参考文献
[1] 刘爱民, 倪元相. 电机与拖动技术[M]. 第二版. 大连:大连理工大学出版社, 2017.
[2] 王爱元. 控制电机及其应用[M]. 第一版. 上海:上海交通大学出版社, 2013.
[3] 史陈新. 通用机器人教育[M]. 第一版. 北京:北京理工大学, 2016.

1直流电机的组成结构

微型直流减速电机也被称为马达。

1.1有刷电机基本构成

有刷直流电机由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，主要作用是产生磁场；运行时转动的部分称为转子（或称电枢），由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势。

1.2无刷电机基本构成

无刷电机与有刷电机的最明显的区别在于前者去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷。
无刷直流电机（驱动系统）主要由电动机本体、位置传感器、电子开关线路三部分组成：

直流电源通过开关线路向电动机电子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。

1.3有刷电机与无刷电机基本构成区别

无刷直流电动机的设计思想仍源自普通有刷直流电动机，但与后者相比，其定、转子位置进行了互换。转子上装有永磁体，产生气隙磁通；定子为电枢，结构与普通交流电动机相同，通常采用三相对称绕组，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组时断续通电的。原直流电动机的电刷和机械换向器被电子开关线路和转子位置传感器代替。

无刷电机兼具交流电动机和直流电动机的优点，性能优于有刷电机，并有取代后者的趋势，适用于对控制精度和转速有较高要求的设备。
对于无刷电机，输入的直流电需要通过电子调速器或FOC驱动器变成三相交流电。

2工作原理

2.1有刷电机工作原理

电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电动机能保持一个方向转动。

2.2无刷电机工作原理

有空再写。

3直流电机的调速与正反转控制

3.0有刷/无刷电机的调速控制与正反转控制区别

无刷直流电机由电机主体和电调或FOC驱动器组成，换相的工作交由后者来完成。

有刷和无刷两种电机的调速控制实质都是调压，只是由于无刷直流采用了电子换向，所以要有数字控制才可以实现；而有刷直流电机通过电刷和换向器进行机械换向，模拟和数字控制都可以控制，比较简单。有刷电机和无刷电机都可以通过PWM调速。

无刷直流电动机不能通过改变电源电压的极性来实现正反转控制，但其正反转原理同有刷直流电动机，通常采用改变逆变器开关管的逻辑关系使各相电枢绕组导通顺序发生变化来实现电动机的正反转。对于微机控制的无刷直流电动机调速系统，功率管的导通信号跟随位置信号的切换可通过软件来实现。

3.1有刷电机调速装置

PWM电机驱动电路

上图为非常经典的L298N双路直流电机驱动电路。这种类型的电机驱动电路的性价比高，通常用来驱动有刷直流电机。电调的电流容量远大于驱动电路。
选购时应注意：

输入电压
驱动通道数
驱动电压/电流
最大功率
主控芯片

3.2无刷电机调速装置

电调

上图为无刷电调。电调的输入线与电池连接；电调的输出线（有刷两根、无刷三根）与电机连接；电调的信号线与接收机连接。

电调，全称电子调速器（Electronic Speed Control，ESC），它根据控制信号调节电动机的转速，一个电调配一个无刷电机。针对电机不同，可分为有刷电调（两根输出线）和无刷电调（三根输出线）。电调并不能兼容所有电机，它必须根据电机的功率等参数来进行选择。

电调内的单片机会通过PWM信号线接收启动、停止、制动信号，以控制马达的启动、停止和制动；接收正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，使马达产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整马达转速。

FOC驱动器

FOC（field-oriented control，磁场导向控制），又称为矢量控制（vectorcontrol），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。

FOC驱动器性能优于电调。

附录微型直流电机种类与采购事项注意

本小节所描述的直流电机分类并非以有刷/无刷，永磁/非永磁的标准对直流电机进行严格区分（因而把本节列入附录），而是想直接用几种学生时代常见的，但外观完全不同的直流电机类型作为切入点进行讲解。以下图源均来自淘宝，并非对其产品进行宣传。

马达种类

类型一：玩具马达

玩具中最常见的迷你马达，价格便宜，总体性能薄弱，通常只适用于学习电机控制原理。

类型二：大扭矩直流电机

不论是体积还是性能都强于上者，因而应用于车辆和机器人控制，在价格和性能方面有很大的选择余地，本文便是围绕这一类型的电机进行讲解的。

类型三：空心杯电机

被称作空心杯电机，这是因为其结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，由于其外形也叫空心杯型转子。其内部如下图所示：

常见于航模，体积和质量都是最小的，扭矩远不如前者。

采购事项

关键技术参数

电压：12V/24V
电流：分为空载电流和负载电流，单位为mA
输出功率
转矩（扭矩）：电机转动的力量大小，单位为 kg.m 或N.m。转矩是一种力矩。
转速：分为空载转速和负载转速，单位为r/min或rpm

其他还有噪音、效率、发热量、稳定性、耗电量。

电机选购时的注意点

选购直流电机组装小车时应注意：

电机的尺寸：会影响底盘的高度（轮胎大小相同的情况下）和对底盘的占用面积
重量：影响车辆速度
轴的形状&轴径：用于选购对应轮胎
轴的位置：偏心轴还是中心轴

永磁/非永磁
采用永磁体作为定子的电机叫永磁电机，采用线圈（电磁铁）作为定子的电机叫非永磁电机。前者各方面参数均明显优于后者。

齿轮减速机
齿轮减速机是利用各级齿轮传动来达到降速的目的，降速同时提高输出转矩，转矩输出比例按电机输出乘减速比；同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

更新记录

2021.9.25
题目变更，将“微型直流减速电机简述与电调调速控制”修改为“微型直流减速电机简述：无刷电机与有刷电机区别分析”；
大幅修改文章结构，并添加删改了一部分内容。

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