電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

近三十年來針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。

無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性，同時(shí)也是頻率變化的裝置，所以又名直流變頻，國(guó)際通用名詞為BLDC。無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，所以值得業(yè)界關(guān)注。

無刷電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展時(shí)間雖短，但是隨著技術(shù)的日益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動(dòng)車等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長(zhǎng)沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機(jī)、長(zhǎng)沙科達(dá)等一批專業(yè)廠商，在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。近幾年來，無刷電機(jī)成為在模型領(lǐng)域里快速發(fā)展的一種動(dòng)力。由于產(chǎn)量和價(jià)格的原因，過去幾年無刷電機(jī)多使用在中高檔航空模型中，現(xiàn)在由于機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，無刷電機(jī)的生產(chǎn)成本下降許多，目前它正進(jìn)入模型領(lǐng)域的各個(gè)層面，從電動(dòng)遙控車到電動(dòng)遙控船再到電動(dòng)模型飛機(jī)，無處不在。

無刷直流電機(jī)分析

無刷直流電機(jī)通常采用雙閉環(huán)調(diào)速的速度控制方法。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由外環(huán)的速度環(huán)和內(nèi)環(huán)的電流環(huán)構(gòu)成。該控制系統(tǒng)中，主要以雙閉環(huán)PI控制技術(shù)為典型，但由于無刷直流電機(jī)的時(shí)變性、非線性和滯后性等特點(diǎn)，經(jīng)典PID控制對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的情況適應(yīng)性較差，因此不能使電機(jī)控制達(dá)到理想效果。經(jīng)典PID控制器中，參數(shù)整定方法主要是試湊法，參數(shù)整定過程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，需要設(shè)計(jì)人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)。為改善經(jīng)典PID控制效果，增強(qiáng)電機(jī)穩(wěn)定性和快速性，本文對(duì)無刷直流電機(jī)速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊控制的思想與經(jīng)典PID相融合，實(shí)現(xiàn)智能化控制。通過增加輸入和輸出隸屬度函數(shù)的個(gè)數(shù)，從而提高電機(jī)的控制性能。自適應(yīng)模糊PID控制算法中，KP（比例系數(shù)）、KI（積分系數(shù)）、KD（微分系數(shù)）各自使用獨(dú)立的一套規(guī)則，以適應(yīng)實(shí)際工作中各種情況的變化。

無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

合適的數(shù)學(xué)模型既要使結(jié)果符合需求，又要求能夠掌握模型的實(shí)質(zhì)，使得應(yīng)用計(jì)算更加簡(jiǎn)單，分析無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，則首先它是要進(jìn)行定量分析，且基礎(chǔ)是要對(duì)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是電壓方程（輸入為電壓）和轉(zhuǎn)矩方程組成的，因此舉兩極三相無刷直流電機(jī)的例子，采用“Y”形的集中整距繞組作為定子繞組，使用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，空間中，每隔120°均放置一個(gè)霍爾傳感器。除此之外，為了簡(jiǎn)化分析過程，需要約定以下條件：

① 不考慮磁滯損耗和渦流損耗；

② 電機(jī)電樞的反應(yīng)不計(jì)；

③ 忽略電機(jī)內(nèi)部齒槽間效應(yīng)；

④ 逆變電路中的續(xù)流二極管和MOSFET均有完美的開關(guān)特性。

以上條件在實(shí)際應(yīng)用中，可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗麄儗?duì)整體分析的結(jié)果影響不大，反之，若沒有以上約定條件，在分析電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)此關(guān)系上，就變得十分復(fù)雜，而且有些情況根本無法得出解析解。通過上述分析可得，如圖1和圖2所示，為無刷直流電機(jī)外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)部繞組的等效電路。

磁鏈大小取決于永磁體分布的磁場(chǎng)情況，而磁場(chǎng)的徑向分量的分布是沿著定子內(nèi)徑表面以梯形形狀。如圖3中a、b所示，為繞組永磁磁通示意圖。

圖3a表示的是外轉(zhuǎn)子磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布情況。假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度向外的方向?yàn)檎较?，而由圖3b中可知，在0°時(shí)正反方向交界處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0，隨著線性關(guān)系的增加，在X點(diǎn)處強(qiáng)度最大，之后進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)且在Y點(diǎn)時(shí)下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)180°時(shí)強(qiáng)度為0，隨后負(fù)向增大，到Z點(diǎn)最大，隨之維持恒定，最終到達(dá)W點(diǎn)降低到0。不同的電機(jī)，其A所處的位置是不同的。倘若X與0°位置接近，則線越陡，這樣“梯形波”就變成了“方波”。

無刷直流電機(jī)電流脈動(dòng)分析

由于電機(jī)內(nèi)部存在繞組電感，使得電機(jī)換相的過程中電流變化被限制，從而導(dǎo)致定子電流的波形不是理想的矩形波。并且，每個(gè)相之間的換流過程存在時(shí)間上的延誤，造成換向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。與此同時(shí)，沒有進(jìn)行換向的那一相，其相電流會(huì)出現(xiàn)很大的電壓降。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和直流電源的大小決定了電機(jī)定子繞組參數(shù)和換流相上電流的升降時(shí)間。要使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不發(fā)生，通過換流時(shí)間的掌握是可以達(dá)到的，另外除了換流過程中的兩相，未經(jīng)換流的這一相在此過程中，電流波形的頂端存在可以引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的波谷。下面以電機(jī)AB相換AC相為例分析。

逆變橋電流自正極流出，經(jīng)A相和B相后，回到負(fù)極，此時(shí)該回路電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)A相電流為I，則B相電流為-I，C相電流為0。隨著MOS管開關(guān)改變，從而進(jìn)行換向工作，在此換向過程中，B相的電流不會(huì)直接為0，為換向過程中B相續(xù)流。由于負(fù)極端電位強(qiáng)制為零，二極管有一個(gè)正向壓降，所以電流會(huì)通過與電機(jī)B相下橋臂MOS管并聯(lián)的續(xù)流二極管、C相下橋臂MOS管、B相和C相的電阻和繞組構(gòu)成的續(xù)流回路。為換向后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的A相和C相電流導(dǎo)通圖，此時(shí)A相電流為I，則B相電流為0，C相電流為-I。其他換向過程分析同理。為了消除低速時(shí)的電流脈動(dòng)，通常采用移向法，即控制MOS管的開關(guān)時(shí)間來消除此脈動(dòng)。

無刷直流電機(jī)相關(guān)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

無刷直流電機(jī)速度控制原理

無刷直流電機(jī)（Brushless DC Motor，BLDCM）分為梯形波和方波兩種，該類電機(jī)具有串勵(lì)直流電機(jī)啟動(dòng)特性和并勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速特性。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)和外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)。本設(shè)計(jì)中選擇三相六繞組四極對(duì)數(shù)外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)，外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來中心位置的磁鋼做成一片片并貼到了外殼上，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，中間的定子不動(dòng)只有外殼在轉(zhuǎn)，它和內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)是有區(qū)別的。

因轉(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上，外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)比內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大很多，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速慢。轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)通常kV值在幾百到幾千之間，可以直接裝在車模上驅(qū)動(dòng)車體移動(dòng)，不需要機(jī)械減速裝置。無刷電機(jī)kV值是輸入電壓每增加1伏特是電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值，簡(jiǎn)寫為/V。例如，在11伏的電壓下且外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的標(biāo)稱值為1000kV時(shí)，其最大空載轉(zhuǎn)速為11rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）。為外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖中所示電機(jī)是與本設(shè)計(jì)中無刷直流輪轂電機(jī)原理相同的一款小型外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)。

由此可知，外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)繞組繞法如圖9所示，其中圓心處三根線是互相絕緣的。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)要根據(jù)在電機(jī)內(nèi)部不同位置上安裝的三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，然后遵循一定的通電換向順序，使無刷直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

圖9 外轉(zhuǎn)子繞組方式

無刷直流電機(jī)的速度控制系統(tǒng)的控制方法可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。常用的控制方法一般為雙閉環(huán)調(diào)速，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)（轉(zhuǎn)矩環(huán)），外環(huán)為速度環(huán)（電壓環(huán)）。目前大部分無刷直流電機(jī)通常使用開關(guān)方式驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，利用PWM脈寬調(diào)制從而控制電樞電壓。微控制器輸出PWM脈沖，將PWM的占空比設(shè)置小，會(huì)減小電樞電壓，反之將占空比設(shè)置大，則會(huì)增大電樞電壓。從MCU中輸出的脈沖，由于帶載能力有限，所以需通過特定的驅(qū)動(dòng)芯片、驅(qū)動(dòng)電路，以此可驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)等動(dòng)作。

輸入輸出電壓波形和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式的原理如圖10所示。

圖10左圖中，為MOSFET 的柵極脈沖輸入：為“1”時(shí)，導(dǎo)通，電機(jī)的電樞上則有來自電源的電壓；時(shí)間后，為“0”，截止，電樞電壓為0。時(shí)間后，又為“1”，循環(huán)之前的過程。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

盡管不同的電機(jī)繞組和磁極的數(shù)量、種類有所不同，但是直流無刷電機(jī)控制角度的通電順序都是相同的。無論電機(jī)是外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子工作都需要遵循AB→AC→BC→BA→CA→CB的順序進(jìn)行通電換相。若讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，則可以按倒過來的次序通電。如圖11所示，為無刷直流電機(jī)逆變電路。

圖11中，Q1到Q6均為功率場(chǎng)效應(yīng)管。打開Q1與Q4并使得其他場(chǎng)效應(yīng)管為截止態(tài)，此時(shí)電流流過POWER→Q1→線圈A→繞組B→Q4→CURRENT ，最終實(shí)現(xiàn)AB的導(dǎo)通，其中POWER為24V。場(chǎng)效應(yīng)管依次按照Q1Q4，Q1Q2，Q3Q2，Q3Q6，Q5Q6，Q5Q4的順序打開，對(duì)應(yīng)著相位AB，AC，BC，BA，CA，CB的導(dǎo)通。每個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管旁，都有一個(gè)二極管，該二極管是線圈由于自身電感的作用產(chǎn)生極高的瞬時(shí)反電動(dòng)勢(shì)（U=L·di/dt）而擊穿元器件。本設(shè)計(jì)中所選的功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF540S內(nèi)部集成這這個(gè)二極管。從而對(duì)設(shè)計(jì)PCB節(jié)省了空間并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功率場(chǎng)效應(yīng)管選擇IRF540S，最高耐壓100V，最大電流23A，源極與漏極間導(dǎo)通電阻小于，柵源電壓為±20V。

假設(shè)圖4中Q1和Q4導(dǎo)通則需要AB相通電。由于場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻為毫歐級(jí)，其壓降一般忽略不計(jì)，因此A點(diǎn)的電位近似為24V，B點(diǎn)為0V。A點(diǎn)的電位決定了Q4是否能導(dǎo)通，依靠控制器I/O口的輸出就可以滿足Q4導(dǎo)通時(shí)需要的大于4V的柵極電壓。Q1的柵極電壓至少為24+4=28V的時(shí)候才可以導(dǎo)通，28V的電壓已超過了電源提供的電壓，因此只依賴單片機(jī)與三極管搭建的電路是無法實(shí)現(xiàn)的。所以采用IR2136驅(qū)動(dòng)該橋式電路和自舉電路，驅(qū)動(dòng)電路和自舉電路如圖5所示。IR2136電源電壓為10-20V，電流峰值200mA，內(nèi)置400ns的死區(qū)時(shí)間，以防止同一橋臂上下兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路采用6個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)管，并配以自舉升壓電路。

位置檢測(cè)模塊

無刷直流電機(jī)是一種由凸極磁鐵轉(zhuǎn)子或永磁和電樞（定子）繞組組成的電機(jī)。通過由譯碼器及轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的直流電源給定繞組和止開關(guān)期間供電。電機(jī)的直流側(cè)電壓大小與轉(zhuǎn)速在沒有調(diào)節(jié)器的情況下成正比例關(guān)系，即無刷直流電機(jī)與異步電機(jī)和直流電機(jī)的區(qū)別是定子上不存在永磁體，磁勢(shì)由電流進(jìn)入點(diǎn)數(shù)繞組后產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子是永磁體不用感應(yīng)線圈和勵(lì)磁電流，與直流電機(jī)的機(jī)械換向方式不同，無刷直流電機(jī)采用電子換向方式，由霍爾傳感器輸出換向點(diǎn)的信號(hào)。

由霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生變換的磁場(chǎng)，三個(gè)霍爾傳感器貼在定子繞組上，通過它輸出磁場(chǎng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)，由霍爾傳感器輸出的信號(hào)被電機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)，以此判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，檢測(cè)精度為每60°電角度信號(hào)輸出變化一次，也就是說轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)60°電角度，定子電流需要進(jìn)行一次換相，一個(gè)周期內(nèi)需要進(jìn)行六次換相。為此，本文使用三路霍爾信號(hào)組成的六種（除去000和111狀態(tài)）不同狀態(tài)表示位置傳感器的信號(hào)，以表示轉(zhuǎn)子在360°電角度范圍內(nèi)的六個(gè)不同位置。圖12為霍爾信號(hào)與IGBT導(dǎo)通時(shí)序圖。

圖12 霍爾信號(hào)與IGBT導(dǎo)通時(shí)序圖

圖13所示為霍爾傳感器電路。由于STM32芯片中“1”電平對(duì)應(yīng)的電壓為3.3V，所以此處通過分壓電阻R24、R2、R26使得輸入STM32芯片的三個(gè)I/O口HALL_A、HALL_B、HALL_C分別為3.3V。無刷直流電機(jī)的三路霍爾信號(hào)其分別與STM32的3個(gè)I/O 口 PD2、PD1、PD0相連，STM32會(huì)通過這三路霍爾信號(hào)，對(duì)相應(yīng)的PWM脈沖時(shí)序在軟件程序中進(jìn)行設(shè)置。

通常情況下霍爾傳感器有五根線，分別為電源線、地線、A相位置線、B相位置線和C相位置線?；魻杺鞲衅饔芯€性和開關(guān)型兩種，在作為位置傳感器所用的類型為開關(guān)型。如圖14所示，為霍爾IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它和放大電路集成在一起，輸出為集電極開路，所以在使用時(shí)必須外接上拉電阻，霍爾元件由+5V電源供電。位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)濾波后分別輸入到 STM32的脈沖捕捉單元三個(gè)引腳HALL_A、HALL_B和HALL_C上。當(dāng)檢測(cè)到三個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)發(fā)生上升沿與下降沿電平跳變時(shí)，便為無刷直流電機(jī)的換相時(shí)刻，此時(shí)將脈沖捕捉口設(shè)置成普通的 I/O口，然后讀這三個(gè)引腳HALL_A、HALL_B和HALL_C組成的電平邏輯狀態(tài)，便可以得到轉(zhuǎn)子所處的位置。

外圍電路保護(hù)模塊

為了防止系統(tǒng)工作工程中電壓、電流的過大波動(dòng)造成工作不穩(wěn)定，針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了過壓、欠壓保護(hù)電路和過流保護(hù)電路。電壓過低或過高及電流過低都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)工作異常，甚至損壞逆變器，因此保護(hù)電路對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行必不可少。

（1）過壓、欠壓保護(hù)電路

如果電路突然出現(xiàn)故障或短路，電源電壓會(huì)突然下降，甚至可能變?yōu)榱?，這樣會(huì)使驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)受到不同程度的破壞。因此設(shè)計(jì)欠壓、過壓保護(hù)電路可以有效的防止此類問題發(fā)生，其電路圖如圖15所示。STM32 I/O口最高耐壓3.6V，采樣范圍在0-3.3V之間，所以，加有分壓電阻，間接的得到電機(jī)電樞上的實(shí)際電壓值，然后通過LM358運(yùn)算放大器將采樣電壓送到STM32的PA0端口處，進(jìn)行電壓采樣。圖中Rl=R3=2k，這兩個(gè)電阻將電壓分壓后送到LM358中，這樣經(jīng)過分壓后的電壓保持在0.98V~1.63V范圍之內(nèi)，電機(jī)工作正常。當(dāng)電源電壓過高，PA0端口處的采樣信號(hào)會(huì)送達(dá)STM32中，從而停止輸出PWM波，這樣可以起到保護(hù)電路板和電機(jī)作用。當(dāng)PA0端口采樣到的電壓低于0.98V或高于1.63V，停止電機(jī)工作。

圖15 欠壓、過壓保護(hù)電路

（2）過流保護(hù)

無刷直流電機(jī)在空載狀態(tài)下高速轉(zhuǎn)動(dòng)和有負(fù)載的情況下低速轉(zhuǎn)動(dòng)，電流會(huì)超過額定值的1.5倍以上，因此需要過流保護(hù)電路來防止驅(qū)動(dòng)電路板和電機(jī)因電流過大而燒壞。設(shè)計(jì)過程中，為了防止過流現(xiàn)象，需要實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)電流，如果發(fā)生過流，就立刻通過程序?qū)WM占空比降低，以此減小電流。

圖16 過流保護(hù)電路

如圖16所示過流保護(hù)電路，采樣電阻50毫歐。R4一端接地，電壓送到LM358中并與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，如果低于參考值，LM358輸出低電平，PWM占空比就會(huì)根據(jù)運(yùn)算放大器LM358采樣的速度電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。如果電壓大于參考值，LM358的輸出為高電平，從而，通過程序就能對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)整，完成過流保護(hù)功能。

無刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）無電刷、低干擾

無刷電機(jī)去除了電刷，最直接的變化就是沒有了有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電火花，這樣就極大減少了電火花對(duì)遙控?zé)o線電設(shè)備的干擾。

（2）噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢

無刷電機(jī)沒有了電刷，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力大大減小，運(yùn)行順暢，噪音會(huì)低許多，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于模型運(yùn)行穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的支持。

（3）壽命長(zhǎng)，低維護(hù)成本

少了電刷，無刷電機(jī)的磨損主要是在軸承上了，從機(jī)械角度看，無刷電機(jī)幾乎是一種免維護(hù)的電動(dòng)機(jī)了，必要的時(shí)候，只需做一些除塵維護(hù)即可。上下一比較，就知道無刷電機(jī)相對(duì)于有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在哪里了，但是萬事都不是絕對(duì)的，有刷電機(jī)低速扭力性能優(yōu)異、轉(zhuǎn)矩大等性能特點(diǎn)是無刷電機(jī)不可替代的，不過就無刷電機(jī)的使用方便性來看，隨著無刷控制器的成本下降趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外無刷技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，無刷動(dòng)力系統(tǒng)正在高速的發(fā)展與普及階段，這也極大促進(jìn)了模型運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

無刷電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景

1、廚房用具

廚房中隨處可見電器的蹤影，比如攪拌機(jī)、榨汁機(jī)、咖啡機(jī)、打蛋器、電飯煲、食品加工機(jī)、谷物研磨機(jī)、立式攪拌機(jī)、碎肉機(jī)、電動(dòng)切割刀等，無刷電機(jī)是這些廚房電器的動(dòng)力核心。

2、白色家電

白色家電是指可以替代人們家務(wù)勞動(dòng)的電器產(chǎn)品。其包括能減少人們的家務(wù)壓力的洗衣機(jī)洗碗機(jī)，以及改善生活質(zhì)量的空調(diào)冰箱。而空調(diào)，冰箱，微波爐散熱扇，吸油煙機(jī)，洗碗機(jī)，洗衣機(jī)熱水泵等內(nèi)部都有無刷電機(jī)。

3、智能家居

在使用家居設(shè)備的時(shí)候，也可以運(yùn)用到直流無刷電機(jī)。比如使用排氣扇，電暖器等等。還有循環(huán)風(fēng)扇，增濕器，抽濕器，空氣清新器，冷風(fēng)機(jī)，皂液器，烘手機(jī)，智能門鎖，電動(dòng)門，窗簾等。這些智能家居產(chǎn)品在品質(zhì)上是有一定保證的。地板也是家庭清潔的主要場(chǎng)所和對(duì)象，各種電動(dòng)地板清潔產(chǎn)品也在不斷增加，如：地毯清潔機(jī)、電動(dòng)吸塵器、手持式吸塵器、地板打磨機(jī)等。

掃地機(jī)器人

家居智能化正在逐步成為一個(gè)時(shí)代的趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)的硅基動(dòng)力也正致力于改進(jìn)智能家具的無刷電機(jī)技術(shù)以及整套微動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。其主要研發(fā)領(lǐng)域涵蓋了風(fēng)扇類、地板清潔類、空氣改良類智能家具。

4、電機(jī)數(shù)碼領(lǐng)域

電子數(shù)碼領(lǐng)域是無刷電機(jī)普及最為廣泛、數(shù)量最大的領(lǐng)域，比如我們生活中常見的打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、磁帶記錄儀等等，在它們的主軸和附屬運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)控制中，都要有無刷電機(jī)從中協(xié)助。

5、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域

在國(guó)內(nèi)，手術(shù)中使用的高速離心機(jī)、熱像儀等都使用了無刷電機(jī)。

6、汽車領(lǐng)域

一輛普通的家用轎車需要永磁電機(jī)20~30個(gè)，除了核心的發(fā)動(dòng)機(jī)之外，像雨刷器、汽車空調(diào)、電動(dòng)車窗等都有電機(jī)的身影，隨著現(xiàn)在技術(shù)的越來越成熟，相信汽車領(lǐng)域以后運(yùn)用到的無刷電機(jī)將會(huì)越來越多。

EMC設(shè)計(jì)

電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，即能保持完成規(guī)定功能的能力。EMC設(shè)計(jì)的目的是使系統(tǒng)既不受外部電磁干擾的影響，也不對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

電子干擾三要素

電磁干擾是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。一般來說，產(chǎn)生電磁干擾需要同時(shí)具備三個(gè)條件。

（1）電磁干擾源：產(chǎn)生電磁干擾的任何元器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

（2）耦合途徑（或稱耦合通道）：能夠?qū)㈦姶鸥蓴_能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通路或媒介。

（3）敏感設(shè)備：如果有電磁能量從干擾源發(fā)射出來的時(shí)候，周圍的生物會(huì)受到一定的傷害，以及會(huì)發(fā)生電磁危害從而導(dǎo)致性能降級(jí)或失效的元器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。

以上三個(gè)條件稱為電磁干擾三要素，若要產(chǎn)生電磁干擾，這三個(gè)要素必須同時(shí)具備；反之若消除三個(gè)要素中的任何一個(gè)，電磁干擾的問題就不復(fù)存在了。

電磁兼容控制技術(shù)

通過前面介紹的電磁干擾三要素可知，電磁兼容性設(shè)計(jì)，其核心就是對(duì)電磁干擾進(jìn)行有效的消除或抑制。

電磁兼容技術(shù)即EMC技術(shù)，通過整體“對(duì)抗”、整體“疏導(dǎo)”和主動(dòng)防御相結(jié)合對(duì)控制過程中的干擾現(xiàn)象進(jìn)行策略性的消除。在經(jīng)歷過大自然各種災(zāi)害中總結(jié)而來的一系列策略，用到控制電磁危害中也十分有效。通常，該控制技術(shù)的方案策略主要有時(shí)間分隔、空間分隔、電器隔離、頻率管理和傳輸通道抑制這五大類。其中時(shí)間分隔又細(xì)分為雷達(dá)脈沖同步、被動(dòng)時(shí)間分隔、主動(dòng)時(shí)間分隔和時(shí)間共用準(zhǔn)則；空間分隔細(xì)分為自然地形隔離、地點(diǎn)位置控制、電場(chǎng)矢量方向控制、方位角控制；電器隔離分為光電隔離、變壓器隔離、DC/DC變換、繼電器隔離；頻率管理主要有濾波、頻率管制、光電傳輸、數(shù)字傳輸、頻率調(diào)制；傳輸通道抑制包括搭接、接地、濾波、布線、屏蔽。傳統(tǒng)的抑制傳輸通道的主要方法有濾波、接地、布線等幾種。

（1）接地技術(shù)。該技術(shù)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)考慮問題，通常，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)接地時(shí)，主要有以下目的。

1）防止外界電磁場(chǎng)的干擾。

2）使整個(gè)系統(tǒng)的電路有一個(gè)統(tǒng)一的零電勢(shì)參考點(diǎn)，確保電路可以穩(wěn)定的工作。為了使電路的屏蔽體達(dá)到良好的屏蔽效果，應(yīng)選擇正確合適的接地。

3）保證安全工作。可避免電子設(shè)備在發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)的損壞；可避免因絕緣不良或其他原因直接與機(jī)殼相通，使工頻交流源的輸入電壓造成操作人員的觸電事故的發(fā)生。當(dāng)機(jī)殼帶有110V或者220V電壓時(shí)，由于醫(yī)療設(shè)備與人體直接相連會(huì)引起致命的危險(xiǎn)發(fā)生。

抑制噪聲和防止干擾的主要方法就是接地，它就是一個(gè)等電位點(diǎn)或者等電位面。地不單單只是指大地，其也是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。電氣設(shè)備的外殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件與大地相連接可以有效地防止因雷擊造成的損壞，并保證了工作人員的人身安全。接地的電阻不能夠超過規(guī)定值，一般都很小。

（2）布線技術(shù)。電磁兼容性設(shè)計(jì)在PCB（即印制電路板）的好壞上有著舉足輕重的地位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的固有成分中包含PCB的設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)PCB過程中，將電磁兼容性增強(qiáng)，不僅不會(huì)給最終產(chǎn)品成本提高，而且還能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中，沒有一個(gè)嚴(yán)格的布線規(guī)定,也沒有專門的PCB布線規(guī)則，對(duì)PCB布線的最大限制莫過于電路板的要求，主要是銅板的層數(shù)和板子的尺寸大小，相同的布線技術(shù)可以在一種電路中應(yīng)用，但是換另一種電路中應(yīng)用時(shí)，有時(shí)卻不可行。

布線技術(shù)是在PCB設(shè)計(jì)并完成產(chǎn)品的過程中最重要的步驟之一，可以說前面的大部分準(zhǔn)備工作都是為了布線做鋪墊，整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，數(shù)布線的過程要求最多，主要有很多的限定、細(xì)膩的技巧和長(zhǎng)時(shí)間的工作量。按照板層分，PCB布線分為單面板、雙面板以及多層面板。布線的方式分為自動(dòng)布線、手動(dòng)布線以及交互式布線。交互式布線可以在自動(dòng)布線前，先對(duì)嚴(yán)格要求的線路進(jìn)行排布，為了防止反射干擾，應(yīng)避免相鄰兩根輸出端和輸入端的邊線平行，必要的情況下，需要使用地線隔離，保證相鄰兩層的線互相垂直，防止平行線路產(chǎn)生寄生耦合。

本設(shè)計(jì)中電源部分使用了大量的電容濾波。例如5V轉(zhuǎn)3.3V電路中，其濾波效果如圖17和圖18所示。圖17中顯示，是加濾波電容之前，電壓輸出的電壓幅度，最大值是200mV，最小值是-200mV；圖18中可看到，加濾波電容后電壓輸出的幅度，最大值是50mV，最小值是-50mV。由此可知，濾波電容可以有效的降低的干擾對(duì)后續(xù)電路的影響，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

電路板的制作

硬件電路板即PCB板的制作，有以下幾點(diǎn)要求：

（1）器件布局 要確保對(duì)系統(tǒng)所需要的電子元器件尺寸、規(guī)格等參數(shù)正確。

（2）線寬選擇 信號(hào)線一般設(shè)置寬度為20mil，而電源線銅箔寬度則由電流大小決定，這是因?yàn)橛捎谙到y(tǒng)不間斷工作過程中，電路板會(huì)發(fā)熱，所以一般要保證至少通過兩倍的電流。

（3）輸入輸出信號(hào)線之間，要加地線，并將信號(hào)線間保證一定的安全距離，盡量不要使線出現(xiàn)90°轉(zhuǎn)彎，最好保證145°；信號(hào)線要盡量短，防止時(shí)間延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤；過孔盡可能的少。

（4）電源走線 通過電容、電感、0歐電阻以及磁珠等將不同的地線連接或直接將數(shù)字地和模擬地分隔開來，可以有效的防止電磁干擾現(xiàn)象。如果電源線的走線不合理，對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)很大。由于電感體積大，雜散參數(shù)多，不穩(wěn)定，電容隔直通交，造成浮地，本系統(tǒng)采用0歐電阻，它相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制，對(duì)所有頻率的噪聲都有衰減作用。