无刷电机概念与控制原理
无刷电机概念与控制原理
无刷电机作为一种重要的动力设备，在无人机、电动汽车、工业自动化等领域有着广泛的应用。本文将从结构组成、运动原理和硬件控制三个方面，深入浅出地介绍无刷电机的工作原理，帮助读者建立对这一技术的全面理解。
一、无刷电机的结构
无刷电机的基本结构包括前盖、中盖、后盖、磁铁、硅钢片、漆包线、轴承和转轴等部分。从宏观上看，电机可以分为定子和转子两大部分。
- 定子：由绿色磁钢片和绕在其上的线圈组成，是电机的固定部分。
- 转子：是电机转动的部分，黑色的这一部分，转子可以输出电机的转速和扭矩。
无刷电机还可以分为内转子和外转子两种类型：
- 外转子无刷电机：定子在电机内部，转子在电机的外部，用电机的外壳来输出转速和扭矩。
- 内转子无刷电机：转子在电机内部，转子在电机内部旋转，转子插入到定子的中间，定子是一堆线圈紧贴着电机的外壁，它是以电机的中轴输出转速和扭矩的。
二、无刷电机的运动
直流无刷电机的驱动原理是通过改变电机定子线圈电流交变频率和波形，在定子周围形成一个交变磁场来驱动转子的永磁体进行转动。具体来说，三个相电流在时间上的变换形式，这三个相电流的相位差是120度。输入三相电流后，电机定子产生旋转磁场驱动电机转子运动。
因此，想要电机成功驱动，需要研究如何产生和改变输入定子三相电流交变频率和波形。这方面的研究可以分为硬件电路部分和软件控制部分。
三、无刷电机硬件控制原理
无刷电机与有刷电机的主要区别在于无刷电机没有电刷，因此不能像有刷电机那样采用机械结构进行电流换向。无刷电机采用MOS管这样的元器件进行换向。MOS管本质上是一种开关，可以控制电流的通断。
通过控制不同MOS管的通断组合，可以改变电机线圈里的电流大小和方向。例如，当Q1和Q2管打开时，电流从A向进去，从B向出来。根据右手螺旋定则，可以判断出A向线圈和B向线圈上面是S级，下面是N级。由于转子可以抽象为一个磁铁，根据同性相斥、异性相吸的原理，当转子放到定子的中间位置时，转子会转向使得S级对着N级，N级对着S级。
为了使电机继续旋转，需要控制MOS管的通断。例如，让Q1跟Q4打开，电流流向就会改变，转子也会继续旋转。通过交替控制MOS管的开关组合，可以使电机持续旋转。
下图展示了转子旋转一周时各个相的通电情况。这些MOS管的开关规律需要通过单片机程序进行控制。
控制这些MOS管的程序通常采用FOC（磁场定向控制）算法。FOC控制算法通过对电机运动建立数学模型，将复杂的电机运动进行抽象化和简化，使单片机能够根据算法控制MOS管，进而实现对电机的精准控制。