电机基础电机的基本组成与工作原理电机分类按工作电源类型分类按结构和工作原理分类直流电机交流电机与同步电机异步电机的关系单相交流电机三相交流电机与同步电机异步电机的关系按结构形态分类按用途分类关系梳理有刷电机、无刷电机、步进电机、伺服电机、编码电机、舵机理解伺服电机和步进电机的区别编码电机、伺服电机和步进电机的关系区别伺服电机不是同步电机永磁同步电机和直流无刷电机的区别舵机电机理论基础与控制技术电机的数学模型应用场景电机控制技术电机的损耗与效率有刷直流电机与无刷直流电机结构、原理与控制有刷直流电机内部结构工作原理无刷直流电机内部结构交流电机的驱动简单版本逆变电路-直流无刷电机驱动带FOC算法电机的基本组成与工作原理任何电机都包含两个基本组成部分定子Stator和转子Rotor。定子 电机的静止部分通常由铁芯和绕组构成。绕组通入电流后产生磁场。转子 电机的旋转部分同样由铁芯和绕组或永磁体构成。转子受定子磁场的作用而旋转。电机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。通电导体在磁场中会受到力的作用电磁力利用这一原理通过合理设计定子和转子的绕组和磁场分布可以使转子持续旋转。例如直流电机利用换向器改变电流方向从而使转子始终受到一个方向的力而交流电机则利用交变电流产生的旋转磁场驱动转子旋转。电机分类按工作电源类型分类这是最基础的分类方式主要分为两大类直流电机 (DC Motor)使用直流电源工作其特点是控制简单调速性能好但需要换向器进行机械换向可靠性相对较低。根据结构又可细分为有刷直流电机包含永磁直流电机和电磁直流电机。其中电磁式直流电机按励磁方式还可分为串励、并励、他励和复励四种。永磁直流电机 使用永磁体提供磁场体积小效率高但受永磁体材料的限制。串励电机 励磁绕组与电枢绕组串联启动转矩大但速度随负载变化大。并励电机 励磁绕组与电枢绕组并联速度稳定性好但启动转矩较小。他励电机 励磁绕组由独立的直流电源供电调速性能好应用广泛。无刷直流电机 (BLDC)利用电子换向代替机械电刷效率和可靠性更高。交流电机 (AC Motor)使用交流电源工作其特点是结构简单可靠性高维护方便但调速性能相对较差。根据供电相数可分为1、单相交流电机常用于家用电器等小功率场合、单相电源场合功率较小效率较低。2、三相交流电机工业应用的主力功率较大。根据结构和工作原理交流电机可以分为异步电机感应电机 转子绕组不与外部电源连接通过电磁感应产生转子电流。异步电机是最常用的交流电机效率高维护简单。鼠笼式异步电机 转子绕组由导条和端环组成结构简单运行可靠。绕线式异步电机 转子绕组通过滑环和电刷连接到外部电阻可以改善启动性能和调速性能。同步电机 转子速度与定子旋转磁场的速度同步。同步电机通常用作大型发电机的驱动源。凸极式同步电机 转子磁极为凸出形状磁阻大。隐极式同步电机 转子磁极为圆柱形磁阻小。按结构和工作原理分类这种分类方式更深入地反映了电机的运行机制。同步电机 (Synchronous Motor)其转子转速与定子旋转磁场的转速严格同步不受负载影响。主要包括永磁同步电机使用永磁体提供励磁效率高应用广泛。磁阻同步电机利用转子磁阻不等产生转矩。磁滞同步电机利用磁滞材料产生转矩。异步电机 (Asynchronous Motor)也称感应电机其转子转速总是略低于同步转速二者存在“转差率”。主要分为感应电动机最常见包括三相异步电动机和单相异步电动机等。按转子结构还可分为笼型和绕线型。交流换向器电动机这类电机结构较特殊包含单相串励电动机、交直流两用电动机等。二者都是交流电机按工作原理的细分项目同步电机异步电机转子转速与定子旋转磁场同步略低于同步转速是否存在转差率正常运行时无有转差率典型例子永磁同步电机、电励磁同步电机三相异步电动机、单相异步电动机常见应用伺服、新能源汽车驱动、发电等工业泵、风机、压缩机等直流电机交流电机与同步电机异步电机的关系同步电机和异步电机通常都属于交流电机直流电机一般不属于同步/异步交流电机这一分类体系。电机 ├─ 直流电机按直流电源工作 │ ├─ 有刷直流电机 │ └─ 无刷直流电机 BLDC │ └─ 交流电机按交流电源工作 ├─ 同步电机转子转速定子旋转磁场转速 │ ├─ 永磁同步电机 │ ├─ 磁阻同步电机 │ └─ 磁滞同步电机等 │ └─ 异步电机/感应电机转子转速 ≠ 同步转速存在转差率 ├─ 三相异步电机 └─ 单相异步电机等直流电机与同步/异步电机的关系传统有刷直流电机靠换向器和电刷实现换向转速与交流电源频率没有直接“同步”关系因此通常不按“同步/异步”来分类。无刷直流电机 BLDC比较特殊从物理结构看它常可归入永磁同步电机的大类但在工程应用和控制方式上常单独称为“无刷直流电机”因为项目无刷直流电机BLDC永磁同步电机PMSM反电动势波形常为梯形波常为正弦波控制方式六步换向/方波控制矢量控制/正弦波控制工程称呼常单列常归同步电机所以可以说BLDC 与永磁同步电机关系很近但工程上常分开称呼。单相交流电机三相交流电机与同步电机异步电机的关系单相交流电机里既可能有异步电机也可能有同步电机三相交流电机里同样既可能有异步电机也可能有同步电机。交流电机 │ ├─【按供电相数分】 │ ├─ 单相交流电机 │ │ ├─ 单相异步电机电容起动/电容运转/罩极式等最常见 │ │ ├─ 单相同步电机磁滞同步、永磁同步等较少见 │ │ └─ 单相串励电动机/交直流两用电动机有刷换向器式 │ │ 通常不归入同步/异步感应电机 │ │ │ └─ 三相交流电机 │ ├─ 三相异步电机笼型、绕线型工业主力 │ └─ 三相同步电机永磁同步、电励磁同步、磁阻同步等 │ └─【按工作原理/转速关系分】 ├─ 同步电机转子转速定子旋转磁场同步转速 │ ├─ 可做成单相同步 │ └─ 可做成三相同步 │ └─ 异步电机/感应电机转子转速 ≠ 同步转速存在转差率 ├─ 可做成单相异步 └─ 可做成三相异步更直观的交叉表供电相数 \ 工作原理同步电机异步电机/感应电机其他类型单相交流电机单相同步电机磁滞同步、永磁同步等较少单相异步电机电容起动、电容运转、罩极式等常见单相串励/交直流两用电动机有刷换向器式三相交流电机三相同步电机永磁、电励磁、磁阻同步等三相异步电机笼型、绕线型工业最常见—常见的组合有单相异步电机如电风扇、洗衣机、冰箱压缩机等常用电容起动/电容运转电机。三相异步电机工业泵、风机、压缩机、传送带等主力电机。三相同步电机大型发电机、永磁同步驱动、部分工业直驱等。单相同步电机如磁滞同步电机用于计时机构、仪器仪表等功率通常较小不如单相异步常见。另外要注意单相交流电机还包括单相串励电动机例如吸尘器、电动工具中的“交直流两用电机”。它有电刷和换向器既不是典型同步电机也不是典型异步感应电机属于交流换向器电机这一类。按结构形态分类旋转电机绝大多数电机的形态作旋转运动。直线电机可以看作旋转电机沿径向剖开并拉平演变而来直接产生直线运动无需中间转换机构。按用途分类驱动用电动机作为动力源广泛应用于电动工具、家电、工业机械等。控制用电动机用于自动化控制系统要求高精度。主要包括步进电机将脉冲信号转换为角位移适合开环控制。伺服电机在伺服系统中控制机械元件运转精度高、响应快。关系梳理有刷电机、无刷电机、步进电机、伺服电机、编码电机、舵机理解电机 │ ├─【维度A按电源与电磁原理分类】 │ ├─ 直流电机 │ │ ├─ 有刷直流电机日常常简称“有刷电机”“直流电机” │ │ └─ 无刷直流电机 BLDC日常常简称“无刷电机” │ │ └─ 步进电机 常被归入无刷直流电机的特殊子项 │ │ │ └─ 交流电机 │ ├─ 同步电机步进电机在原理上也常被视作同步电机的一种 │ └─ 异步电机/感应电机 │ ├─【维度B按功能、控制方式或系统集成形态分类】 │ ├─ 伺服电机 │ │ ├─ 直流伺服电机内含 有刷直流伺服/无刷直流伺服 │ │ └─ 交流伺服电机内含 同步交流伺服/异步交流伺服 │ │ └─ 舵机 ≈ 一种高度集成、简化的直流伺服系统 │ │ │ ├─ 步进电机同时也是维度A中的特殊无刷直流/同步类电机 │ │ │ └─ 编码电机 │ └─ 不是一种电磁原理上的电机类型而是“电机编码器”的集成称谓 │ 底层电机通常是有刷或无刷直流电机用于实现闭环反馈 │ └─【特殊说明无刷直流电机 BLDC 与 永磁同步电机 PMSM】 两者物理结构高度接近常被视为同一大类下的不同工程化侧重 BLDC 侧重方波/梯形波驱动与六步换向PMSM 侧重正弦波驱动与矢量控制。有刷电机 / 无刷电机“有刷电机”在日常语境下通常就是指有刷直流电机但严格来说有刷/无刷描述的是“换向方式”有刷靠电刷与换向器机械换向无刷靠电子电路换向。在直流电机范围内有刷直流和无刷直流是并列的两大子类。所以“有刷电机有刷直流电机”“无刷电机无刷直流电机”是有条件的等号——在常规直流驱动场景中成立但严格术语上有刷/无刷本身不锁死电源类型。交流电机也可以有有刷结构如绕线转子异步电机。步进电机“步进电机”在分类上具有双重归属从驱动电源看它常被归入广义直流电机的特殊项无刷直流电机的一种从运行原理看它又可被视为一种脉冲控制的同步电机。所以它不是传统意义上的普通直流电机而是一种为“精确步进定位”而设计的特种控制电机。它的特殊性在于不能直接接普通直流或交流电源运行必须由专用驱动器把脉冲信号转换成各相绕组的通断顺序。因此它既是“脉冲控制的特种电机”又在物理本质上常被归为无刷直流电机或同步电机。它不是普通“直流电机”的日常指代对象。伺服电机伺服是一个系统级/功能级概念核心是“闭环反馈 精确控制位置/速度/转矩”。它既可以建在直流电机上直流伺服也可以建在交流电机上交流伺服。所以“伺服电机”不属于直流或交流中的任何单一子项而是横跨两类电源的功能大类。编码电机更准确地说它是“集成编码器的电机”的通俗叫法。编码器是反馈元件本身不决定电磁原理。市面上的编码电机底层大多是有刷或无刷直流电机加编码器是为了实现闭环控制。所以它是一个产品形态描述不是电磁分类层级上的类型。舵机舵机是一个高度集成的微型伺服系统内部通常包含直流电机、减速齿轮、控制电路和位置反馈电位器或编码器本质上是一种简化的位置伺服。它属于伺服家族的“简化版/微型版”通常归入直流伺服系统的应用形态。伺服电机和步进电机的区别对比维度步进电机伺服电机控制方式开环控制。发出脉冲指令后默认电机已执行无反馈验证。闭环控制。内置编码器实时反馈位置/速度控制器动态纠偏。精度与可靠性精度取决于步距角如1.8°存在丢步风险负载过大或加速过快时且系统自身无法察觉。精度取决于编码器分辨率可实现微米级动态补偿抗干扰强几乎不会丢步。转矩特性低速力矩大高速力矩骤降。其力矩随转速升高而快速衰减。全速域表现更优。在额定转速内可输出恒定转矩高速性能远优于步进电机并能提供间歇峰值转矩。速度响应较慢。从静止加速到工作转速通常需要200400毫秒。极快。加速性能好一般仅需几毫秒适合高频启停的场合。过载能力一般不具备过载能力。过载极易导致丢步或堵转。具备较强的过载能力可短时输出数倍额定转矩以应对冲击负载。成本与复杂度成本低系统简单无需调试。成本高系统复杂需要专业调试如PID参数整定。典型应用3D打印机、桌面CNC、简易滑台、包装机等低成本、低速度、负载稳定的场景。工业机器人、数控机床、半导体设备、多轴同步控制等高精度、高动态、变负载的场景。一个重要的中间选项闭环步进在开环步进与全伺服之间还存在闭环步进电机也称混合伺服。它在步进电机上加装了编码器能检测并修正丢步。它的定位很巧妙保留了步进电机的优点低速大扭矩、成本相对较低。弥补了核心缺陷解决了开环步进“丢步不自知”的问题可靠性提升。但天花板仍在其本质仍是步进电机高速性能和动态响应远不及真正的伺服电机不适合飞剪、同步追剪等高动态场合。因此闭环步进适合中低速、中等精度、且担心开环丢步的场景例如雕刻机、点胶机等。选择哪种电机本质上是在性能与成本/简易性之间做权衡。你可以遵循一个简单的决策路径追求极致性价比与简单控制且负载稳定、速度要求不高如 600 RPM选开环步进。需要步进的低成本又担心丢步且速度要求适中如 1500 RPM选闭环步进。要求高精度、高速度、高动态响应或负载变化大、需要复杂运动规划则应选择伺服电机。虽然前期投入高但在高性能场景下其综合效益和稳定性往往是更优解。编码电机、伺服电机和步进电机的关系区别编码电机是“带反馈的电机形态”伺服电机是“闭环控制系统中的执行电机”步进电机是“脉冲定位的电机类型”。编码电机与伺服有交集但不相等步进电机可以是开环也可以加编码器变成闭环步进但通常仍归步进类。电机 │ ├─【按电磁原理/控制方式】 │ ├─ 步进电机 │ │ ├─ 开环步进电机无编码器靠脉冲计数定位 │ │ └─ 闭环步进电机加装编码器能检测/纠正丢步 │ │ └─ 属于“带编码器的电机”但本质仍是步进电机 │ │ │ ├─ 直流电机 │ │ ├─ 有刷直流电机编码器 ┐ │ │ └─ 无刷直流电机编码器 ┴→ 常被通俗称为“编码电机” │ │ │ └─ 交流电机 │ ├─ 同步电机 │ └─ 异步电机 │ ├─【按是否集成反馈元件】 │ └─ 编码电机 │电机编码器 │ ├─ 底层可是有刷直流、无刷直流、步进等 │ └─ 不一定构成完整伺服系统取决于是否有闭环驱动器 │ └─【按系统功能/控制形态】 └─ 伺服电机系统伺服电机编码器/反馈伺服驱动器闭环控制 ├─ 直流伺服底层常有刷/无刷直流电机 └─ 交流伺服底层常为永磁同步电机或异步电机核心区别表对比维度编码电机伺服电机步进电机概念层级产品形态/构成电机编码器系统功能闭环伺服执行系统电磁原理/控制方式脉冲驱动定位电机是否一定闭环不一定。有编码器只代表“能反馈”是否闭环看驱动器是。伺服本质就是闭环控制开环步进不闭环闭环步进才带反馈反馈元件一定带编码器或类似反馈一定带反馈编码器、旋变等开环型无闭环型有编码器定位逻辑依赖控制器读取编码器实现闭环定位/稳速实时比较目标与反馈动态纠偏开环型靠脉冲计数“认为走到了”闭环型可纠错性能上限取决于底层电机和驱动器普通编码直流电机≠高性能伺服高精度、高动态、高过载、全速域性能好低速力矩大、成本低、高速力矩衰减快、动态响应较慢成本/复杂度中等取决于底层电机和编码器高需伺服驱动器与调试开环低闭环步进中等典型叫法“编码电机”“编码减速电机”“伺服电机”“交流伺服/直流伺服”“步进电机”“闭环步进”典型应用机器人轮毂、定速巡航、测速定位、小车里程计工业机器人、数控机床、半导体设备、高动态多轴同步3D打印、低成本CNC、简易滑台、点胶机等两两关系厘清① 编码电机 vs 伺服电机有交集但不等同伺服电机通常一定带编码器/反馈所以可以说“伺服电机常常是编码电机的一种系统化高级形态”。但编码电机不一定是伺服电机。比如一个普通有刷直流减速电机加一个低成本编码器只用来测速或简单定位没有伺服驱动器做完整闭环动态控制它只是“编码电机”不是完整伺服系统。关键看是否有闭环驱动器、是否构成位置/速度/转矩闭环控制。编码器只是必要条件之一不是充分条件。② 编码电机 vs 步进电机可交叉但本质不同开环步进电机通常没有编码器靠脉冲计数定位。给步进电机加编码器就变成闭环步进电机它属于“带编码器的电机”但工程上一般仍称“闭环步进”不直接叫“编码电机”或“伺服电机”。常见“编码电机”多指直流电机编码器形态步进电机是另一种电磁原理。两者底层不同。③ 伺服电机 vs 步进电机控制逻辑与性能层级不同步进电机擅长开环、低成本、低速大扭矩、简单定位。伺服电机擅长闭环、高精度、高动态、高速、变负载、过载能力强。闭环步进是两者之间的折中保留步进低速力矩和低成本增加编码器纠错但高速和动态性能仍不及真正伺服。选型上的简单判断只要简单定位、成本敏感、速度不高、负载稳定选开环步进电机。想要步进的低成本低速大扭矩又怕丢步选闭环步进电机。只需要测速、里程计或简单闭环稳速底层用直流电机即可选编码电机如有刷/无刷直流减速电机编码器。要求高精度、高动态、高速、变负载、多轴同步选伺服电机系统。注意伺服系统贵的不只是电机而是“电机编码器伺服驱动器调试”的整体。伺服电机不是同步电机伺服电机“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机在控制信号发出之前转子静止不动当控制信号发出时转子立即转动当控制信号消失时转子能即时停转。伺服电机通常包含三环PID控制由内到外依此是 电流环-速度环-位置环。在稚晖君的FOC算法介绍中也有提到伺服系统servo mechanism是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位基本上可以这样理解伺服电机接收到1个脉冲就会旋转1个脉冲对应的角度从而实现位移因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能所以伺服电机每旋转一个角度都会发出对应数量的脉冲这样和伺服电机接受的脉冲形成了呼应或者叫闭环如此一来系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机同时又收了多少脉冲回来这样就能够很精确的控制电机的转动从而实现精确的定位可以达到0.001mm。伺服电机内部的转子是永磁铁驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动同时电机自带的编码器将反馈信号传给驱动器对反馈值与目标值进行比较从而调整转子转动的角度伺服电机的精度决定于编码器的精度线数。对比维度伺服电机同步电机性质在伺服系统中控制机械元件运转的发动机是一种补助马达间接变速装置和感应电机即异步电机一样是一种常用的交流电机。特点使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位基本上可以这样理解伺服电机接收到1个脉冲就会旋转1个脉冲对应的角度从而实现位移原动机拖动转子旋转给电机输入机械能极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组相当于绕组的导体反向切割励磁磁场。特点无刷电机体积小重量轻出力大响应快速度高惯量小转动平滑力矩稳定。控制复杂容易实现智能化其电子换相方式灵活可以方波换相或正弦波换相。电机免维护效率很高运行温度低电磁辐射很小长寿命可用于各种环境。稳态运行时转子的转速和电网频率之间有不变的关系 nns60f/p其中 f 为电网频率p 为电机的极对数ns 称为同步转速。若电网的频率不变则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。应用ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人、电动汽车等领域。同步电机就是其转速与同步转速一致的电机异步电机其转速与同步转速有一定的差值。其主要用作发电机也用于大型机械如轧钢机、压缩机、鼓风机、球磨机等的驱动电机。此外也用作电网的调相机调节电网无功功率。永磁同步电机和直流无刷电机的区别主要区别现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类1方波驱动电机也即无刷直流电机BLDCBrushless Direct Current Motor2)正弦波驱动电机也即永磁同步电机PMSM permanent magnet synchronous motor。对比维度无刷直流电机永磁同步电机控制120度方波电流采用PWM控制正弦波电流采用SPWM、SVPWM控制感应反电动势波形梯形波正弦转子磁极BLDC永磁体形状呈瓦片形在气隙中产生的磁密呈梯形波分布PMSM永磁体形状呈抛物线形形成正弦磁场。定子绕组集中整距绕组所发出的电是一个线圈的感应电动势定子三相分布绕组短距分布绕组有时也采用分数槽或正弦绕组所发出的电是多个线圈的合成电动势将一个大线圈里的单个线圈或部分线圈分别放到不同的槽里从而消除谐波产生的磁动势控制反馈无刷直流电机的控制需要位置信息反馈必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。永磁同步电机控制系统常采用自控式也需要位置反馈信息可以采用矢量控制磁场定向控制或直接转矩控制的先进控制方式。概念区别无刷直流电机也是一种永磁同步电动机调速实际也属于变压变频调速范畴。无刷直流电机指的是一个系统准确地说应该叫“无刷直流电机系统”它强调的是电机和控制器的一体化设计是一个整体相互的依存度非常高电机和控制器不能独立地存在并独立工作考核的也是他们整体的技术性能交流永磁同步电机指的是一台电机强调的是电机本身就是一台独立的设备它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。设计和性能主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点考核的重点也是系统的直流电机特性如调速特性等着重电机本身的性能特别是交流电机的性能如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。特点1电枢绕组利用不充分2希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近矩形波或梯形波的磁场3通常采用霍尔器件作为电动机的转子位置传感器4控制电路比较简单5力矩脉动比较大6控制精度比较低7价格比较便宜。1电枢绕组利用好2希望转子永磁体磁极能在工作气隙内产生接近正弦波形的磁场3通常采用无接触式旋转变压器作为电动机的转子位置传感器4控制电路比较复杂5力矩脉动小6控制精度高、动态性能好7价格比较贵。场合无刷直流永磁电动机BLDCM适用于功率等级在300W以下的单一速度和稳定速度运行的场合例如计算机软盘驱动器FDD、硬盘驱动器HDD、视听设备的主轴SPINDLE驱动、激光打印机、电动自行车、汽车电机、叉车、升降机构、电动缝纫机、风机、泵等。适用于功率等级在500W以上的精密伺服控制系统例如数控机床、纺织机械、造纸机械、精密定位系统、机器人等三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢从原理上讲三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的只不过是运行性能可能很差如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗温升很高。舵机舵机是伺服电机中的一种 由直流电机加上反馈控制回路组成能够利用简单的输入信号比较精确地转动给定角度的电机系统。 一般使用PWM脉冲宽度调制来控制。 主要分成两种类型有限旋转舵机输出旋转角度和连续旋转舵机输出旋转速度。工作原理控制电路接收信号源的控制脉冲并驱动电机转动齿轮组将电机的速度成大倍数缩小并将电机的输出扭矩放大响应倍数然后输出电位器和齿轮组的末级一起转动测量舵机轴转动角度电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度若舵机转动角度和目标角度根据脉冲宽度决定一致那么电机静止保持不动否则控制舵机转动到目标角度。舵机分类1. 航模舵机航模用的舵机也包括车模船模等模型舵机外壳不适用机器人 2.机器人舵机机器人使用的舵机一般厂家生成的内部构成与航模舵机并无不同只是把外壳改为方便机器人肢体组装的样式但其实机器人舵机不应该只是外壳的区别在内部零件选择软件调整参数上也要根据机器人对舵机的需求来适配。3. 模拟舵机内部的信号处理器件是模拟芯片 控制方式 PWM信号刷新频率低 4. 数字数码舵机内部的信号处理器件是数字芯片可编程芯片控制方式 PWM信号刷新频率低但通常在负载时噪声较大电磁干扰比较严重 5. 总线串口舵机内部的信号处理器件是可编程芯片控制方式 TTLRS485等具有用户自定义调参回读角度温度电流电压等功能舵机工作原理图简述其工作原理如下1、输入的控制信号与内部的单稳电路输出的信号在脉宽比较器里进行对比。当两个信号等宽时图中脉冲1所对应的A、B、C波形后续电路、马达和相应的机械均不工作、运转控制信号正极性、单稳输出负极性且脉宽相等时相当于算式1-10。2、当输入的控制信号大于单稳脉冲宽度时图中脉冲2所对应的A、B、C波形脉宽比较器输出正电压后续电路及马达等部件开始正向工作带动反馈电位器转动电位器的阻值改变单稳脉宽也跟着改变增宽。直至单稳脉宽等于控制信号的脉宽时脉宽比较器才停止输出正电压相当于算式2-11和2-20。3、当输入的控制信号小于单稳脉冲宽度时图中脉冲3所对应的A、B、C波形脉宽比较器输出负电压后续电路及马达等部件开始反向工作。同理单稳电路输出的脉宽将变窄。当两个脉宽再次相等时马达停止转动相当于算式0-1-1和000。假设在2所述的状态下马达得正电压时是顺时针转动同时带动电位器也顺时针转动电位器阻值增大延时电路的脉宽增宽最终正负脉宽平衡后马达停转舵臂摆动并停顿在指定的位置。那么这个舵机和相应的部件构成的是一个闭合的负反馈电路处于正常工作状态。模拟舵机需要一个外部控制器遥控器的接收机或者单片机产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms脉宽从0.5ms-2.5ms分别对应-90度到90度的位置(对于180°舵机)如下图。某品牌舵机电路图电机理论基础与控制技术电机的数学模型建立电机的数学模型是理解和控制电机的重要基础。电机的数学模型可以描述电机内部电压、电流、磁链、转矩等物理量之间的关系。常用的电机数学模型包括直流电机模型 包括电枢回路电压平衡方程、转矩方程和运动方程。这些方程描述了电枢电压、电枢电流、反电动势、电磁转矩和转速之间的关系。交流异步电机模型 通常采用同步旋转坐标系下的 d-q 模型。该模型将交流电机转化为等效的直流电机简化了电机控制的复杂性。交流同步电机模型 也采用同步旋转坐标系下的 d-q 模型。模型中考虑了转子的磁极位置和磁链关系可以更精确地描述电机的动态特性。应用场景电动汽车电机大多国产新能源汽车选择采用永磁同步电机包括北汽新能源、比亚迪、小鹏汽车、哪吒汽车、威马汽车等。特斯拉就是使用交流异步电机的典型代表此外大部分新能源客车、蔚来ES8等也在使用交流异步电机。参考推文云台电机一般是永磁三相无刷电机航模电机机器人电机船舶电动舵机系统参考电机学习电机控制技术电机控制的目标是实现对电机转速、转矩和位置的精确控制。常用的电机控制方法包括直流电机控制调压调速 通过改变电枢电压来调节电机转速简单易行。励磁控制 通过改变励磁电流来调节电机转速适用于宽范围调速。脉宽调制 (PWM) 控制 通过改变 PWM 信号的占空比来调节电机电压效率高响应速度快。交流电机控制变频调速 (VFD) 通过改变电源的频率来调节电机转速应用广泛节能效果显著。矢量控制 (FOC) 通过控制电机的定子电流矢量实现对电机转矩和磁链的独立控制性能优异。直接转矩控制 (DTC) 直接控制电机的转矩和磁链响应速度快控制简单。控制大类控制策略/原理 (大脑决定怎么算)典型实现手段/调制技术 (肌肉决定怎么发波)适用电机类型直流电机控制调压调速改变电枢平均电压PWM 斩波现代主流相控整流晶闸管、线性调压已淘汰有刷直流永磁/电励磁无刷直流BLDC需配合电子换向励磁控制改变励磁磁通弱磁升速改变励磁线圈电流仅限电励磁有刷直流永磁电机无法调节交流电机控制标量控制V/F保持压频比恒定开环主要采用SPWM / SVPWM调制感应电机IM永磁同步PMSM低成本场景矢量控制FOC坐标变换解耦励磁与转矩主流采用SVPWM调制配合高频电流闭环感应电机IM永磁同步PMSM同步磁阻SynRM直接转矩控制DTC滞环比较直接控磁链和转矩Bang-Bang 滞环控制无需传统 PWM直接查表输出开关状态感应电机IM永磁同步PMSM无刷直流BLDC电机的损耗与效率了解电机的损耗组成和效率对于提高电机的效率和优化电机设计至关重要。电机的损耗主要包括铜损 由绕组的电阻引起的损耗与电流的平方成正比。铁损 由铁芯的磁滞和涡流引起的损耗与频率和磁通密度的平方成正比。机械损耗 由轴承摩擦和风阻引起的损耗与转速成正比。附加损耗 由谐波电流、齿槽效应等因素引起的损耗。电机的效率定义为输出功率与输入功率之比。提高电机效率的方法包括采用高导磁材料优化绕组设计减小气隙提高绝缘性能以及采用节能控制方法等。有刷直流电机与无刷直流电机结构、原理与控制有刷直流电机内部结构从结构上看直流电机主要有以下四个部分定子Stator定子是电机的静止部分通常由永磁体如铁氧体或电磁绕组构成用于产生固定的磁场转子Rotor也称电枢转子是电机的旋转部分由铁芯和绕在铁芯上的线圈电枢绕组组成。当电流通过这些线圈时会产生电磁场。与定子中间存在气隙换向器Commutator换向器是一个安装在转子轴上的圆筒形部件由多个相互绝缘的铜片组成。它的作用是随着转子转动周期性地改变电枢绕组中的电流方向电刷Brushes电刷通常由碳或石墨制成固定在电机外壳上与换向器表面滑动接触。它将外部电源的直流电导入旋转的电枢绕组中。工作原理有刷直流电机的工作基于电磁感应和洛伦兹力的物理原理也就是通电导体再磁场中受力从而获得旋转。具体原理是①当直流电源通过电刷接入换向器时电流流入转子上的电枢绕组②载流导体转子线圈置于定子产生的恒定磁场中受到洛伦兹力的作用(如下图所示受力)从而产生转矩驱动转子旋转。旋转半圈以后通过换向器改变电流方向因此当线圈旋转后受力方向向下可以使得转子继续向同一方向旋转这样定子就可以持续旋转。因此通过改变电流的方向可以实现直流电动机的正反转。同时通过改变电流的大小还可以控制直流电动机的转速。有刷直流电机通常只有两根线。一边接正极、一边接负极就正转把正负极对调就反转。所以大家会说“一根电源、一根 GND其实是正负极就能正反转”。电机本身可以换向控制电路不一定只有两根线。手动对调正负极就能反转。如果要用单片机/遥控自动正反转电机端仍是两根线但前面要加H桥如L298N、TB6612、DRV8833或继电器换向。控制器这边还会有方向、PWM等信号线。为何需要换向器换向器也叫整流子是直流电机电枢上重要部件其主要作用就是让电机持续转动。换向器由一组固定在旋转机器或转子圆周部分周围的铜片和一组固定在机器固定框架上的弹簧刷组成。如上我们提到直流电机旋转工作原理中换向器的作用如果当转子旋转到线圈平面与磁场垂直时即“中性面”也就是有刷电机转子转半圈如果不改变电流方向洛伦兹力的方向就会反向导致作用在同一根导线上的转矩反向转子就会往回转电机转不动或只会抖无法持续单向旋转。换向器和电刷的作用是转子转到一定角度时自动把绕组里的电流倒一下让转矩始终朝同一个方向。这是电机内部的机械换流转起来就一直在做和你要正转还是反转无关。没有它直流电机转不起来。有刷直流减速电机普通的有刷直流电机通常转速高、力矩小。一般在力矩需求大、转速小的场景都会用到减速箱与电机配合使用。无刷直流电机无刷直流电机Brushless DC Motor简称 BLDC是现代电机技术中的重要代表。它去掉了传统有刷电机中的电刷和换向器通过电子方式控制电流换向因此具有高效率、长寿命、低噪声、高可靠性等优点广泛应用于无人机、电动工具、电动汽车、空调风扇、硬盘驱动器等领域。内部结构与有刷直流电机不同的是磁铁都集中在转子上绕组线圈在定子上面结构主要分为以下几个部分定子Stator定子是固定不动的部分由铁芯和嵌在槽中的多组线圈绕组组成。常见的是三相绕组每组由多个线圈串联或并联而成空间上彼此相差120°电角度。BLDC定子如下图转子Rotor通常由永磁体如钕铁硼制成表面有多个磁极根据应用极数可以在2到8个之间变化北极N和南极S交替放置如下图BLDC转子所示几种布置方式。无刷直流电机没有电刷因此转子上没有任何电线或换向器结构上较为简单。a磁体放置在转子的外周上b电磁嵌入式转子其中矩形永磁体嵌入转子的铁心中c将磁体插入转子的铁芯中电子换向系统电机开关电路 位置传感器这是无刷电机的大脑由于BLDC电机中没有电刷因此换向是电子控制的。为了使电机旋转必须顺序地给定子绕组通电并且必须知道转子的位置即转子的北极和南极才能精确地给一组特定的定子绕组通电这里转子位置传感器就起到了检测转子位置的作用。转子位置传感器一般用霍尔传感器这是一种非接触式的传感器通过检测通过霍尔元件附近的磁场强度变化来生成电信号。大多数BLDC电机使用三个霍尔传感器这些传感器嵌入到定子中转子处在南极或北极会使得霍尔传感器输出高或低的电信号利用这三个传感器检测到的电信号即可明确转子的位置信息。电子开关电路驱动电路一般是由6个MOSFET组成的三相桥式电路这 6 个 MOS 管分为两组三个高边 MOS 连接电源正极VBus三个低边 MOS 连接电源负极。通过控制 MOS 管通断实现电流在电机绕组中分配推动电机运转。然后控制器通过控制 6 个 MOS 管通断实现 BLDC 换相调节电机转速、转向以此来满足不同应用需求如电动汽车的加减速与能量回收。电机运转中若堵转引发过流MOS 驱动电路能检测并切断电路保护控制器和电机确保系统运行。直流无刷电机驱动电路如下交流电机的驱动简单版本逆变电路-直流无刷电机驱动带FOC算法Field oriented control (FOC) 算法的主要任务是基于用户定义的电压uq通过连续读取电机转子位置a计算出适当的相电压ua,ub和uc。 FOC算法在电机转子中产生磁场的相位电压该磁场正好在转子的永磁体的磁场后面90度创造了一个推动效应。FOC工作流程参考深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术