无刷电机和电调的工作原理

在本教程中，我们将学习无刷电机和 ESC 的工作原理。本文是以下视频的第一部分，我们将学习无刷直流电机和 ESC（电子调速器）的工作原理，第二部分将学习如何使用 Arduino 控制 BLDC 电机。

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

工作原理

BLDC 电机由两个主要部分组成，一个定子和一个转子。在这个插图中，转子是一个有两个磁极的永磁体，而定子由如下图所示排列的线圈组成。

我们都知道，如果我们通过线圈施加电流，它会产生磁场，而磁力线或磁极取决于电流方向。

因此，如果我们施加适当的电流，线圈将产生磁场，吸引转子永磁体。现在如果我们一个接一个地激活每个线圈，由于永磁体和电磁体之间的力相互作用，转子将保持旋转。

为了提高电机的效率，我们可以将两个相反的线圈绕成一个线圈，这样就会产生与转子磁极相反的磁极，从而获得双倍的吸引力。

使用这种配置，我们可以在定子上生成六个磁极，只需三个线圈或相位。我们可以通过同时给两个线圈通电来进一步提高效率。这样一个线圈会吸引转子，另一个线圈会排斥转子。

为了使转子完成一个完整的 360 度循环，它需要六个步骤或间隔。

如果我们看一下电流波形，我们可以注意到，在每个间隔中，一相电流为正，一相电流为负，第三相关闭。这给出了一个想法，我们可以将三相中每一个的自由端点连接在一起，这样我们就可以在它们之间共享电流，或者使用单个电流同时为两相供电。

这是一个例子。如果我们将 A 相拉高，或者将其连接到正直流电压，使用某种开关，例如 MOSFET，然后在另一侧将 B 相接地，那么电流将从 VCC 流过A相，中性点和B相，接地。因此，我们只需要一个电流就产生了四个不同的磁极，从而导致转子移动。

通过这种配置，我们实际上有一个电机相位的星形连接，其中中性点在内部连接，相的其他三个末端从电机引出，这就是为什么无刷电机要引出三根电线。

因此，为了使转子完成完整的循环，我们只需要在 6 个间隔中的每一个中激活正确的两个 MOSFET，这就是 ESC 的真正意义所在。

ESC 或电子速度控制器通过激活适当的 MOSFET 来控制无刷电机的运动或速度，以产生旋转磁场，从而使电机旋转。频率越高或电调越过6个区间越快，电机的转速就越高。

然而，这里有一个重要的问题，那就是我们如何知道何时激活哪个阶段。答案是我们需要知道转子的位置，常用的确定转子位置的方法有两种。

第一种常用方法是使用嵌入在定子中的霍尔效应传感器，彼此等距布置为 120 或 60 度。

当转子永磁体旋转时，霍尔效应传感器感应磁场并为一个磁极生成逻辑“高”或为相反极生成逻辑“低”。根据这些信息，ESC 知道何时激活下一个换向序列或间隔。

用于确定转子位置的第二种常用方法是通过感应反电动势或反电动势。反电动势的发生是由于产生磁场的过程正好相反，或者当移动或变化的磁场通过线圈时，它会在线圈中感应出电流。

因此，当转子的运动磁场通过自由线圈或未激活的线圈时，它会在线圈中感应出电流，从而在该线圈中产生电压降。 ESC 会在这些电压降发生时捕获它们，并根据它们预测或计算下一个间隔应该何时发生。

这就是无刷直流电机和电调的基本工作原理，即使我们增加转子和定子的极数也是一样的。我们仍然会有一个三相电机，只是为了完成一个完整的周期，间隔的数量会增加。

在这里我们还可以提到 BLDC 电机可以是内转子或外转子。内转子无刷电机的永磁体位于电磁铁内，反之亦然，外转子电机的永磁体位于电磁铁外。同样，它们使用相同的工作原理，并且每个都有自己的长处或短处。

好的，这就是足够的理论，现在让我们在现实生活中演示并看看我们上面解释的内容。为此，我们将无刷电机的三相连接到示波器。我在一个点上连接了 3 个电阻以形成一个虚拟中性点，在另一侧我将它们连接到 BLDC 电机的三相。

我们可以在这里注意到的第一件事是三个正弦波。这些正弦波实际上是它们不活跃时在相位中产生的反 EFM。

我们可以看到，当我们改变电机的转速时，正弦波的频率以及它们的幅度都会发生变化。 RPM 越高，反电动势正弦波的频率和幅度就越高。然而，真正驱动电机的是这些峰值，它们是产生变化磁场的活跃相位。

我们可以注意到，在每个时间间隔，都有两个活动阶段和一个非活动阶段。例如，这里我们有 A 相和 B 相处于活动状态，而 C 相处于非活动状态。然后我们让 A 相和 C 相处于活动状态，而 B 相处于非活动状态，以此类推。

在这里，我想向 Banggood.com 致敬，感谢他们为我提供了这款示波器。这是 Rigol DS1054Z，它是其价位上最好的入门级示波器之一。它有四个输入通道，50MHz带宽，可破解到100MHz，采样率1GSa/s，相对较大的24Mpts存储深度。

显示屏为 7 英寸，非常漂亮和明亮。它具有各种数学函数、低通和高通滤波器、SPI 和 I2C 解码等等。再次感谢 Banggood.com 并确保您在他们的商店中查看此示波器。

然而，这就是无刷电机的基本工作原理。如果您想要一些更真实的实例并学习如何使用 Arduino 控制无刷电机，您应该查看本教程的第二部分。

我希望你喜欢这个教程并学到了一些新东西。随时在下面的评论部分提出任何问题，不要忘记查看我收集的 Arduino 项目。