投入商业运行，随着电子技术的快速变化，直到近年来才慢慢投入商业运行，本质上仍属于交流电机的范畴。

无刷电机诞生后不久，人们就发明了直流有刷电机。由于直流有刷电机机构简单，生产加工方便，维护方便，控制方便；直流电机还具有响应快、启动扭矩大、从零转速到额定转速的性能，一经问世就得到广泛应用。

2.直流刷电机响应速度快，启动扭矩大

直流刷电机启动响应速度快，启动扭矩大，变速稳定，速度从零到较大几乎感觉不到振动，启动可以驱动更大的负载。无刷电机启动电阻大（感应阻力），功率因素小，启动扭矩相对较小，启动时嗡嗡作响，振动强，启动时驱动负荷小。

3.直流刷电机运行平稳，制动效果好

有刷电机通过调压调速，启动制动平稳，恒速运行平稳。无刷电机通常由数字变频控制。首先，交流变为直流，然后直流变为交流，速度由频率变化控制。因此，无刷电机在启动和制动过程中运行不稳定，振动较大，只有在速度恒定时才能稳定。

4.直流刷电机控制精度高

直流刷电机通常与减速器和翻译器一起使用，使电机输出功率更大，控制精度更高，控制精度可达0.01毫米几乎可以让运动部件停在任何你想要的地方。所有精密机床均由直流电机控制。由于无刷电机在启动和制动过程中不稳定，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停在所需位置。

5、直流刷电机使用成本低，维护方便。由于直流刷电机结构简单，生产成本低，厂家多，技术成熟，应用广泛，如工厂、加工机床、精密仪器等，如果电机故障，只需更换碳刷，每个碳刷只需几元，非常便宜。无刷电机技术不成熟，价格高，应用范围有限，主要在变频空调、冰箱等恒速设备上，只能更换无刷电机损坏。

6、无电刷、低干扰

无刷电机去除了电刷，较直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。

7.噪音低，运行顺畅

无刷电机无刷，摩擦大大降低，运行平稳，噪音低得多。这一优势是对模型运行稳定性的巨大支持。

8、寿命长，低维护成本

没有刷子，无刷电机的磨损主要在轴承上。从机械的角度来看，无刷电机几乎是一种免维护电机。必要时，只需进行一些除尘和维护。

无刷电机控制原理

电机驱动控制是控制电机的旋转或停止以及旋转速度。电机驱动控制部分又称电子调速器，简称电动调速器和英语electronic speed controller（ESC）。电调对应的电机不同，分为无刷电调和有刷电调。

有刷电机的永磁体是固定不动的，线圈绕在转子上，通过一个电刷跟换相器接触间断来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机，顾名思义，这种电机是没有所谓的电刷和换相器的，他的转子是永磁体，而线圈是固定不动的，直接接到外部电源，问题就来了，线圈磁场方向怎么改变呢？事实上，无刷电机外部还需要一个电子调速器，这个调速器说白了就是一个电机驱动，它随时都在改变着固定线圈内部电流的方向，保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥，持续转动得以延续。

刷电机不需要电动调节就可以直接工作，但不能控制电机的速度。无刷电机必须有电动调节，否则不能旋转。直流电必须通过无刷电动调节转换为三相交流电，输送到无刷电机才能旋转。

较早的电调不像现在的电调，较早的电调都是刷电调，说你可能会问，什么是刷电调，和现在的无刷电调有什么区别。事实上，这种差异很大，刷电调和无刷电调是基于电机，现在电机的转子，是可以旋转的部分都是磁块，线圈是定子不旋转，因为中间没有碳刷，这是无刷电机。而有刷电机，顾名思义，就是有碳刷，所以有刷电机，就像我们通常的孩子玩10或20元机是刷电机一样。电调是根据这两种电机命名的刷电调和无刷电调。从专业的角度来看，刷电调是输出直流电，无刷电调输出是三相交流电。直流电是存储在我们电池中的电，有正负极，我们的家庭220V是的，手机充电器或器或计算机的电源是交流电源。交流电源具有一定的频率。一般来说，它是在线正负交换；直流电源是正极，负极是负极。交流直流已经弄清楚了，那么什么是三相电呢？论讲三相交流电是电的一种传输形式，简称三相电，是由3个频率相同、振幅相等、相位依次互差120度的交流电势组成的电源。通俗的讲，就是我们家用的三项交流电，除了电压、频率、驱动角不同，其他都一样，现在对于三相电和直流电都了解了吧。

无刷电调，输入的是直流电，通过一个滤波电容稳定电压。然后分成俩两路，一路是电调的BEC使用，BEC是给接收机与电调自身单片机供电使用的，输出至接收机的电源线就是信号线上的红线和黑线，另一路是介入MOS管使用，在这里，电调上电，单片机开始启动，驱动MOS管震动，使电机发出滴滴滴的声音。启动后待命，有些电调带有油门校准功能，在进入待命前会监测油门位置是在高还是低还是中间，高的话进入电调行程校准，中间的话开始发出报警信号，电机会滴滴的响，低的话会进入正常工作状态。一切准备就绪后，电调内的单片机会根据PWM信号线上的信号决定输出电压的大小和频率的高低以及驱动方向和进角多少来驱动电机的转速，转向。这就是无刷电调原理。在驱动电机运转的时候，电调内共有3组MOS管工作，每组2个极，一个控制正极输出，一个控制负极输出，当正极输出时，负极不输出，负极输出时，正极不输出，这样子也就形成了交流电，同样，三组都是这样工作的，它们的频率是8000HZ。讲到这，无刷电调也相当于一个工厂里电机上使用的变频器或者调速器。

电调的输入是直流，通常由锂电池来供电。输出是三相交流，可以直接驱动电机。另外航模无刷电子调速器还有三根信号输入线，输入PWM信号，用于控制电机的转速。对于航模，尤其是四轴*行器，由于其特殊性，需要专门的航模电调。

那么为什么在四轴*行器上需要专门的电调呢，其有什么特别的地方？四轴*行器有四个桨，两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转，这样可抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小，四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常用到的舵机控制信号更新频率很低。

四轴为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电调，常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就不合适了，四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专用电调，IIC总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时，姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击，依旧安然无恙。