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关于交流电机、直流电机、永磁同步电机(PMSM)、步进电机的分类与控制
之前也阅读过各类电机分类的文章,总是一知半解,通过这几个月的实践,我想把我对电机的理解分享给大家,特别是初学者。 电机是将电磁力转化为机械力的单元。电机种类很多,按照各自结构特点可把电机不同种类,如有刷与无刷、永磁与电磁、同步与异步、伺服与非伺服、直流与交流,按照控制方法又可以分为力矩电机、角度电机、调速电机等。 按照电机的发展历史,将其分为有刷与无刷展开叙述。有刷电机故名思意,就是通过电刷来实践转子电级换向,而电刷与转轴会产生摩擦力限制转速提高;后来无刷电机用霍尔原件代替了电刷,实现了无接触的换向,突破了有刷电机最高转速限制,降低了噪音,但同时成本也更高;对于工程上常用的电机种类可做如下划分如下: 另外要说的是,上述这只是电机的一种划分方法。如果按照有刷与无刷、永磁与电磁、同步与异步、伺服与非伺服、直流(DC电机)与交流(AC电机)分类的话会比较复杂,比如舵机,可以叫做永磁同步伺服直流角度电机(分有刷与无刷);步进电机,也可叫做无刷永磁同步非伺服直流调速电机;永磁同步电机,也可叫做无刷永磁同步直流电机(其可作为力矩、角度、调速电机使用)等等。 所有电机都是通过电路驱动的,其基本构成为:控制芯片、电机驱动器(在航模领域叫电调)、如果是伺服电机还包括电机反馈系统(编码器、电位计或电流采集模块),如下图所示: 一般来说驱动是电机厂家配好,关键在于选择合适的控制芯片,这取决于你需要的功能,如果你想实现多个电机的联动,最好是采用专业的运动控制器,否则比较麻烦,比如如果用Arduino控制多个步进电机为例,步进电机是通过频率信号驱动的,而频率信号往往通过定时器控制,但是芯片内并没有足够的定时器来实现(当然也有其他办法,单比较麻烦)。 **舵机:**将驱动、电机、减速器、电位计集成在了一起,通过PMW信号的占空比,控制舵机的角度(一般允许-90°~ 90°转动),多用于对转速与精度度要求不高的场合。舵机可以做到非常的小巧,且价格便宜,所以在模型、玩具制作重应用非常的广泛,特别的是,舵机一般为三线制(电源、接地、PWM)非常节省芯片引脚。 **步进电机:**一种开环的电机,是无刷电机的一种衍生品,两相与四相产品居多,其通过一路频率信号与一路高低电频转向信号(需要接单独的驱动器)就可以精确控制角度(在实际力矩不超许用力矩情况下),由于控制简单,没有累计误差,广泛的用于自动化领域;缺点为功率较大的步进电机体积比较大(但MEMS领域可以做的很小)、在高速运行或者启动时容易失步。另外要说的是步进电机可以通过驱动器细分,实现更加高精确与低噪的运行,但不是所有步进电机可以实现1/2以下的细分,如BYJ-48。 **直流无刷电机:**通过驱动器可直接通过PWM信号进行驱动,在不安装编码器时,此时PWM信号就是一种功率信号,占空比越高转速越快;在安装编码器时,变为一种伺服电机,通过PID反馈算法,可以精确的控制转速与角度,但占用较多的引脚与芯片资源。 **永磁同步电机:**其电机结构与直流无刷电机基本一样,但是其驱动原理不一样。永磁同步电机一般使用过SPWM信号驱动(一般为三相正弦波)。在安装编码器时,变为一种伺服电机,通过SPWM、PID、FOC等一系列算法,可以精确的扭矩、转速与角度控制。其电机响应性能、功率密度等方面都要优于直流无刷电机,而且可以做到非常的小巧轻便(1KW的功率的电机,可以握在手掌里1kg不到),其广泛应用在四轴无人机、机器人、电动汽车、高铁等领域,但是价格比较贵,没有经费真实玩不起。 对上述电机的总结如下: 本人初来乍到,第一次发文,有不当之处请大家海涵。 后面会更新一些电机控制的文章,请大家关注。 |
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