电机的基本组成与工作原理

任何电机都包含两个基本组成部分：定子（Stator）和转子（Rotor）。

• 定子： 电机的静止部分，通常由铁芯和绕组构成。绕组通入电流后产生磁场。
• 转子： 电机的旋转部分，同样由铁芯和绕组（或永磁体）构成。转子受定子磁场的作用而旋转。

电机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。通电导体在磁场中会受到力的作用（电磁力），利用这一原理，通过合理设计定子和转子的绕组和磁场分布，可以使转子持续旋转。例如，直流电机利用换向器改变电流方向，从而使转子始终受到一个方向的力；而交流电机则利用交变电流产生的旋转磁场驱动转子旋转。

电机分类

按工作电源类型分类

这是最基础的分类方式，主要分为两大类：

• 直流电机 (DC Motor)：使用直流电源工作，其特点是控制简单，调速性能好，但需要换向器进行机械换向，可靠性相对较低。根据结构又可细分为：
  • 有刷直流电机：包含永磁直流电机和电磁直流电机。其中，电磁式直流电机按励磁方式还可分为串励、并励、他励和复励四种。
    • 永磁直流电机： 使用永磁体提供磁场，体积小，效率高，但受永磁体材料的限制。
    • 串励电机： 励磁绕组与电枢绕组串联，启动转矩大，但速度随负载变化大。
    • 并励电机： 励磁绕组与电枢绕组并联，速度稳定性好，但启动转矩较小。
    • 他励电机： 励磁绕组由独立的直流电源供电，调速性能好，应用广泛。
  • 无刷直流电机 (BLDC)：利用电子换向代替机械电刷，效率和可靠性更高。

• 交流电机 (AC Motor)：使用交流电源工作，其特点是结构简单，可靠性高，维护方便，但调速性能相对较差。根据供电相数可分为：1、单相交流电机：常用于家用电器等小功率场合、单相电源场合，功率较小，效率较低。2、三相交流电机：工业应用的主力，功率较大。根据结构和工作原理，交流电机可以分为：
  • 异步电机（感应电机）： 转子绕组不与外部电源连接，通过电磁感应产生转子电流。异步电机是最常用的交流电机，效率高，维护简单。鼠笼式异步电机： 转子绕组由导条和端环组成，结构简单，运行可靠。绕线式异步电机： 转子绕组通过滑环和电刷连接到外部电阻，可以改善启动性能和调速性能。
  • 同步电机： 转子速度与定子旋转磁场的速度同步。同步电机通常用作大型发电机的驱动源。凸极式同步电机： 转子磁极为凸出形状，磁阻大。隐极式同步电机： 转子磁极为圆柱形，磁阻小。

按结构和工作原理分类

这种分类方式更深入地反映了电机的运行机制。

• 同步电机 (Synchronous Motor)：其转子转速与定子旋转磁场的转速严格同步，不受负载影响。主要包括：
  • 永磁同步电机：使用永磁体提供励磁，效率高，应用广泛。
  • 磁阻同步电机：利用转子磁阻不等产生转矩。
  • 磁滞同步电机：利用磁滞材料产生转矩。
• 异步电机 (Asynchronous Motor)：也称感应电机，其转子转速总是略低于同步转速，二者存在“转差率”。主要分为：
  • 感应电动机：最常见，包括三相异步电动机和单相异步电动机等。按转子结构还可分为笼型和绕线型。
  • 交流换向器电动机：这类电机结构较特殊，包含单相串励电动机、交直流两用电动机等。

二者都是交流电机按工作原理的细分：

直流电机交流电机与同步电机异步电机的关系

同步电机和异步电机通常都属于交流电机；直流电机一般不属于同步/异步交流电机这一分类体系。

电机 ├─ 直流电机：按直流电源工作 │ ├─ 有刷直流电机 │ └─ 无刷直流电机 BLDC │ └─ 交流电机：按交流电源工作 ├─ 同步电机：转子转速=定子旋转磁场转速 │ ├─ 永磁同步电机 │ ├─ 磁阻同步电机 │ └─ 磁滞同步电机等 │ └─ 异步电机/感应电机：转子转速 ≠ 同步转速，存在转差率 ├─ 三相异步电机 └─ 单相异步电机等

直流电机与同步/异步电机的关系：

• 传统有刷直流电机靠换向器和电刷实现换向，转速与交流电源频率没有直接“同步”关系，因此通常不按“同步/异步”来分类。
• 无刷直流电机 BLDC比较特殊：从物理结构看，它常可归入永磁同步电机的大类；但在工程应用和控制方式上，常单独称为“无刷直流电机”，因为：

所以可以说：BLDC 与永磁同步电机关系很近，但工程上常分开称呼。

单相交流电机三相交流电机与同步电机异步电机的关系

单相交流电机里既可能有异步电机，也可能有同步电机；三相交流电机里同样既可能有异步电机，也可能有同步电机。

交流电机 │ ├─【按供电相数分】 │ ├─ 单相交流电机 │ │ ├─ 单相异步电机：电容起动/电容运转/罩极式等，最常见 │ │ ├─ 单相同步电机：磁滞同步、永磁同步等，较少见 │ │ └─ 单相串励电动机/交直流两用电动机：有刷换向器式， │ │ 通常不归入同步/异步感应电机 │ │ │ └─ 三相交流电机 │ ├─ 三相异步电机：笼型、绕线型，工业主力 │ └─ 三相同步电机：永磁同步、电励磁同步、磁阻同步等 │ └─【按工作原理/转速关系分】 ├─ 同步电机：转子转速=定子旋转磁场同步转速 │ ├─ 可做成单相同步 │ └─ 可做成三相同步 │ └─ 异步电机/感应电机：转子转速 ≠ 同步转速，存在转差率 ├─ 可做成单相异步 └─ 可做成三相异步

更直观的交叉表：

常见的组合有：

• 单相异步电机：如电风扇、洗衣机、冰箱压缩机等常用电容起动/电容运转电机。
• 三相异步电机：工业泵、风机、压缩机、传送带等主力电机。
• 三相同步电机：大型发电机、永磁同步驱动、部分工业直驱等。
• 单相同步电机：如磁滞同步电机用于计时机构、仪器仪表等，功率通常较小，不如单相异步常见。
• 另外要注意：单相交流电机还包括单相串励电动机，例如吸尘器、电动工具中的“交直流两用电机”。它有电刷和换向器，既不是典型同步电机，也不是典型异步感应电机，属于交流换向器电机这一类。

按结构形态分类

• 旋转电机：绝大多数电机的形态，作旋转运动。
• 直线电机：可以看作旋转电机沿径向剖开并拉平演变而来，直接产生直线运动，无需中间转换机构。

按用途分类

• 驱动用电动机：作为动力源，广泛应用于电动工具、家电、工业机械等。
• 控制用电动机：用于自动化控制系统，要求高精度。主要包括：
  • 步进电机：将脉冲信号转换为角位移，适合开环控制。
  • 伺服电机：在伺服系统中控制机械元件运转，精度高、响应快。

关系梳理

有刷电机、无刷电机、步进电机、伺服电机、编码电机、舵机理解

电机 │ ├─【维度A：按电源与电磁原理分类】 │ ├─ 直流电机 │ │ ├─ 有刷直流电机（日常常简称“有刷电机”“直流电机”） │ │ └─ 无刷直流电机 BLDC（日常常简称“无刷电机”） │ │ └─ 步进电机 （常被归入无刷直流电机的特殊子项） │ │ │ └─ 交流电机 │ ├─ 同步电机（步进电机在原理上也常被视作同步电机的一种） │ └─ 异步电机/感应电机 │ ├─【维度B：按功能、控制方式或系统集成形态分类】 │ ├─ 伺服电机 │ │ ├─ 直流伺服电机（内含 有刷直流伺服/无刷直流伺服） │ │ └─ 交流伺服电机（内含 同步交流伺服/异步交流伺服） │ │ └─ 舵机 ≈ 一种高度集成、简化的直流伺服系统 │ │ │ ├─ 步进电机（同时也是维度A中的特殊无刷直流/同步类电机） │ │ │ └─ 编码电机 │ └─ 不是一种电磁原理上的电机类型，而是“电机+编码器”的集成称谓， │ 底层电机通常是有刷或无刷直流电机，用于实现闭环反馈 │ └─【特殊说明：无刷直流电机 BLDC 与 永磁同步电机 PMSM】 两者物理结构高度接近，常被视为同一大类下的不同工程化侧重； BLDC 侧重方波/梯形波驱动与六步换向，PMSM 侧重正弦波驱动与矢量控制。

有刷电机 / 无刷电机
“有刷电机”在日常语境下，通常就是指有刷直流电机；但严格来说，有刷/无刷描述的是“换向方式”：有刷靠电刷与换向器机械换向，无刷靠电子电路换向。在直流电机范围内，有刷直流和无刷直流是并列的两大子类。所以“有刷电机=有刷直流电机”“无刷电机=无刷直流电机”是有条件的等号——在常规直流驱动场景中成立，但严格术语上，有刷/无刷本身不锁死电源类型。交流电机也可以有有刷结构（如绕线转子异步电机）。

步进电机
“步进电机”在分类上具有双重归属：从驱动电源看，它常被归入广义直流电机的特殊项（无刷直流电机的一种）；从运行原理看，它又可被视为一种脉冲控制的同步电机。所以它不是传统意义上的普通直流电机，而是一种为“精确步进定位”而设计的特种控制电机。

它的特殊性在于：不能直接接普通直流或交流电源运行，必须由专用驱动器把脉冲信号转换成各相绕组的通断顺序。因此它既是“脉冲控制的特种电机”，又在物理本质上常被归为无刷直流电机或同步电机。它不是普通“直流电机”的日常指代对象。

伺服电机
伺服是一个系统级/功能级概念，核心是“闭环反馈 + 精确控制位置/速度/转矩”。它既可以建在直流电机上（直流伺服），也可以建在交流电机上（交流伺服）。所以“伺服电机”不属于直流或交流中的任何单一子项，而是横跨两类电源的功能大类。

编码电机
更准确地说，它是“集成编码器的电机”的通俗叫法。编码器是反馈元件，本身不决定电磁原理。市面上的编码电机底层大多是有刷或无刷直流电机，加编码器是为了实现闭环控制。所以它是一个产品形态描述，不是电磁分类层级上的类型。

舵机
舵机是一个高度集成的微型伺服系统，内部通常包含直流电机、减速齿轮、控制电路和位置反馈（电位器或编码器），本质上是一种简化的位置伺服。它属于伺服家族的“简化版/微型版”，通常归入直流伺服系统的应用形态。

伺服电机和步进电机的区别

一个重要的中间选项：闭环步进

• 在开环步进与全伺服之间，还存在闭环步进电机（也称混合伺服）。它在步进电机上加装了编码器，能检测并修正丢步。
• 它的定位很巧妙：
  • 保留了步进电机的优点：低速大扭矩、成本相对较低。
  • 弥补了核心缺陷：解决了开环步进“丢步不自知”的问题，可靠性提升。
  • 但天花板仍在：其本质仍是步进电机，高速性能和动态响应远不及真正的伺服电机，不适合飞剪、同步追剪等高动态场合。
• 因此，闭环步进适合中低速、中等精度、且担心开环丢步的场景，例如雕刻机、点胶机等。

选择哪种电机，本质上是在性能与成本/简易性之间做权衡。你可以遵循一个简单的决策路径：

• 追求极致性价比与简单控制，且负载稳定、速度要求不高（如 < 600 RPM），选开环步进。
• 需要步进的低成本，又担心丢步，且速度要求适中（如 < 1500 RPM），选闭环步进。
• 要求高精度、高速度、高动态响应，或负载变化大、需要复杂运动规划，则应选择伺服电机。虽然前期投入高，但在高性能场景下，其综合效益和稳定性往往是更优解。

编码电机、伺服电机和步进电机的关系区别

编码电机是“带反馈的电机形态”；伺服电机是“闭环控制系统中的执行电机”；步进电机是“脉冲定位的电机类型”。编码电机与伺服有交集但不相等；步进电机可以是开环，也可以加编码器变成闭环步进，但通常仍归步进类。

电机 │ ├─【按电磁原理/控制方式】 │ ├─ 步进电机 │ │ ├─ 开环步进电机：无编码器，靠脉冲计数定位 │ │ └─ 闭环步进电机：加装编码器，能检测/纠正丢步 │ │ └─ 属于“带编码器的电机”，但本质仍是步进电机 │ │ │ ├─ 直流电机 │ │ ├─ 有刷直流电机+编码器 ┐ │ │ └─ 无刷直流电机+编码器 ┴→ 常被通俗称为“编码电机” │ │ │ └─ 交流电机 │ ├─ 同步电机 │ └─ 异步电机 │ ├─【按是否集成反馈元件】 │ └─ 编码电机 │=电机+编码器 │ ├─ 底层可是有刷直流、无刷直流、步进等 │ └─ 不一定构成完整伺服系统，取决于是否有闭环驱动器 │ └─【按系统功能/控制形态】 └─ 伺服电机系统=伺服电机+编码器/反馈+伺服驱动器+闭环控制 ├─ 直流伺服：底层常有刷/无刷直流电机 └─ 交流伺服：底层常为永磁同步电机或异步电机

核心区别表：

两两关系厘清：

• ① 编码电机 vs 伺服电机：有交集，但不等同
  • 伺服电机通常一定带编码器/反馈，所以可以说“伺服电机常常是编码电机的一种系统化高级形态”。
  • 但编码电机不一定是伺服电机。比如一个普通有刷直流减速电机加一个低成本编码器，只用来测速或简单定位，没有伺服驱动器做完整闭环动态控制，它只是“编码电机”，不是完整伺服系统。
  • 关键看：是否有闭环驱动器、是否构成位置/速度/转矩闭环控制。编码器只是必要条件之一，不是充分条件。
• ② 编码电机 vs 步进电机：可交叉，但本质不同
  • 开环步进电机通常没有编码器，靠脉冲计数定位。
  • 给步进电机加编码器，就变成闭环步进电机，它属于“带编码器的电机”，但工程上一般仍称“闭环步进”，不直接叫“编码电机”或“伺服电机”。
  • 常见“编码电机”多指直流电机+编码器形态；步进电机是另一种电磁原理。两者底层不同。
• ③ 伺服电机 vs 步进电机：控制逻辑与性能层级不同
  • 步进电机擅长开环、低成本、低速大扭矩、简单定位。
  • 伺服电机擅长闭环、高精度、高动态、高速、变负载、过载能力强。
  • 闭环步进是两者之间的折中：保留步进低速力矩和低成本，增加编码器纠错，但高速和动态性能仍不及真正伺服。

选型上的简单判断：

• 只要简单定位、成本敏感、速度不高、负载稳定：选开环步进电机。
• 想要步进的低成本低速大扭矩，又怕丢步：选闭环步进电机。
• 只需要测速、里程计或简单闭环稳速，底层用直流电机即可：选编码电机（如有刷/无刷直流减速电机+编码器）。
• 要求高精度、高动态、高速、变负载、多轴同步：选伺服电机系统。注意：伺服系统贵的不只是电机，而是“电机+编码器+伺服驱动器+调试”的整体。

伺服电机不是同步电机

伺服电机：“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动；当控制信号发出时，转子立即转动；当控制信号消失时，转子能即时停转。伺服电机通常包含三环PID控制：由内到外依此是 电流环-速度环-位置环。（在稚晖君的FOC算法介绍中也有提到）

伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从而调整转子转动的角度，伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

永磁同步电机和直流无刷电机的区别

主要区别：
现代电机与控制技术以电流驱动模式的不同将永磁无刷直流电动机分为两大类：1）方波驱动电机，也即无刷直流电机（BLDC，Brushless Direct Current Motor）；2)正弦波驱动电机：也即永磁同步电机（PMSM， permanent magnet synchronous motor）。

三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢？
从原理上讲，三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的，只不过是运行性能可能很差，如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波，则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗，温升很高。

舵机

舵机是伺服电机中的一种， 由直流电机加上反馈控制回路组成，能够利用简单的输入信号比较精确地转动给定角度的电机系统。 一般使用PWM（脉冲宽度调制）来控制。 主要分成两种类型：有限旋转舵机（输出旋转角度）和连续旋转舵机（输出旋转速度）。

工作原理：

• 控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，若舵机转动角度和目标角度（根据脉冲宽度决定）一致，那么电机静止保持不动，，否则控制舵机转动到目标角度。
• 舵机分类：1. 航模舵机航模用的舵机，也包括车模，船模等模型，舵机外壳不适用机器人 2.机器人舵机：机器人使用的舵机，一般厂家生成的内部构成与航模舵机并无不同，只是把外壳改为方便机器人肢体组装的样式，但其实机器人舵机不应该只是外壳的区别，在内部零件选择，软件调整参数上也要根据机器人对舵机的需求来适配。3. 模拟舵机：内部的信号处理器件是模拟芯片 ，控制方式 PWM信号，刷新频率低 4. 数字（数码）舵机：内部的信号处理器件是数字芯片，可编程芯片，控制方式 PWM信号，刷新频率低，但通常在负载时噪声较大，电磁干扰比较严重 5. 总线（串口）舵机：内部的信号处理器件是可编程芯片，控制方式 TTL，RS485等，具有用户自定义调参，回读角度，温度，电流，电压等功能
• 舵机工作原理图

• 简述其工作原理如下：
  • 1、输入的控制信号与内部的单稳电路输出的信号，在脉宽比较器里进行对比。当两个信号等宽时（图中脉冲1所对应的A、B、C波形），后续电路、马达和相应的机械均不工作、运转（控制信号正极性、单稳输出负极性且脉宽相等时，相当于算式1+（-1）=0）。
  • 2、当输入的控制信号大于单稳脉冲宽度时（图中脉冲2所对应的A、B、C波形），脉宽比较器输出正电压，后续电路及马达等部件开始正向工作，带动反馈电位器转动，电位器的阻值改变，单稳脉宽也跟着改变（增宽）。直至单稳脉宽等于控制信号的脉宽时，脉宽比较器才停止输出正电压（相当于算式2+（-1）=1和2+（-2）=0）。
  • 3、当输入的控制信号小于单稳脉冲宽度时（图中脉冲3所对应的A、B、C波形），脉宽比较器输出负电压，后续电路及马达等部件开始反向工作。同理，单稳电路输出的脉宽将变窄。当两个脉宽再次相等时，马达停止转动（相当于算式0+（-1）=-1和0+0=0）。假设在2所述的状态下：马达得正电压时是顺时针转动，同时带动电位器也顺时针转动，电位器阻值增大，延时电路的脉宽增宽，最终正负脉宽平衡后马达停转，舵臂摆动并停顿在指定的位置。那么：这个舵机和相应的部件构成的是一个闭合的负反馈电路，处于正常工作状态。
• 模拟舵机需要一个外部控制器（遥控器的接收机或者单片机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置(对于180°舵机)，如下图。

• 某品牌舵机电路图

电机理论基础与控制技术

电机的数学模型

建立电机的数学模型是理解和控制电机的重要基础。电机的数学模型可以描述电机内部电压、电流、磁链、转矩等物理量之间的关系。常用的电机数学模型包括：

• 直流电机模型： 包括电枢回路电压平衡方程、转矩方程和运动方程。这些方程描述了电枢电压、电枢电流、反电动势、电磁转矩和转速之间的关系。
• 交流异步电机模型： 通常采用同步旋转坐标系下的 d-q 模型。该模型将交流电机转化为等效的直流电机，简化了电机控制的复杂性。
• 交流同步电机模型： 也采用同步旋转坐标系下的 d-q 模型。模型中考虑了转子的磁极位置和磁链关系，可以更精确地描述电机的动态特性。

应用场景

• 电动汽车电机：大多国产新能源汽车选择采用永磁同步电机，包括北汽新能源、比亚迪、小鹏汽车、哪吒汽车、威马汽车等。特斯拉就是使用交流异步电机的典型代表，此外，大部分新能源客车、蔚来ES8等也在使用交流异步电机。参考推文
• 云台电机：一般是永磁三相无刷电机
• 航模电机
• 机器人电机
• 船舶：电动舵机系统

参考：电机学习

电机控制技术

电机控制的目标是实现对电机转速、转矩和位置的精确控制。常用的电机控制方法包括：

• 直流电机控制：
  • 调压调速： 通过改变电枢电压来调节电机转速，简单易行。
  • 励磁控制： 通过改变励磁电流来调节电机转速，适用于宽范围调速。
  • 脉宽调制 (PWM) 控制： 通过改变 PWM 信号的占空比来调节电机电压，效率高，响应速度快。
• 交流电机控制：
  • 变频调速 (VFD)： 通过改变电源的频率来调节电机转速，应用广泛，节能效果显著。
  • 矢量控制 (FOC)： 通过控制电机的定子电流矢量，实现对电机转矩和磁链的独立控制，性能优异。
  • 直接转矩控制 (DTC)： 直接控制电机的转矩和磁链，响应速度快，控制简单。

电机的损耗与效率

了解电机的损耗组成和效率，对于提高电机的效率和优化电机设计至关重要。电机的损耗主要包括：

• 铜损： 由绕组的电阻引起的损耗，与电流的平方成正比。
• 铁损： 由铁芯的磁滞和涡流引起的损耗，与频率和磁通密度的平方成正比。
• 机械损耗： 由轴承摩擦和风阻引起的损耗，与转速成正比。
• 附加损耗： 由谐波电流、齿槽效应等因素引起的损耗。

电机的效率定义为输出功率与输入功率之比。提高电机效率的方法包括：采用高导磁材料，优化绕组设计，减小气隙，提高绝缘性能，以及采用节能控制方法等。

有刷直流电机与无刷直流电机结构、原理与控制

有刷直流电机

内部结构

从结构上看，直流电机主要有以下四个部分：

• 定子（Stator）：定子是电机的静止部分，通常由永磁体（如铁氧体）或电磁绕组构成，用于产生固定的磁场；
• 转子（Rotor，也称电枢）：转子是电机的旋转部分，由铁芯和绕在铁芯上的线圈（电枢绕组）组成。当电流通过这些线圈时，会产生电磁场。与定子中间存在气隙；
• 换向器（Commutator）：换向器是一个安装在转子轴上的圆筒形部件，由多个相互绝缘的铜片组成。它的作用是随着转子转动，周期性地改变电枢绕组中的电流方向；
• 电刷（Brushes）：电刷通常由碳或石墨制成，固定在电机外壳上，与换向器表面滑动接触。它将外部电源的直流电导入旋转的电枢绕组中。

工作原理

有刷直流电机的工作基于电磁感应和洛伦兹力的物理原理，也就是通电导体再磁场中受力从而获得旋转。具体原理是：

• ①当直流电源通过电刷接入换向器时，电流流入转子上的电枢绕组；
• ②载流导体（转子线圈）置于定子产生的恒定磁场中，受到洛伦兹力的作用(如下图所示受力)，从而产生转矩，驱动转子旋转。旋转半圈以后通过换向器改变电流方向，因此当线圈旋转后受力方向向下可以使得转子继续向同一方向旋转，这样定子就可以持续旋转。

因此通过改变电流的方向，可以实现直流电动机的正反转。同时，通过改变电流的大小，还可以控制直流电动机的转速。


有刷直流电机通常只有两根线。一边接正极、一边接负极就正转；把正负极对调就反转。所以大家会说“一根电源、一根 GND（其实是正负极）就能正反转”。

电机本身可以换向，控制电路不一定只有两根线。手动对调正负极就能反转。如果要用单片机/遥控自动正反转，电机端仍是两根线，但前面要加H桥（如L298N、TB6612、DRV8833）或继电器换向。控制器这边还会有方向、PWM等信号线。

为何需要换向器？
换向器，也叫整流子，是直流电机电枢上重要部件，其主要作用就是让电机持续转动。换向器由一组固定在旋转机器或转子圆周部分周围的铜片和一组固定在机器固定框架上的弹簧刷组成。

如上我们提到直流电机旋转工作原理中换向器的作用，如果当转子旋转到线圈平面与磁场垂直时（即“中性面”）（也就是有刷电机转子转半圈），如果不改变电流方向，洛伦兹力的方向就会反向，导致作用在同一根导线上的转矩反向，转子就会往回转，电机转不动或只会抖，无法持续单向旋转。换向器和电刷的作用，是转子转到一定角度时，自动把绕组里的电流倒一下，让转矩始终朝同一个方向。

这是电机内部的机械换流，转起来就一直在做，和你要正转还是反转无关。没有它，直流电机转不起来。

有刷直流减速电机：普通的有刷直流电机通常转速高、力矩小。一般在力矩需求大、转速小的场景都会用到减速箱与电机配合使用。

无刷直流电机

无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称 BLDC）是现代电机技术中的重要代表。它去掉了传统有刷电机中的电刷和换向器，通过电子方式控制电流换向，因此具有高效率、长寿命、低噪声、高可靠性等优点，广泛应用于无人机、电动工具、电动汽车、空调风扇、硬盘驱动器等领域。

内部结构

与有刷直流电机不同的是，磁铁都集中在转子上，绕组线圈在定子上面，结构主要分为以下几个部分：

• 定子（Stator）：定子是固定不动的部分，由铁芯和嵌在槽中的多组线圈（绕组）组成。常见的是三相绕组，每组由多个线圈串联或并联而成，空间上彼此相差120°电角度。BLDC定子如下图：
  
• 转子（Rotor）：通常由永磁体（如钕铁硼）制成，表面有多个磁极，根据应用，极数可以在2到8个之间变化，北极（N）和南极（S）交替放置，如下图BLDC转子所示几种布置方式。无刷直流电机没有电刷，因此转子上没有任何电线或换向器，结构上较为简单。（a）磁体放置在转子的外周上；（b）电磁嵌入式转子，其中矩形永磁体嵌入转子的铁心中；（c）将磁体插入转子的铁芯中
  
• 电子换向系统（电机开关电路 + 位置传感器）：这是无刷电机的大脑，由于BLDC电机中没有电刷，因此换向是电子控制的。为了使电机旋转，必须顺序地给定子绕组通电，并且必须知道转子的位置（即转子的北极和南极）才能精确地给一组特定的定子绕组通电，这里转子位置传感器就起到了检测转子位置的作用。
  • 转子位置传感器：一般用霍尔传感器，这是一种非接触式的传感器，通过检测通过霍尔元件附近的磁场强度变化来生成电信号。大多数BLDC电机使用三个霍尔传感器，这些传感器嵌入到定子中，转子处在南极或北极会使得霍尔传感器输出高或低的电信号，利用这三个传感器检测到的电信号即可明确转子的位置信息。
  • 电子开关电路：驱动电路一般是由6个MOSFET组成的三相桥式电路，这 6 个 MOS 管分为两组，三个高边 MOS 连接电源正极（VBus），三个低边 MOS 连接电源负极。通过控制 MOS 管通断，实现电流在电机绕组中分配，推动电机运转。

然后控制器通过控制 6 个 MOS 管通断，实现 BLDC 换相，调节电机转速、转向，以此来满足不同应用需求，如电动汽车的加减速与能量回收。电机运转中若堵转引发过流，MOS 驱动电路能检测并切断电路，保护控制器和电机，确保系统运行。直流无刷电机驱动电路如下：

交流电机的驱动

简单版本：逆变电路-直流无刷电机驱动

带FOC算法

Field oriented control (FOC) 算法的主要任务是基于用户定义的电压uq，通过连续读取电机转子位置a，计算出适当的相电压ua,ub和uc。 FOC算法在电机转子中产生磁场的相位电压，该磁场正好在转子的永磁体的磁场后面90度，创造了一个推动效应。FOC工作流程

参考：深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术