最全無(wú)刷電機(jī)干貨，一篇文章帶你了解其控制原理

我們常用的無(wú)刷電機(jī)里面究竟有些什么技術(shù)、如何解釋那些專(zhuān)業(yè)名詞、以及各種參數(shù)和設(shè)備之間究竟有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？

無(wú)刷電機(jī)的基本概念

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，我們可以將電機(jī)分為有刷電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)和外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)。

有刷電機(jī)：我們也稱為直流電機(jī)或者碳刷電機(jī)，是歷史最悠久的電機(jī)類(lèi)型，也是目前數(shù)量最多的電機(jī)類(lèi)型。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換相器和電刷來(lái)完成的。這種電機(jī)具有造價(jià)相對(duì)較低、扭力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)由于結(jié)構(gòu)限制，所以缺點(diǎn)也比較明顯：1、機(jī)械換向產(chǎn)生的火花引起換向器和電刷摩擦、電磁干擾、噪聲大、壽命短；2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、故障多，需要經(jīng)常維護(hù)；3、由于換向器存在，限制了轉(zhuǎn)子慣量的進(jìn)一步下降，影響了動(dòng)態(tài)性能。所以在模界主要應(yīng)用于速度較慢和對(duì)震動(dòng)不敏感的車(chē)模、船模上面，航模很少采用有刷電機(jī)。

無(wú)刷電機(jī)：這是模界中除了有刷電機(jī)以外用的最多的一種電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)不使用機(jī)械的電刷裝置，采用方波自控式永磁同步電機(jī)，以霍爾傳感器取代碳刷換向器，以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料，性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)。具有高效率、低能耗、低噪音、超長(zhǎng)壽命、高可靠性、可伺服控制、無(wú)級(jí)變頻調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，至于缺點(diǎn)嘛……就是比有刷的貴、不好維護(hù)，廣泛應(yīng)用于航模、高速車(chē)模和船模。

不過(guò)，單個(gè)的無(wú)刷電機(jī)不是一套完整的動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)刷基本必須通過(guò)無(wú)刷控制器也就是電調(diào)的控制才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。普通的碳刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的是繞組，而無(wú)刷電機(jī)不論是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的都是磁鐵。所以任何一個(gè)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成的。

無(wú)刷電機(jī)的定子是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的部分，能夠支撐轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，主要由硅鋼片、漆包線、軸承、支撐件構(gòu)成；而轉(zhuǎn)子則是黏貼釹鐵硼磁鐵，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的部件，主要由轉(zhuǎn)軸、磁鐵、支持件構(gòu)成。除此之外，定子與轉(zhuǎn)子組成的磁極對(duì)數(shù)還影響著電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭力。

無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無(wú)刷電機(jī)的前蓋、中殼、后蓋主要是整體結(jié)構(gòu)件，起到構(gòu)建電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的作用。但是外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的外殼同時(shí)也是磁鐵的磁路通路，所以外殼必須是導(dǎo)磁性的物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)轉(zhuǎn)子的外殼只是結(jié)構(gòu)件，所以不限定材質(zhì)。但是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)比外轉(zhuǎn)子電機(jī)多一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯，這個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯的作用同樣也是起到磁路通路的作用。

磁鐵：是安裝在轉(zhuǎn)子上，是無(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，無(wú)刷電機(jī)的絕大部分性能參數(shù)都與磁鐵相關(guān)，包括功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。

硅鋼片：是有槽無(wú)刷電機(jī)的重要組成部分，當(dāng)然，無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)是沒(méi)有硅鋼片的，但是目前絕大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是有槽的。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要是降低磁阻、參與磁路運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)軸：是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直接受力部分，轉(zhuǎn)軸的硬度必須能滿足轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。

軸承：是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢的保證，軸承可以分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，而滾動(dòng)軸承又可以細(xì)分為深溝球軸承、滾針軸承和角接觸軸承等十大類(lèi)，而目前大多數(shù)的無(wú)刷電機(jī)都是采用深溝球軸承。

直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理

直流無(wú)刷電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子、定子和位置傳感器三部分等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流(即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開(kāi)關(guān)電路提供。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類(lèi)型

采用磁敏式位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?裝在定子組件上，用來(lái)檢測(cè)永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。

采用光電式位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇間生脈沖信號(hào)。

采用電磁式位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開(kāi)關(guān)、LC諧振電路等)，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。

簡(jiǎn)單而言，直流無(wú)刷電機(jī)就是依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周?chē)纬梢粋€(gè)繞電機(jī)幾何軸心全轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無(wú)刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟姡娏餍枰娮诱{(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單的，真正決定其使用性能的還是無(wú)刷電子調(diào)速器（也就是電調(diào)），好的電調(diào)需要有單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、復(fù)雜加工工藝等過(guò)程的總體控制，所以一般來(lái)說(shuō)價(jià)格要比無(wú)刷電機(jī)高出很多。

首先給大家復(fù)習(xí)幾個(gè)基礎(chǔ)定則：左手定則、右手定則、右手螺旋定則。別懵逼，下面會(huì)給大家解釋。

左手定則，這個(gè)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，會(huì)受到力的作用。

讓磁感線穿過(guò)手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较颍竽粗阜较驗(yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向，我相信喜歡玩模型的人都還有一定物理基礎(chǔ)的哈哈。

右手定則，這是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)，跟左手定則的相反，磁場(chǎng)中的導(dǎo)體因受到力的牽引切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

讓磁感線穿過(guò)掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向。為什么要講感生電動(dòng)勢(shì)呢？不知道大家有沒(méi)有類(lèi)似的經(jīng)歷，把電機(jī)的三相線合在一起，用手去轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)阻力非常大，這就是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流，磁場(chǎng)中電流流過(guò)導(dǎo)體又會(huì)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力，大家就會(huì)感覺(jué)轉(zhuǎn)動(dòng)有很大的阻力。不信可以試試。

三相線分開(kāi)，電機(jī)可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)

三相線合并，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力非常大

右手螺旋定則，用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。

這個(gè)定則是通電線圈判斷極性的基礎(chǔ)，紅色箭頭方向即為電流方向。

看完了三大定則，我們接下來(lái)先看看電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理。

第一部分：直流電機(jī)模型

我們找到一個(gè)中學(xué)物理學(xué)過(guò)的直流電機(jī)的模型，通過(guò)磁回路分析法來(lái)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。

狀態(tài)1

當(dāng)兩頭的線圈通上電流時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則，會(huì)產(chǎn)生方向指向右的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如粗箭頭方向所示），而中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致，以形成一個(gè)最短閉合磁力線回路，這樣內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向與外部磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大。注意這里說(shuō)的是“力矩”最大，而不是“力”最大。誠(chéng)然，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)方向一致時(shí)，轉(zhuǎn)子所受磁力最大，但此時(shí)轉(zhuǎn)子呈水平狀態(tài)，力臂為0，當(dāng)然也就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)了。補(bǔ)充一句，力矩是力與力臂的乘積。其中一個(gè)為零，乘積就為零了。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，雖然不再受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用，但由于慣性原因，還會(huì)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)若改變兩頭螺線管的電流方向，如下圖所示，轉(zhuǎn)子就會(huì)繼續(xù)順時(shí)針向前轉(zhuǎn)動(dòng)。

狀態(tài)2

如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向，內(nèi)轉(zhuǎn)子就會(huì)不停轉(zhuǎn)起來(lái)了。改變電流方向的這一動(dòng)作，就叫做換相。補(bǔ)充一句：何時(shí)換相只與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，而與其他任何量無(wú)直接關(guān)系。

第二部分：三相二極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

一般來(lái)說(shuō)，定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，而“三相星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式”最為常用，這里就用該模型來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單分析。

上圖顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式（轉(zhuǎn)子未畫(huà)出假想是個(gè)二極磁鐵），三個(gè)繞組通過(guò)中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個(gè)電機(jī)就引出三根線A,B, C。當(dāng)它們之間兩兩通電時(shí)，有6種情況，分別是AB, AC, BC, BA, CA,CB注意這是有順序的。

下面我看第一階段：AB相通電

當(dāng)AB相通電，則A極線圈產(chǎn)生的磁感線方向如紅色箭頭所示，B極產(chǎn)生的磁感線方向如圖藍(lán)色箭頭所示，那么產(chǎn)生的合力方向即為綠色箭頭所示，那么假設(shè)其中有一個(gè)二極磁鐵，則根據(jù)“中間的轉(zhuǎn)子會(huì)盡量使自己內(nèi)部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致”則N極方向會(huì)與綠色箭頭所示方向重合。至于C，暫時(shí)沒(méi)他什么事。

第二階段：AC相通電

第三階段：BC相通電

第三階段：BA相通電

為了節(jié)省篇幅，我們就不一一描述CA\CB的模型，大家可以自己類(lèi)推一下。以下為中間磁鐵（轉(zhuǎn)子）的狀態(tài)圖：

每個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60度

六個(gè)過(guò)程即完成了完整的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中6次換相。

第三部分：三相多繞組多極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)

我們?cè)賮?lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的，圖(a)是一個(gè)三相九繞組六極（三對(duì)極）內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，它的繞組連線方式見(jiàn)圖 (b)。從圖(b)可見(jiàn)，其三相繞組也是在中間點(diǎn)連接在一起的，也屬于星形聯(lián)結(jié)方式。一般而言，電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的（比如用9繞組6極，而不是6繞組6極），這樣是為了防止定子的齒與轉(zhuǎn)子的磁鋼相吸對(duì)齊。

其運(yùn)動(dòng)的原則是：轉(zhuǎn)子的N極與通電繞組的S極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而轉(zhuǎn)子的S極與通電繞組的N極有對(duì)齊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

即為S與N相互吸引，注意跟之前的分析方法有一定的區(qū)別。

好吧，還是再幫大家分析一下吧。

第一階段：AB相通電

第二階段：AC相通電

第三階段：BC相通電

第四階段：BA通電

第五階段：CA通電

第六階段：CB通電

以上為六個(gè)不同的通電狀態(tài)，其中經(jīng)歷了五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程。每個(gè)過(guò)程為20度。

第四部分：外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)

看完了內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們來(lái)看外轉(zhuǎn)子的。其區(qū)別就在于，外轉(zhuǎn)子電機(jī)將原來(lái)處于中心位置的磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，是整個(gè)外殼在轉(zhuǎn)，而中間的線圈定子不動(dòng)。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)較內(nèi)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大很多（因?yàn)檗D(zhuǎn)子的主要質(zhì)量都集中在外殼上），所以轉(zhuǎn)速較內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)要慢，通常KV值在幾百到幾千之間。也是航模主要運(yùn)用的無(wú)刷電機(jī)。

順便啰嗦一下吧。無(wú)刷電機(jī)KV值定義為：轉(zhuǎn)速/V，意思為輸入電壓每增加1伏特，無(wú)刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。比如說(shuō)，標(biāo)稱值為1000KV的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，在11伏的電壓條件下，最大空載轉(zhuǎn)速即為：11000rpm（rpm的含義是：轉(zhuǎn)/分鐘）。

同系列同外形尺寸的無(wú)刷電機(jī)，根據(jù)繞線匝數(shù)的多少，會(huì)表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的，KV值低，最高輸出電流小，扭力大；繞線匝數(shù)少的，KV值高，最高輸出電流大，扭力小。我先前測(cè)試過(guò)穿越機(jī)2204電機(jī)的極限電流，單電機(jī)能彪上25A，而2212系列電機(jī)15A都上不了。

外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)：

分析方法也和內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)類(lèi)似，大家可以自己分析一下，根據(jù)右手螺旋定理判斷線圈的N/S極，轉(zhuǎn)子永磁體的N極與定子繞組的S極有對(duì)齊（吸引）的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)子永磁體的S極與定子繞組的N極有對(duì)齊（吸引）的趨勢(shì)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

經(jīng)典無(wú)刷電機(jī)22121000kv電機(jī)結(jié)構(gòu)分析。

圖為DJI2312S電機(jī)和XXD2212電機(jī)的（解剖圖）

其結(jié)構(gòu)如下：定子繞組固定在底座上，轉(zhuǎn)軸和外殼固定在一起形成轉(zhuǎn)子，插入定子中間的軸承。

圖為xxd2212線圈拆解圖

圖為12繞組14極（即7對(duì)極），電機(jī)繞組繞發(fā)圖。

后面畫(huà)出了6種兩相通電的情形，可以看出，盡管繞組和磁極的數(shù)量可以有許多種變化，但從電調(diào)控制的角度看，其通電次序其實(shí)是相同的，也就是說(shuō)，不管外轉(zhuǎn)子還是內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的順序進(jìn)行通電換相。

當(dāng)然，如果你想讓電機(jī)反轉(zhuǎn)的話，電子方法是按倒過(guò)來(lái)的次序通電；物理方法直接對(duì)調(diào)任意兩根線，假設(shè)A和B對(duì)調(diào)，那么順序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這里順序就完全倒過(guò)來(lái)了。

AB相通電

AC相通電

BC相通電

BA相通

CA相通

CB相通電

要說(shuō)明一下的是，由于每根引出線同時(shí)接入兩個(gè)繞組，所以電流是分兩路走的。這里為使問(wèn)題盡量簡(jiǎn)單化，下面幾個(gè)圖中只畫(huà)出了主要一路的電流方向，還有一路電流未畫(huà)出，另一路電流的具體情況放在后面進(jìn)行分析，涉及到電路檢測(cè)換相位置。

無(wú)刷電機(jī)中的專(zhuān)業(yè)名詞

額定電壓：也就是無(wú)刷電機(jī)適合的工作電壓，其實(shí)無(wú)刷電機(jī)適合的工作電壓非常廣，額定電壓是指定了負(fù)載條件而得出的情況。例如說(shuō)，2212-850KV電機(jī)指定了1045螺旋槳的負(fù)載，其額定工作電壓就是11V。如果減小負(fù)載，例如帶7040螺旋槳，那這個(gè)電機(jī)完全可以工作在22V電壓下。但是這個(gè)工作電壓也不是無(wú)限上升的，主要受制于電子控制器支持的最高頻率。所以說(shuō)，額定工作是由工作環(huán)境決定的。

KV值：有刷直流電機(jī)是根據(jù)額定工作電壓來(lái)標(biāo)注額定轉(zhuǎn)速的，無(wú)刷電機(jī)引入了KV值的概念，而讓用戶可以直觀的知道無(wú)刷電機(jī)在具體的工作電壓下的具體轉(zhuǎn)速。實(shí)際轉(zhuǎn)速=KV值*工作電壓，這就是KV的實(shí)際意義，就是在1V工作電壓下每分鐘的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓呈正比關(guān)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電壓上升而線性上升。例如，2212-850KV電機(jī)在10V電壓下的轉(zhuǎn)速就是：850*10=8500RPM(RPM，每分鐘轉(zhuǎn)速)。

轉(zhuǎn)矩：(力矩、扭矩)電機(jī)中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的可以用來(lái)帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載的驅(qū)動(dòng)力矩，我們可以理解電機(jī)的力量。

轉(zhuǎn)速：電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，一般用RPM表示。

最大電流：電機(jī)能夠承受并安全工作的最大電流

最大功率：電機(jī)能夠承受并安全工作的最大功率功率=電壓*電流

無(wú)刷電機(jī)功率和效率

我們可以簡(jiǎn)單的理解為電機(jī)輸出功率=轉(zhuǎn)速*扭矩，在同等的功率下，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，即同一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，必定其轉(zhuǎn)矩越低，相反也依然。不可能要求個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也更高，轉(zhuǎn)矩也更高，這個(gè)規(guī)律通用于所有電機(jī)。例如：2212-850KV電機(jī)，在11V的情況下可以帶動(dòng)1045槳，如果將電壓上升一倍，其轉(zhuǎn)速也提高一倍，如果此時(shí)負(fù)載仍然是1045槳，那該電機(jī)將很快因?yàn)殡娏骱蜏囟鹊募眲∩仙鵁龤А?/span>

每個(gè)電機(jī)都有自己的力量上限，最大功率就是這個(gè)上限，如果工作情況超過(guò)了這個(gè)最大功率，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)高溫?zé)龤А．?dāng)然，這個(gè)最大功率也是指定了工作電壓情況下得出的，如果是在更高的工作電壓下，合理的最大功率也將提高。這是因?yàn)椋?/span>Q=I2R，導(dǎo)體的發(fā)熱與電流的平方是正比關(guān)系，在更高的電壓下，如果是同樣的功率，電流將下降導(dǎo)致發(fā)熱減少，使得最大功率增加。這也解釋了為什么在專(zhuān)業(yè)的航拍飛行器上，大量使用22.2V甚至30V電池來(lái)驅(qū)動(dòng)多軸飛行器，高壓下的無(wú)刷電機(jī)，電流小、發(fā)熱小、效率更高。

經(jīng)常有人問(wèn)：2208 1000KV和2216 1000KV有什么不同，都是1000KV，不是都一樣嗎?呵呵，差別可大了。

在電機(jī)直徑、KV值都一樣的情況下，電機(jī)更高的電機(jī)自然功率越大，功率越大的電機(jī)自然能夠帶動(dòng)的負(fù)載越大。好比一個(gè)男人100斤，一個(gè)男人160斤，你讓他們?nèi)ケ骋淮?0斤的大米，100斤的男人雖然說(shuō)稍稍有點(diǎn)吃力但也能背，160斤的男人覺(jué)得是小菜。但，如果是讓他們背兩袋米呢?160斤的男人咬咬牙也背起來(lái)了，100斤的男人恐怕腰都直不起來(lái)，這就是他們的差異。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，工作越輕松，效率越高，利用前面的理論就是，鐵耗也低銅耗也低。

記住這個(gè)公式：扭矩與電流的平方成正比

隨著電機(jī)工作的越來(lái)越累，它的效率會(huì)迅速的降低。所以說(shuō)選擇多軸電機(jī)，必須選擇合適功率電機(jī)以及與他搭配的螺旋槳，讓電機(jī)工作在相對(duì)輕松的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)懸停時(shí)工作功率是最大功率的30-45%之間比較好。不可小牛拉大車(chē)，也不能大牛拉小車(chē)。

無(wú)刷電機(jī)電壓與效率的關(guān)系

先上兩個(gè)公式：
1、功率=電壓*電流
2、發(fā)熱量=電流的平方*電阻

由公式得出兩個(gè)結(jié)論：在同功率下，電壓越高電流越小，并推出：在同功率下，電壓越高發(fā)熱量越小。得出結(jié)論：同一個(gè)飛行器，使用的電壓越高，電流越小并且發(fā)熱越少，效率越高。

現(xiàn)在知道為什么高壓電線要上100KV甚至220KV、550KV(這個(gè)KV是千伏)的高電壓了吧。

當(dāng)然，飛行器是需要電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，準(zhǔn)確的說(shuō)是鋰電池，鋰電池的片數(shù)自然取決于電池的大小，越大的電池自然能做的越高電壓。所以在電壓這方面，其實(shí)我們能做的并不多，因?yàn)槭袌?chǎng)上的電池很多都是系列化的，比如說(shuō)450這樣的機(jī)型，你可以去找450直升機(jī)的6S電池，但是價(jià)格很高，而且需要的電調(diào)價(jià)格也要高一些。所以在電壓這方面我們應(yīng)該做的就是：盡量避免大機(jī)型用低壓電池，那樣會(huì)造成工作電流相對(duì)高一些，從而銅耗較大。同時(shí)，也要避免小型飛機(jī)用高壓電池，那樣電池的重量太大。

關(guān)于無(wú)刷電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)

磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度又稱同步轉(zhuǎn)速，它與三相電流的頻率和磁極對(duì)數(shù)p有關(guān)。若定子繞組，在任一時(shí)刻合成的磁場(chǎng)只有一對(duì)磁極(磁極對(duì)數(shù)p=1)，即只有兩個(gè)磁極，對(duì)只有一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言,三相電流變化一周,合成磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)一周，如果是50hz的交流電，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速就是50轉(zhuǎn)/秒或3000轉(zhuǎn)/分，在工程技術(shù)中，常用轉(zhuǎn)/分（r/min）來(lái)表示轉(zhuǎn)速。如果定子繞組合成的磁場(chǎng)有兩對(duì)磁極(磁極對(duì)數(shù)p=2)，即有四個(gè)磁極，可以證明，電流變化一個(gè)周期，合成磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)180度，由此可以推廣得出：p對(duì)磁極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每分鐘的同步轉(zhuǎn)速為n=60f/p。

當(dāng)磁極對(duì)數(shù)一定時(shí)，如果改變交流電的頻率，則可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。由于電機(jī)的磁極是成對(duì)出現(xiàn)的，所以也常用極對(duì)數(shù)表示。

關(guān)于無(wú)刷電機(jī)的磁鐵

模界的無(wú)刷電機(jī)幾乎100%用的“磁王”——釹鐵硼磁鐵，用磁王來(lái)形容釹鐵硼磁鐵是當(dāng)之無(wú)愧的，釹鐵硼磁鐵是我們生活中常見(jiàn)的黑乎乎的鐵氧體磁鐵磁性的3倍！當(dāng)然了，價(jià)格更是鐵氧體磁鐵的10倍以上。無(wú)刷電機(jī)終歸屬于永磁電機(jī)，而永磁電機(jī)的功率、特點(diǎn)等特性完全取決于磁鐵。基本可以說(shuō)吧，磁鐵的體積與牌號(hào)決定了電機(jī)的最大功率。

另外還有磁鐵形狀上的差異，如果拆開(kāi)一些廉價(jià)的電機(jī)你就會(huì)有一個(gè)發(fā)現(xiàn)，絕大部分的磁鐵形狀都是方片行。方片形的磁鐵加工簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，自然成了追求成本電機(jī)的選擇。而很多品牌電機(jī)選擇了弧形磁鐵，弧形可以保證磁鐵和硅鋼片的氣隙一直保持一致，似乎功率上和效率上都勝過(guò)了方形磁鐵一籌。但是，在拆開(kāi)一些電機(jī)也發(fā)現(xiàn)了被稱之為面包型的磁鐵，他們能夠和鐵殼完整的貼合在一起，和硅鋼片的距離卻是和方形磁鐵一樣，都不是一致的。關(guān)于這種磁鐵，在請(qǐng)教了一些業(yè)內(nèi)人士，他們確信這種磁鐵比弧形磁鐵效果還要更佳，在此不做結(jié)論。

不過(guò)還有一種情況采用方形磁鐵其實(shí)也是可以的，在多槽數(shù)多極數(shù)的無(wú)刷電機(jī)（比如說(shuō)36槽42極電機(jī)），基本都是采用了方形磁鐵，這是因?yàn)殍F殼直徑很大，方形磁鐵也能很好的和鐵殼粘合，并且和硅鋼片的氣隙也很均勻。

關(guān)于無(wú)刷電機(jī)的硅鋼片

其實(shí)初中讀電磁學(xué)的時(shí)候，我經(jīng)常想的問(wèn)題是，電機(jī)為什么需要硅鋼片呢?不是說(shuō)通電的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中就能產(chǎn)生作用嗎?那為什么還需要硅鋼片呢。后來(lái)我想了很久很久終于得出一個(gè)結(jié)論，那就是搞設(shè)計(jì)的人不會(huì)比你傻!

空氣是弱導(dǎo)磁的，但鐵是導(dǎo)磁的，硅鋼片的作用就是把磁鐵的磁路引導(dǎo)過(guò)來(lái)并形成回路，這就需要電機(jī)磁阻(大家把它等同理解為電阻即可)比較小。但是大家都看見(jiàn)了，為什么定子上面怎么都是一片一片構(gòu)成的呢?

大家知道電磁爐的原理嗎?為什么鐵鍋放上電磁爐上面就會(huì)發(fā)熱?其實(shí)這就是因?yàn)?----類(lèi)似于鐵的材料放在快速變化的電磁場(chǎng)中(大家想想交流電吧，那個(gè)電是瞬間飛來(lái)飛去，不像直流電永遠(yuǎn)是正極到負(fù)極)會(huì)產(chǎn)生渦流損耗而發(fā)熱，并且頻率越高發(fā)熱量越大。硅鋼片處在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)當(dāng)中，就是和那放在電磁爐上的鐵鍋一樣遇到了同樣的問(wèn)題，解決的辦法就是往鋼里添加硅并且做成薄片，理論上越薄的硅鋼片產(chǎn)生的渦流損耗就越小。

所以大家是不是明白了普通的固定翼電機(jī)大都是比較厚的0.35MM硅鋼片，而直升機(jī)和涵道機(jī)電機(jī)大都是用0.2MM硅鋼片的原因呢?電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，磁場(chǎng)變化越快，那渦流損耗就越大。現(xiàn)在大多數(shù)的多軸電機(jī)都使用了0.2MM單片的硅鋼片，這樣做成的電機(jī)鐵耗就會(huì)更低。

相關(guān)小知識(shí)：為什么高KV電機(jī)在全油門(mén)空轉(zhuǎn)的情況下下會(huì)發(fā)熱很厲害呢?

答案是：產(chǎn)生熱量的不是銅線，因?yàn)榇藭r(shí)通過(guò)的電流很小。產(chǎn)生熱量的正是渦流損耗和磁滯損耗，因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)完全空載，轉(zhuǎn)速比較高，渦流損耗大，而所有的損耗都變成了熱量。

關(guān)于無(wú)刷電機(jī)使用與保養(yǎng)

直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并在多個(gè)領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用。用戶在使用直流無(wú)刷電機(jī)時(shí)有一些問(wèn)題也是需要注意的，那么具體使用直流無(wú)刷電機(jī)要注意什么呢?

(1)在拆卸前，要用壓縮空氣吹凈電機(jī)表面灰塵，并將表面污垢擦拭干凈。
(2)選擇電機(jī)解體的工作地點(diǎn)，清理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
(3)熟悉電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢修技術(shù)要求。
(4)準(zhǔn)備好解體所需工具(包括專(zhuān)用工具)和設(shè)備。
(5)為了進(jìn)一步了解電機(jī)運(yùn)行中的缺陷，有條件時(shí)可在拆卸前做一次檢查試驗(yàn)。為此，將電機(jī)帶上負(fù)載試轉(zhuǎn)，詳細(xì)檢查電機(jī)各部分溫度、聲音、振動(dòng)等情況，并測(cè)試電壓、電流、轉(zhuǎn)速等，然后再斷開(kāi)負(fù)載，單獨(dú)做一次空載檢查試驗(yàn)，測(cè)出空載電流和空載損耗，做好記錄。
(6)切斷電源 ，拆除電機(jī)外部接線，做好記錄。
(7)選用合適電壓的兆歐表測(cè)試電機(jī)絕緣電阻 。為了跟上次檢修時(shí)所測(cè)的絕緣電阻值相比較以判斷電機(jī)絕緣變化趨勢(shì)和絕緣狀態(tài)，應(yīng)將不同溫度下測(cè)出的絕緣電阻值換算到同一溫度，一般換算至75℃。
(8)測(cè)試吸收比K。當(dāng)吸收比大于1.33時(shí)，表明電機(jī)絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴(yán)重。為了跟以前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同樣要將任意溫度下測(cè)得的吸收比換算到同一溫度。

來(lái)源：

blog.sina《迄今最全的無(wú)刷電機(jī)工作及控制原理分享》作者：少帥-Z

5imx《老司機(jī)帶你全面了解無(wú)刷電機(jī)》

《EMAX銀燕：一篇文章帶你全面了解無(wú)刷電機(jī)》

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PCB布局準(zhǔn)則

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮以下幾點(diǎn)：

功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)?需不需要調(diào)速?對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。

性能：對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)：

- 輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。

- 效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路)入手。

- 對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

- 對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。

- 可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。

1. 輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

輸入信號(hào)線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1腳對(duì)地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾。或者說(shuō)，相當(dāng)于把驅(qū)動(dòng)板的地線與單片機(jī)的地線隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。

高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號(hào)。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。因此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個(gè)電阻一個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。

不能用LM339或其他任何開(kāi)路輸出的比較器代替運(yùn)放，因?yàn)殚_(kāi)路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級(jí)的三極管將無(wú)法截止

2. 柵極驅(qū)動(dòng)部分：

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極并利用場(chǎng)效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。

當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達(dá)到零)時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止,輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達(dá)到VCC)時(shí)，下面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應(yīng)的，場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。

實(shí)際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管就同時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要安全一些。

場(chǎng)效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場(chǎng)效應(yīng)管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì)擊穿，因此這個(gè)穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓。

3.場(chǎng)效應(yīng)管輸出部分：

大功率場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時(shí)，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對(duì)降低電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機(jī)時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。

輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管,電容組成的電路指示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.

4.性能指標(biāo)：

電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個(gè)電機(jī)，短時(shí)間(10秒)可以達(dá)到10A,PWM頻率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個(gè)邏輯上獨(dú)立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。

5.PCB的布局布線：

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話要把過(guò)孔做大一些(>1mm)并且在焊盤(pán)上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò)正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開(kāi)始的設(shè)計(jì)中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來(lái)檢測(cè)電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)住．?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PCB 需要采用特殊的冷卻技術(shù)，以解決功耗問(wèn)題。印刷電路板 (PCB) 基材（例如 FR-4 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃）的導(dǎo)熱性較差。相反，銅的導(dǎo)熱性非常出色。因此，從熱管理角度來(lái)看，增加 PCB 中的銅面積是一個(gè)理想方案。厚銅箔（例如：2 盎司（68 微米厚））的導(dǎo)熱性優(yōu)于較薄的銅箔。然而，使用厚銅箔的成本較高，并且難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的幾何形狀。

因此，使用 1 盎司（34 微米）銅箔變得很常見(jiàn)。外層通常使用? 盎司到1 盎司的銅箔。多層電路板內(nèi)層使用的固體銅面具有良好的散熱性。然而，由于這些銅面通常都置于電路板疊層的中央，因此熱量會(huì)聚集在電路板內(nèi)部。增加 PCB 外層的銅面積，并經(jīng)由許多通孔連接或“縫接”至內(nèi)層，有助于將熱量轉(zhuǎn)移到內(nèi)層外部。

由于存在走線和元件，雙層 PCB 的散熱可能會(huì)更加困難。因此，盡可能多地提供固體銅面，并實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的良好熱連接顯得非常必要。在兩個(gè)外層上都增加覆銅區(qū)，并將其與許多通孔連接在一起，有助于由走線和元件分割的各區(qū)域間散熱。

a、走線寬度：越寬越好

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的進(jìn)出電流較大（在一些情況下超過(guò) 10 A），因此應(yīng)謹(jǐn)慎考慮進(jìn)出器件的 PCB 走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調(diào)整走線尺寸，以使走線電阻不會(huì)消耗過(guò)多功率，避免導(dǎo)致走線升溫。太小的走線其實(shí)可以作為電熔絲，并且容易燒斷！

設(shè)計(jì)師通常使用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定適當(dāng)?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對(duì)各種電流電平和允許的溫升提供了顯示銅橫截面積的相應(yīng)圖表，可轉(zhuǎn)換為給定銅層厚度條件下的走線寬度。例如 1 盎司銅層中承載 10 A 電流的走線需要稍寬于 7 mm，以實(shí)現(xiàn) 10℃的溫升。針對(duì) 1-A 電流，走線寬度只需為 0.3 mm。

鑒于此，10 A 電流似乎不可能通過(guò)微型 IC 板。

需要理解的是，IPC-2221 中建議的走線寬度適用于等寬長(zhǎng)距離 PCB 走線。如果采用更短的PCB 走線也有可能通過(guò)更大得多的電流，且不會(huì)產(chǎn)生任何不良作用。這是因?yàn)槎潭?PCB 走線電阻較小，且產(chǎn)生的任何熱量都將被吸收至更寬的銅區(qū)域，而該區(qū)域則起到了散熱片的作用。

加寬 PCB 走線，

以使 IC 板能夠更好地處理持續(xù)電流。

參見(jiàn)圖中的示例。盡管該器件的 IC 板只有 0.4 mm 寬，但它們必須承載高達(dá) 3 A 的持續(xù)電流。所以我們需要盡可能地將走線加寬，并靠近器件。

走線較窄部分產(chǎn)生的任何熱量被傳導(dǎo)至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的溫升可以忽略不計(jì)。

嵌入在 PCB 內(nèi)層的走線無(wú)法像外層的走線一樣充分散熱，因?yàn)榻^緣基板的導(dǎo)熱性不佳。為此，內(nèi)層走線應(yīng)設(shè)計(jì)為外層走線的約兩倍寬。

作為一個(gè)大致的指導(dǎo)方針，下表顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中較長(zhǎng)走線（超過(guò)大約 2 cm）的建議走線寬度。

如果空間允許，使用更寬走線或覆銅區(qū)的布線可使溫升和壓降達(dá)到最低。

b、熱通孔：盡可能多地使用

通孔是小型的電鍍孔，通常用于將一根走線從一層穿至另一層。雖然熱通孔采用同樣的方式制成，但卻用于將熱量從一層傳至另一層。適當(dāng)使用熱通孔對(duì)于 PCB 的散熱至關(guān)重要，但是必須考慮幾個(gè)工藝性問(wèn)題。

通孔具有熱阻，這意味著當(dāng)熱量流過(guò)通孔時(shí)，通孔之間會(huì)出現(xiàn)一些溫降，測(cè)量單位為℃/W。為使這一熱阻降至最低，并提高通孔傳輸熱量時(shí)的效率，應(yīng)使用大通孔，且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積。

應(yīng)使用大通孔（圖為通孔的橫截面），且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積，以使熱阻降至最低。

盡管在 PCB 的開(kāi)口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于 IC 板區(qū)域內(nèi)，以直接從 IC 封裝中轉(zhuǎn)移熱量。在這種情況下，無(wú)法使用大通孔。這是因?yàn)榇笮偷碾婂兺卓赡軙?huì)導(dǎo)致“滲錫”，即用于連接 IC 與 PCB 的焊料向下流入通孔中，從而導(dǎo)致焊接點(diǎn)質(zhì)量不佳。

可以通過(guò)幾種方式來(lái)減少滲錫。其中一種是使用非常小的通孔，以減少滲入到孔中的焊料量。然而，小型通孔的熱阻更高，因此為實(shí)現(xiàn)相同的熱力性能，需要更多的通孔。

另一種技術(shù)是在板的背面為通孔“搭帳篷”。這需要移除板背面阻焊層中的缺口，以使阻焊層材料蓋住通孔。如果通孔較小，阻焊層將塞住通孔；因此，焊料就無(wú)法滲透 PCB。

不過(guò)，這可能會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題：焊劑聚集。通孔被塞住后，通孔中可能會(huì)聚集焊劑（焊膏的一種成分）。一些焊劑配方可能具有腐蝕性，如不去除，時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。不過(guò)，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具有腐蝕性，且不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

請(qǐng)注意，熱通孔不得使用熱風(fēng)焊盤(pán)，它們必須直接連接至銅區(qū)域。

熱通孔應(yīng)直接連接PCB 上的銅區(qū)域。

建議 PCB 設(shè)計(jì)人員與表面貼裝技術(shù) (SMT) 工藝工程師一起檢查 PCB 組裝件，以選擇適用于該組裝件工藝的通孔尺寸和結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)熱通孔置于 IC 板區(qū)域內(nèi)時(shí)。

c、電容的布放

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的元件布局指南與其他類(lèi)型的電源 IC 類(lèi)似。旁路電容器應(yīng)盡可能地靠近器件電源引腳，而大容量電容器則置于其旁邊。許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 使用引導(dǎo)和/或電荷泵電容器，其同樣應(yīng)置于 IC 附近。

大多數(shù)信號(hào)直接在頂層路由。電源從大容量電容器路由至底層的旁路和電荷泵電容器，同時(shí)在各層過(guò)渡之處使用多個(gè)通孔。

TSSOP 和 QFN 封裝的器件底層有一個(gè)較大的外露式 IC 板。該 IC 板連接至芯片的背面，用于去除器件中的熱量。該 IC 板必須充分焊接至 PCB 上，以消耗功率。

為沉積該 IC 板的焊膏而使用的模具開(kāi)口并不一定會(huì)在 IC 數(shù)據(jù)表中詳細(xì)說(shuō)明。通常，SMT 工藝工程師對(duì)模具上應(yīng)沉積多少焊料以及模具應(yīng)使用何種圖案有其自己的規(guī)則。

如果使用類(lèi)似于 IC 板大小的單個(gè)開(kāi)口，則會(huì)沉積大量焊膏。這樣可能會(huì)因焊料熔化時(shí)的表面張力而導(dǎo)致器件被抬起。另一個(gè)問(wèn)題是焊料空洞（焊料區(qū)域內(nèi)的空腔或缺口）。在回流焊過(guò)程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)焊料空洞。這可能會(huì)導(dǎo)致焊料被推出焊接點(diǎn)。

為解決這些問(wèn)題，針對(duì)面積大于約 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉積在幾個(gè)小的方形或圓形區(qū)域。將焊膏分成更小的區(qū)域可使焊劑的揮發(fā)性成分更易于逸散出焊膏，而不會(huì)使焊料移位。

QFN 封裝的該焊料模有四個(gè)小開(kāi)口，用于沉積中央IC 板上的焊膏。

SOT-23 和 SOIC 封裝

標(biāo)準(zhǔn)的引線封裝（如 SOIC 和 SOT-23 封裝）通常用于低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。

為了充分提高引線封裝的功耗能力，采用“倒裝芯片引線框架”結(jié)構(gòu)。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點(diǎn)和焊料將芯片粘接至金屬引線，從而可通過(guò)引線將熱量從芯片傳導(dǎo)至 PCB。

倒裝芯片引線框架結(jié)構(gòu)有助于充分提高引線封裝的功耗能力。

通過(guò)將較大的銅區(qū)域連接至承載較大電流的引線，可優(yōu)化熱性能。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。

如下圖所示為“倒裝芯片引線框架”SOIC 封裝的典型 PCB 布局。引腳 2 為器件電源引腳。請(qǐng)注意，銅區(qū)域置于頂層器件的附近，同時(shí)幾個(gè)熱通孔將該區(qū)域連接至 PCB 背面的銅層。引腳 4 為接地引腳，并連接至表層的接地覆銅區(qū)。引腳 3（器件輸出）也被路由至較大的銅區(qū)域。

倒裝芯片 SOIC PCB 布局

請(qǐng)注意，SMT 板上沒(méi)有熱風(fēng)焊盤(pán)；它們牢牢地連接至銅區(qū)域。這對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的熱性能至關(guān)重要。


QFN 和 TSSOP 封裝

TSSOP 封裝為長(zhǎng)方形，并使用兩排引腳。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除器件中的熱量。

TSSOP 封裝通常在底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除熱量。

QFN 封裝為無(wú)引線封裝，在器件外緣周?chē)鷰в邪澹骷撞恐醒脒€帶有一個(gè)更大的板。這個(gè)更大的板用于吸收芯片中的熱量。

為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進(jìn)行良好的焊接。外露板通常為接地電位，因此可以接入 PCB 接地層。

在理想情況下，熱通孔直接位于板區(qū)域。在的 TSSOP 封裝的示例中，采用了一個(gè) 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計(jì)算熱阻約為 7.7°C/W。

采用了一個(gè) 18 熱通孔陣列的 TSSOP 封裝 PCB 布局

通常，這些熱通孔使用 0.4 mm 及更小的鉆孔直徑，以防止出現(xiàn)滲錫。如果 SMT 工藝要求使用更小的孔徑，則應(yīng)增加孔數(shù)，以盡可能保持較低的整體熱阻。

除了位于板區(qū)域的通孔，IC 主體外部區(qū)域也設(shè)有熱通孔。在 TSSOP 封裝中，銅區(qū)域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過(guò)頂部的銅層提供了另一種途徑。

QFN 器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱通孔將熱量驅(qū)散至內(nèi)層或 PCB 的底層。

采用9個(gè)熱通孔的 QFN 封裝 PCB 布局

圖中的 PCB 布局所示為一個(gè)小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區(qū)域中，只容納了九個(gè)熱通孔。因此，該 PCB 的熱性能不及 TSSOP 封裝。

倒裝芯片 QFN 封裝

倒裝芯片 QFN (FCQFN) 封裝與常規(guī)的 QFN 封裝類(lèi)似，但其芯片采取倒裝的方式直接連接至器件底部的板上，而不是使用接合線連接至封裝板上。這些板可以置于芯片上的發(fā)熱功率器件的反面，因此它們通常以長(zhǎng)條狀而不是小板狀布置。

這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線框架。

FCQFN 封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線框架

小通孔可置于板區(qū)域內(nèi)，類(lèi)似于常規(guī) QFN 封裝。在帶有電源和接地層的多層板上，通孔可直接將這些板連接至各層。在其他情況下，銅區(qū)域必須直接連接至板，以便將 IC 中的熱量吸入較大的銅區(qū)域中。

下圖器件具有較長(zhǎng)的電源和接地板，以及三個(gè)輸出口。請(qǐng)注意，該封裝只有 4 × 4 mm 大小。

FCQFN封裝IC的 PCB 布局

器件左側(cè)的銅區(qū)域?yàn)楣β瘦斎肟凇＿@個(gè)較大的銅區(qū)域直接連接至器件的兩個(gè)電源板。

三個(gè)輸出板連接至器件右側(cè)的銅區(qū)域。注意銅區(qū)域在退出板之后盡可能地?cái)U(kuò)展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。

同時(shí)，注意器件右側(cè)兩個(gè)板中的數(shù)排小通孔。這些板均進(jìn)行了接地，且 PCB 背面放置了一個(gè)實(shí)心接地層。這些通孔的直徑為 0.46 mm，鉆孔直徑為 0.25 mm。通孔足夠小，適合置于板區(qū)域內(nèi)。

綜上所述，為了使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 實(shí)施成功的 PCB 設(shè)計(jì)，必須對(duì) PCB 進(jìn)行精心的布局。

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

DIY可調(diào)速直流電機(jī)風(fēng)扇

1.項(xiàng)目介紹

之前參加了面包板的組織的ST開(kāi)發(fā)板和uFun開(kāi)發(fā)板的活動(dòng)，學(xué)到到了不少新知識(shí)；后來(lái)就想把之前做的一些小實(shí)驗(yàn)做成一塊小板子，主要硬件功能是使用STM32采集編碼器或接收紅外數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速與電流大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口芯片將打印消息輸出到PC顯示。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1.原理圖設(shè)計(jì)

2.2.PCB設(shè)計(jì)

3.回板焊接調(diào)試

在調(diào)試硬件的時(shí)候，紅外接收頭的輸出引腳輸出不正常，有異常波形輸出，通過(guò)排查是因?yàn)?/span>R7這個(gè)串阻剛開(kāi)始使用的是10K，太大了，數(shù)據(jù)手冊(cè)上建議是100~200R左右，所以在改成150R后，紅外的接收就正常了，另外R8是一個(gè)可選焊器件。

4.STM32CubeMX設(shè)置

在使用STM32CubeMX自動(dòng)生成MDK 5版本的Keil工程后，直接打開(kāi)工程，將調(diào)試工具配置成J-LINK，SWD模式，不管怎么操作，就是識(shí)別不到STM32這個(gè)芯片，檢查原理圖和焊接也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就在快要崩潰的時(shí)候，自己手動(dòng)新建KEIL工程，一步步配置，竟然可以正確識(shí)別到芯片了，也可以下載了。這個(gè)問(wèn)題之前也沒(méi)碰到過(guò)，不知道有沒(méi)有網(wǎng)友有這樣的經(jīng)歷，知道是怎么回事的……

一大波動(dòng)圖讓你真正了解電機(jī)

電機(jī)就是一種將電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)一般有兩種應(yīng)用形式：第一種是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，稱之為發(fā)電機(jī);第二種是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，稱之為電動(dòng)機(jī)。

電機(jī)運(yùn)行原理基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)具備能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩大部件：建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的部件，感生電動(dòng)勢(shì)并流過(guò)工作電流的被感應(yīng)部件。這兩個(gè)部件中，靜止的稱為定子，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的稱為轉(zhuǎn)子。定、轉(zhuǎn)子之間有空氣隙，以便轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

電磁轉(zhuǎn)矩由氣隙中勵(lì)磁磁場(chǎng)與被感應(yīng)部件中電流所建立的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩的作用，發(fā)電機(jī)從機(jī)械系統(tǒng)吸收機(jī)械功率，電動(dòng)機(jī)向機(jī)械系統(tǒng)輸出機(jī)械功率。建立上述兩個(gè)磁場(chǎng)的方式不同，形成不同種類(lèi)的電機(jī)。

1、按工作電源種類(lèi)劃分

2、按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分

3、按啟動(dòng)和運(yùn)行方式劃分

4、按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分