【導讀】電磁干擾(EMI)是系統(tǒng)上的電磁噪聲的輻射或感應。與大多數(shù)電磁電路組件一樣,電機是EMI的常見來源。它們是潛在的噪聲源,可以產(chǎn)生共模電流。EMI可能導致性能下降,數(shù)據(jù)損壞,或者如果足夠強可能導致系統(tǒng)完全失效。而電機就是主要的干擾源之一,在電機工作的情況下,存在輻射和傳導發(fā)射問題,干擾源分別來自磁源和電源。
1 有刷電機的工作原理
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(zhuǎn)子+電刷,通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩,從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦,在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。電機工作時,線圈和換向器旋轉(zhuǎn),磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn),線圈電流方向的交替變化是隨電機轉(zhuǎn)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(huán),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(huán)狀圓柱上的兩點,給一組線圈通電。
隨著電機轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生力量,推動電機轉(zhuǎn)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(fā)生電火花,產(chǎn)生電磁破,干擾電子設備。
2 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(zhuǎn)。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(jù)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(chǎn)生正確方向的磁力,來驅(qū)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(xiàn)一些有刷電機不能實現(xiàn)的功能,比如調(diào)整電源切換角,制動電機,使電機反轉(zhuǎn),鎖住電機,利用剎車信號,停止給電機供電?,F(xiàn)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(qū)動器組成,是一種典型的機電一體化產(chǎn)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(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組,也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。
3 有刷電機與無刷電機調(diào)速方式的區(qū)別
實際上兩種電機的控制都是調(diào)壓,只是由于無刷直流采用了電子換向,所以要有數(shù)字控制才可以實現(xiàn)了,而有刷直流是通過碳刷換向的,利用可控硅傳統(tǒng)模擬電路都可以控制,比較簡單。
1、有刷馬達調(diào)速過程是調(diào)整馬達供電電源電壓的高低。調(diào)整后的電壓電流通過整流子及電刷地轉(zhuǎn)換,改變電極產(chǎn)生的磁場強弱,達到改變轉(zhuǎn)速的目的。這一過程被稱之為變壓調(diào)速。
2、無刷馬達調(diào)速過程是馬達的供電電源的電壓不變,改變電調(diào)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(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。這一過程被稱之為變頻調(diào)速。
4 性能差別
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(fā)時間久、技術成熟
早在十九紀誕生電機的時候,產(chǎn)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(chǎn)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(fā)展緩慢。尤其是直流無刷電機一直無法投入商業(yè)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(yè)運營,就其實質(zhì)來說依然屬于交流電機范疇。
無刷電機誕生不久,人們就發(fā)明了直流有刷電機。由于直流有刷電機機構簡單,生產(chǎn)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(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能,所以一經(jīng)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(wěn),速度從零到最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(wěn),起、制動效果好
有刷電機是通過調(diào)壓調(diào)速,所以起動和制動平穩(wěn),恒速運行時也平穩(wěn)。無刷電機通常是數(shù)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(zhuǎn)速,所以無刷電機在起動和制動時運行不平穩(wěn),振動大,只有在速度恒定時才會平穩(wěn)。
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(wěn),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(chǎn)成本低,生產(chǎn)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(diào)、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(zhuǎn)時產(chǎn)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(zhuǎn)順暢
無刷電機沒有了電刷,運轉(zhuǎn)時摩擦力大大減小,運行順暢,噪音會低許多,這個優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)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。
5 無刷電機控制原理
電機驅(qū)動控制就是控制電機的轉(zhuǎn)動或者停止,以及轉(zhuǎn)動的速度。電機驅(qū)動控制部分也叫做電子調(diào)速器,簡稱電調(diào),英文electronic speed controller(ESC)。電調(diào)對應使用的電機不同,分無刷電調(diào)和有刷電調(diào)。
有刷電機的永磁體是固定不動的,線圈繞在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)速器,這個調(diào)速器說白了就是一個電機驅(qū)動,它隨時都在改變著固定線圈內(nèi)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(xù)轉(zhuǎn)動得以延續(xù)。
刷電機工作可以不需要電調(diào),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(zhuǎn)速。無刷電機工作必須要有電調(diào),否則是不能轉(zhuǎn)動的。必須通過無刷電調(diào)將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電,輸給無刷電機才能轉(zhuǎn)動。
最早的電調(diào)可不是像現(xiàn)在的電調(diào)一樣,最早全是有刷電調(diào),說道這你可能要問了,什么是有刷電調(diào),和現(xiàn)在的無刷電調(diào)有什么區(qū)別。事實上這差別呀可大了去了,有刷電調(diào)和無刷電調(diào)都是根據(jù)電機來說的,現(xiàn)在電機的轉(zhuǎn)子,就是能轉(zhuǎn)動的部分全是磁鐵塊,線圈是定子不轉(zhuǎn)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(diào)就是根據(jù)這兩種電機而命名的有刷電調(diào)和無刷電調(diào)。從專業(yè)的角度來講呢就是有刷電調(diào)就是輸出時直流電,無刷電調(diào)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“三相機”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(qū)動角不同,其他都一樣,現(xiàn)在對于三相電和直流電都了解了吧。
無刷電調(diào),輸入的是直流電,通過一個濾波電壓穩(wěn)定電壓。然后分成倆兩路,一路是電調(diào)的BEC使用,BEC是給接收機與電調(diào)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(diào)上電,單片機開始啟動,驅(qū)動MOS管震動,使電機發(fā)出滴滴滴的聲音。啟動后待命,有些電調(diào)帶有油門校準功能,在進入待命前會監(jiān)測油門位置是在高還是低還是中間,高的話進入電調(diào)行程校準,中間的話開始發(fā)出報警信號,電機會滴滴的響,低的話會進入正常工作狀態(tài)。一切準備就緒后,電調(diào)內(nèi)的單片機會根據(jù)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(qū)動方向和進角多少來驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)向。這就是無刷電調(diào)原理。在驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)的時候,電調(diào)內(nèi)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(diào)也相當于一個工廠里電機上使用的變頻器或者調(diào)速器。
電調(diào)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(qū)動電機。另外航模無刷電子調(diào)速器還有三根信號輸入線,輸入PWM信號,用于控制電機的轉(zhuǎn)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(diào)。
那么為什么在四軸飛行器上需要專門的電調(diào)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(zhuǎn)向上分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),這樣可抵消單個槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問題。每個槳的直徑很小,四個槳轉(zhuǎn)動時的離心力是分散的。不像直機的槳,只有一個能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)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(tài)變化引起的飄移,需要高反應速度的電調(diào),常規(guī)PPM電調(diào)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(diào)MCU內(nèi)置PID穩(wěn)速控制,能對常規(guī)航模提供順滑的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化。用高速專用電調(diào),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(zhuǎn)速變化,在四軸飛行時,姿態(tài)時刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊,依舊安然無恙。
EMC是電子行業(yè)的一個重要領域,具有嚴格的法規(guī),電機是EMI的重要來源。希望此文能加深廣大工程們對電機的理解,提前采取適當?shù)拇胧﹣硪种艵MI。
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