輪子都是怎麼轉起來的？一篇文章帶你揭開電機的世界

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眾所周知，在生活和生產中，機器人能模仿人類的行為。比如巨型的機械臂機器人可以組裝汽車；掃地機器人可以依靠輪式底盤移動，通過轉動小掃把來清潔地面。

大家對機器人的這些行為已經司空見慣。要讓機器人動起來，就需要有動力源驅動它，常見的機器人驅動方式有液壓、氣動和電動三種。

液壓驅動常用於大負載的情形，氣壓驅動常用於負載小、精度要求低的場景。相比之下，電機的驅動就比較簡單、穩定性好，應用也最為廣泛，比如機械臂的關節、家用電器的驅動。

之前，蘿蔔君用視頻簡單講解了電機的工作原理，傳送門：《電機接上電就能動？超通俗講解有刷、無刷電機的驅動原理》。今天我們再深入聊聊電機。

在機器人的設計過程中，電機是一個極其重要的驅動單元，就好比人類的肌肉和關節。電機將電能轉化為機械能，為機器人的運動產生驅動轉矩（讓機器人動起來），被廣泛應用在機器人的關節驅動、輪式底盤驅動等方面。

電機有兩種供電方式，直流和交流。直流電機可以用鋰離子電池之類的直流電源供電，所以在機器人領域被廣泛應用。

根據是否帶有電刷換向器，又可以將直流電機分為有刷電機和無刷電機。

直流有刷電機

直流有刷電機的結構比較簡單，通過換向器進行換向。下圖中，電流從紅色開關流入，經過黃色的轉子線圈，從灰色開關流出。通電線圈在磁場中受安培力，開始旋轉。

當轉到平衡位置時，換向器就會和電源失去連接，但沒關係，轉子會靠慣性繼續轉動，轉過平衡位置。這時，換向器和電刷的結構會使電流方向發生逆轉，線圈產生的磁場方向也隨之改變，即完成了一次機械換向的過程。

但由於電刷和換向器長期互相摩擦，導致機械磨損，因此有刷電機噪音大、壽命短、需要定期維護。而無刷電機的出現恰好解決了這個問題。

直流無刷電機

直流無刷電機的結構稍複雜一些，它不利用機械換向，而是用電子換相。下圖是無刷電機的定子繞組圖（中間的轉子結構沒有畫出）。

圖中的黃色部分是三個線圈繞組，代表三個相，它們的一端在中心相連，另一端分別引出「A」、「B」、「C」三個端子。

如果對三個端子兩兩通電，那就有 6 種通電情況：A 正 B 負、A 正 C 負、B 正 A 負、B 正 C 負、C 正 A 負、C 正 B 負。

不管什麼組合，每一時刻都有兩個線圈有電，然後產生磁場。

如果再按照一定的次序通電，就產生了下圖的磁場：

紅箭頭表示每個線圈產生的磁場，黃箭頭表示兩個線圈合成的磁場。可以看出，無刷電機是定子繞組產生了旋轉的磁場。

那麼，轉子又在幹嘛呢？轉子是永磁體，因為異性相吸同性相斥的原理，轉子會被定子產生的磁場帶動，跟隨定子磁場的腳步一起轉起來。

而每當轉子要與定子對齊的時候，我們就換一次相，轉子就永遠都追不上定子了。想想也是一個傷感的故事。

我們把轉子的結構加上，看幾個典型的例子：

下圖從左往右分別是，三相三繞組一極對、三相六繞組二極對、三相六繞組四極對內轉子電機，繞組數就是它的定子中線圈繞組的數量，極對數就是內轉子的極對數量。

不僅有「轉子在內部」的無刷電機，還有「轉子在外部」的無刷電機。雖然轉子位置不同，但基本原理是一致的：

它的轉子在電機外殼上，電機轉動時，內部的線圈繞組不動，外殼和轉子轉動。因為一般外殼的質量比較大，所以轉子的轉速較低，電機扭力輸出大，航模用得比較多。

電機驅動器

要給它們兩兩交替著通電，不可能用雙手瘋狂地換著插電，就算你的手速跟得上電機轉速讓它順暢地轉起來，你也沒法控制轉速。這時，就需要用到電機驅動器，也稱電子調速器（Electronic Speed Control，ESC），簡稱電調。

蘿蔔君視頻版的電調講解，可以幫助理解這部分內容：《電機是如何調速的？今天我把它整個都拆開，總算整明白了》

顧名思義，電機驅動器就是驅動電機的，它通過控制 A、B、C 三端的輸入，讓電機轉起來，並且控制電機的轉速和方向。

無刷電機的轉子在勻速轉動時，各定子繞組會產生反電動勢，電機結構不同，產生的反電動勢波形也會不同，有方波反電動勢和正弦波反電動勢。

方波的通常採用方波電流驅動，正弦波的通常採用正弦波電流驅動。

方波驅動

無刷電機有 A、B、C 三相輸入埠，所以電調有三個輸出端，一個端有兩個開關，一共是六個開關，這也叫全橋驅動電路：

每次按照一定的次序同時閉合兩個開關，就可以保證 A、B、C 每次都有兩個埠連接電源的正負極：

利用開關器件來控制電機和電源的連接，就是驅動的原理。（如何控制開關，這屬於電控知識，在這不展開說。）

那如何調速呢？我們引入脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation，PWM），PWM通過調製一列方波的脈衝寬度，來改變輸出到電機的平均電壓，而平均電壓一變化，速度就變化了。

電機的驅動和調速原理就到此為止了？

方波驅動的定子線圈繞組中的電流是瞬間變化的，產生的磁場力合力的方向也是瞬間偏移 60°，所以轉子並不是平穩地轉過每一個 360°，而是像時鐘一樣，一格一格地走，這就形成了轉矩脈動。

如何抑制轉矩脈動？我們還有第二種驅動方式——正弦波驅動。

正弦波驅動

利用正弦波電流驅動可以有效降低轉矩脈動的現象。但正弦波驅動也有缺點，就是控制過程較複雜，且成本較高。想用正弦波電流來驅動電機，就要求反電動勢是正弦波。

正弦波驅動電機的方式也是全橋電路，但它的調速方式和方波驅動不同。

常見的正弦波控制方法有電壓正弦波控制（sinusoidal pulse width modulation，簡稱 spwm）、磁場定向控制（field-oriented control，簡稱 foc，也稱矢量控制，vector control）和直接轉矩控制（direct torque control，簡稱 dtc）。

foc 方式被廣泛應用，接下來我們主要介紹 foc 的控制思想。

要理解 foc 的控制思想，我們得再複習一下直流有刷電機。直流有刷電機能轉起來是因為磁場和電流互相作用產生了力（轉矩），轉矩的大小由磁場和電流決定，而定子（永磁體）產生的磁場是固定的。所以只要控制電流就可以控制轉矩量，速度也就能控制了。

而無刷電機的設計強行增加了遊戲難度。它的電流不僅產生了轉矩（稱作轉矩電流），還磁化了定子中的磁通材料併產生磁場（稱作勵磁電流）。這兩個量耦合在一起，使得整個控制系統非線性、高階、又具有強耦合性（也就是很難控制的意思）。

所以，要想控制速度，我們必須將轉矩電流和勵磁電流彼此分離，單獨控制。foc 利用了坐標旋轉變換的方式，分解了定子三相電流。將電流分解後，就可以得到勵磁電流分量和轉矩電流分量，分別控制這兩個量，就可以控制轉矩了。轉矩大了，力大了，速度就上去了。

foc 方式的轉矩脈動極小，所以轉動非常平穩，也降低了雜訊。好東西當然也有缺點，就是演算法複雜，成本高昂。坐標旋轉變換中涉及 clarke 變換和 Park 變換，各種高頻率的數學變換對微處理器的要求很高。

轉子位置的檢測

終於終於，速度能控制了，但這時候的電機就像一個蒙著眼睛跑步的人，知道自己跑快或跑慢，但假設要精確到 3 米/秒，還是做不到。

這時，我們就需要一個教練在旁邊看著，看到他跑了 2 米/秒，就讓他再跑快一點。而在電機里，我們只要檢測轉子的位置，就能清楚地得知電機的轉速，進而控制它跑快點還是跑慢點（這也叫速度閉環）。

而且，轉子的位置直接影響電子換相，電調就是通過讀取轉子的位置來決定什麼時候換相的。

如何檢測轉子位置呢？根據電調是否有感測器，分為有感檢測和無感檢測。有感檢測相對簡單，利用編碼器、霍爾感測器等感測器就可以檢測轉子的位置。

無感檢測不需要在電機內部添加感測器，成本低、應用廣，常用的有反電動勢法。

反電動勢法

轉子轉動過程中，旋轉的轉子會在定子上產生反電動勢，我們通過這個反電動勢的變化情況，也可以判斷轉子的位置。

foc 對轉子位置精度要求比較高，所以無感 foc 驅動設計也是一個難點。傳統方法有高頻信號注入法、滑模變結構控制方法、模型參考自適應方法等。隨著人工智慧的發展，神經網路、模糊控制、專家系統等智能演算法也被用來檢測轉子的位置。智能演算法的自適應能力強、魯棒性好，但目前依然處於研究階段。

總結和應用

最後，我們做一個小總結：無刷電機沒有電刷換向器結構，不需要定期維護，壽命較長。在驅動原理上，無刷電機的驅動又分為方波驅動和正弦波驅動，前者原理簡單、成本較低，後者演算法較複雜，但可以有效地抑制轉矩脈動，使電機轉動更平穩。

在實際的應用中，我們可以根據實際需求，綜合考慮各方面因素，去選擇合適的電機方案和驅動方案。

直流有刷電機成本較低，機械磨損大，可以用作機器人的輪式底盤結構；無刷電機的一大優點是換向的時候不會產生電火花，所以廣泛用於特種機器人上。

機器人的底盤和關節運動

正弦波驅動的電機轉矩脈動小，可以應用在控制精度要求高的地方，如機器人的關節驅動；方波驅動的電機控制較簡單，但相比正弦波驅動存在著轉矩脈動大、噪音大的缺點，可以應用在空中機器人的多旋翼動力系統。

想深入了解電機和電調的小夥伴可以閱讀書籍：《無刷直流電機控制系統》；作者：夏長亮；科學出版社

電子科技大學 小澤

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