电机控制储备知识一电机驱动本质分析以及磁相关的使用场景

一：电机旋转的原因

1.电机基本认识

（1）电机是一种动力装置，能够将电能转换为动能

电机拥有体积小、动力足，控制精细灵活的特点

完整的电机系统：电机（减速器 + 传感器） + 电机驱动器（电机控制器）

2.电机的核心部件

（1）永磁体

永磁体是由永磁材料制成的，具有自身的磁场，能够产生稳定的磁力。永磁体的两个基本特点是：一是具有较高的矫顽力和剩磁，使得永磁体在磁场中具有较强的稳定性；二是具有较高的磁导率和热稳定性，使得永磁体在各种温度下都能保持较好的磁性。在充磁过程中，永磁体内部的磁性颗粒会重新排列，使得整个永磁体获得一定的磁化强度。而在退磁过程中，需要采用逆向磁场或者超过矫顽力的交变磁场来去除永磁体中的磁化强度。

（2）通电螺丝管

通电螺丝管是由通电线圈组成的，其外部的磁感线从螺线管的北极发出并回到南极。在通电螺线管内部，磁场方向是从螺线管的南极指向北极，相当于一个条形磁铁。通电螺线管中电流的方向与螺线管两端极性的关系可以用安培定则（也叫右手螺旋定则）来判定。

3.电机旋转的原因

电机旋转的原因是基于电磁学中的基本原理，主要是由于磁场与电流之间的相互作用产生的力，这种力被称为电磁力。以下是电机旋转的几个关键步骤和原理：

磁场的产生：
- 在电机中，磁场通常由定子（Stator）绕组产生的。当交流电或直流电通过定子绕组时，就会产生旋转磁场或恒定磁场。
电流的流动：
- 在直流电机中，电流通过电刷和换向器流经转子（Rotor）绕组。在交流电机中，电流直接通过定子绕组产生磁场，而转子可能是鼠笼式结构或由永磁体构成。
洛伦兹力（Lorentz Force）：
- 当电流携带导体置于磁场中时，导体会受到一个垂直于电流方向和磁场方向的力，这个力被称为洛伦兹力。洛伦兹力的公式为：F⃗=I(L⃗×B⃗)F=I(L×B) 其中，F⃗F 是力，II 是电流，L⃗L 是导体长度，B⃗B 是磁场强度。
转矩的产生：
- 洛伦兹力作用于转子导体上，产生转矩（Torque），使转子旋转。在多相电机中，多个绕组产生的磁场相互作用，合成一个旋转力矩。
旋转方向：
- 电机的旋转方向由磁场的方向和电流的方向共同决定。在直流电机中，可以通过改变电刷连接的极性或改变电流的方向来改变旋转方向。在交流电机中，旋转方向由定子磁场和转子磁场的相互作用决定。
电机类型：
- 不同类型的电机（如感应电机、同步电机、步进电机、永磁电机等）旋转的原理略有不同，但基本的电磁相互作用原理是相同的。

4.常见电机类型

直流电机（使用直流电源进行供电，包括永磁直流电机和电励磁直流电机）

直流有刷电机是一种将直流电能转换为机械能的电机

主要部分组成：

定子（Stator）：电机的固定部分，通常包含磁场线圈，用于产生磁场。
转子（Rotor）：电机的旋转部分，也称为电枢（Armature），包含缠绕的导线和产生电磁力的磁场。
电刷（Brushes）：用于将电流从电源传输到转子上的导线。电刷与换向器（Commutator）接触，随着转子的旋转，电刷在换向器上滑动，以改变电流的方向。
换向器（Commutator）：一种机械开关装置，与电刷一起工作，用于在转子旋转时改变电流的方向，从而保持转子的旋转。

工作原理 （直流有刷电机）

直流有刷电机的工作原理基于电磁感应和电磁力。当电流通过定子线圈时，产生磁场，这个磁场与转子上的磁场相互作用，产生转矩，使转子旋转。电刷和换向器的组合确保了即使在转子旋转时，电流的方向也能适时改变，从而维持转子的持续旋转。

直流有刷电机的优点包括：

结构简单：制造成本相对较低，维修和更换部件也较为方便。
控制简单：通过改变电源电压或调整内部电阻，可以容易地控制电机的速度和扭矩。
启动扭矩大：能够提供较大的启动扭矩，适合需要高启动扭矩的应用。

直流有刷电机的缺点包括：

维护需求：电刷和换向器会随着使用而磨损，需要定期维护和更换。
效率较低：由于电刷和换向器之间的摩擦和电火花，电机的效率相对较低。
电磁干扰：电刷和换向器之间的电火花可能会产生电磁干扰，影响其他电子设备。

直流无刷电机 是一种采用直流电源输入，并用逆变器变为三相交流电源的同步电机

工作原理（直流无刷电机 BLDC）

直流无刷电机的工作原理基于电子换向，通过位置传感器（如霍尔传感器）来确定转子的位置，然后电子控制器根据转子位置来驱动电机的定子绕组，从而在定子上产生旋转的磁场，驱动永磁转子转动。

优点

高效率：直流无刷电机的转换效率一般要高于交流电机，特别是在低速运转时，效率更高，这是因为直流电机的磁场利用率更高。
调速性能好：可以通过电子控制器实现无级调速，调速精度高，稳定性好。
加速性能好：具有较低的转动惯量，因此可以在短时间内达到较高的转速。
对环境友好：不产生电磁干扰，不会对周围电子设备产生干扰。
长寿命：由于没有电刷和换向器的物理接触，电机的寿命比有刷电机长。
低噪音和低振动：由于没有电刷与换向器的摩擦，运行时更安静，振动更小。
高可靠性和稳定性：适应性强，维修与保养简单。

缺点

成本高：直流无刷电机的控制电路和电子换向器成本较高，导致整体成本高于交流电机。
对控制精度要求高：由于直流无刷电机的转速和扭矩与控制信号的精度密切相关，因此需要高精度的控制系统进行控制。
维护需求：虽然比有刷电机维护需求低，但仍需定期维护，包括更换轴承等

PMSM 永磁同步电机

工作原理

永磁同步电机（PMSM）的工作原理基于电磁感应和永磁体磁场的相互作用。当三相电流通入定子的三相对称绕组中时，产生一个幅值大小不变的旋转磁动势，与转子上的永磁体磁场相互作用，产生推动电机旋转的电磁转矩，带动永磁体旋转。PMSM的最大优势是交流电能量由直流提供，可以对电机进行精确控制，同时解决了电刷带来的寿命问题。

优点

高效率：PMSM的效率通常比传统感应电机高，这是因为它避免了铜损和铁损的产生，尤其在部分负载的情况下，这种效率的优势更为明显。
节能：高效率的直接后果就是能耗的降低。在同样的工作条件下，PMSM可以实现更低的能耗，对于节能减排和运营成本的降低都有积极影响。
高功率因数：PMSM的功率因数高，且与电动机级数无关，电动机满负载时功率因数接近1，这样相比异步电动机，其电动机电流更小，相应地电动机的定子铜耗更小，效率也更高。
易于控制：PMSM易于控制，无论负载波动或电压变化如何，均可保持恒定速度，仅取决于频率。这可使运行更平稳、更可靠。
动态响应：PMSM中速度的严格同步具有出色的动态响应性能，使其成为需要精确控制的应用的理想选择。

缺点

永磁材料成本高：制造磁铁需要使用钕和镝等稀土元素，这会推高PMSM的价格，使其在成本问题尤为突出的行业中不太适合特定应用。
易退磁：PMSM在暴露于极端环境或情况（例如高温、过度振动或过载电流）时会失去磁性，从而对磁铁造成不可逆转的损坏。
控制系统要求高：PMSM的平稳运行在很大程度上取决于控制系统，而感应电机则依靠更基本的电子控制器来有效管理运行。这种复杂性的增加可能会导致更高的费用和潜在的维护困难

交流电机（使用交流电源供电，包括tongbudianji）

交流电机（AC Motor）是一种利用交流电（Alternating Current，AC）来驱动转子旋转的电机。以下是交流电机的一些基本信息：

交流电机主要分为两大类：

感应电机（Induction Motor）：
- 这是最常见的交流电机类型，也称为异步电机或鼠笼式电机。
- 转子磁场由交流通过定子线圈产生的旋转磁场感应而产生。
- 转子与旋转磁场之间存在速度差，称为滑差。
同步电机（Synchronous Motor）：
- 转子磁场与定子磁场同步旋转。
- 可以是永磁的（PMSM）或电励磁的。
- 转速与电网频率成正比，与极对数成反比。

工作原理

定子（Stator）：固定部分，包含绕组，通电后产生旋转磁场。
转子（Rotor）：旋转部分，感应电机的转子通常是一个短路的铜条（鼠笼式），而同步电机的转子可能是永磁体或带有励磁绕组的电励磁转子。

优点

结构简单：交流电机通常比直流电机结构简单，维护容易。
耐用性：由于没有电刷和换向器，交流电机的寿命更长，适用于恶劣环境。
成本效益：感应电机的成本相对较低，适合大规模生产。
高效率：在高负载下，交流电机可以达到很高的效率。
可变速：通过使用变频驱动（VFD），交流电机可以实现无级调速。

缺点

控制复杂：与直流电机相比，交流电机的速度控制和扭矩控制更为复杂。
启动扭矩：感应电机的启动扭矩通常不如直流电机高。
效率和功率因数：在轻负载下，感应电机的效率和功率因数可能不如直流电机。

舵机

舵机工作原理

舵机是一种电动执行器，主要用于控制机械系统中的位置和运动。它通常由电机、电路和反馈控制系统组成，能够实现精确的角度控制。舵机的内部结构包括外壳、舵盘、直流电机、减速齿轮组、位置反馈器和控制电路等。其工作原理是通过内部的控制电路接收PWM（脉冲宽度调制）控制脉冲，控制电机旋转，电机带动减速齿轮组，最后传动输出至舵盘，进而使舵机转动角度并保持。舵机内部的控制电路接收来自信号线的PWM控制脉冲，控制电机旋转，电机带动减速齿轮组，最后传动输出至舵盘，进而使舵机转动角度并保持。

舵机分类

舵机可以分为模拟舵机和数字舵机。模拟舵机的控制电路为纯模拟电路，需要一直发送控制信号才能转到指定位置；响应速度慢。数字舵机的控制电路加入了微控制器，只需要发送一次目标信号即可到达指定位置；有信息反馈等功能。

步进电机

步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。步进电机的旋转步距角是在电机结构的基础上等比例控制产生的，理论上是一个固定的角度。步进电机的相电流及磁场遵循安培右手螺旋定律，控制电机相电流，就能使电机定子的磁极方向发生反转，进而产生电机的旋转。

步进电机应用领域

步进电机广泛应用于多个领域，包括但不限于：

数控机床制造领域：步进电机作为数控机床的理想执行元件，用于精确控制工件的加工位置和速度。
自动化设备：如自动送料机、自动化生产线、自动化包装机、自动化搬运机器人等，步进电机可以精确控制设备的运动和位置。
电子设备：如打印机、扫描仪、数码相机等，步进电机用于控制打印头、扫描仪和相机的位置和运动。
医疗设备：如医疗机器人、手术器械等，步进电机用于精确控制机器人和手术器械的运动和位置。
汽车行业：如汽车座椅调节器、汽车空调风门控制器等，步进电机用于提高汽车的舒适性和安全性。
机器人领域：工业机器人、服务机器人等，步进电机用于精确控制机器人的运动和位置

伺服电机

伺服电机工作原理

伺服电机系统通常由三个主要部分组成：伺服电机本身、驱动器以及连接电机和驱动器的电缆。伺服电机内部包含一个或多个反馈装置（如霍尔效应传感器、编码器或旋转变压器），这些反馈装置监测转子的速率和位置。驱动器接收这些信号，并持续调整提供给电机的电流和电压，以确保精确执行编程运动。

二：磁相关的基础知识和一些简单使用场景

（1）中学上课本上学习到的指南针：一个带有磁性的小磁针始终在一个方向保持平衡

（2）地球是一个巨大的磁场

地球本身也是一个大磁铁，有一个北磁极和一个南磁极。值得注意的是，地球的磁极与地理极并不完全重合，而且它们的位置会随时间变化。

（3）电磁学中南北极的概念

在电磁学中，南北极的概念最初源自于自然界中的磁铁。磁铁具有两个磁性极点，分别称为磁北极（N极）和磁南极（S极）。这些极点的概念可以追溯到古代，当时人们注意到某些岩石（如磁铁矿）能够吸引铁，并且这些岩石的两端具有不同的磁性，即一头吸引铁的能力比另一头强。这就是磁极的起源。

磁极定义：
- 磁北极（N极）：磁铁上磁性最强的一端，它在自由旋转时指向地球的地理北极（磁南极）。
- 磁南极（S极）：磁铁上磁性最强的另一端，它在自由旋转时指向地球的地理南极（磁北极）。
磁极间的相互作用：
- 磁北极和磁南极之间存在吸引力，即异名磁极相互吸引。
- 同名磁极（即两个北极或两个南极）之间存在排斥力，即同名磁极相互排斥。
磁场线：
- 磁场线是从磁北极出发，回到磁南极的闭合曲线。在磁铁外部，磁场线从N极出发指向S极；在磁铁内部，磁场线从S极出发指向N极。
电磁学中的南北极：（1）在电磁学中，南北极的概念也适用于电磁铁和电机。当电流通过导线时，会在导线周围产生磁场，这个磁场可以被看作是由无数个小的磁南极和北极组成的。