众所周知，在生活和生产中，机器人能模仿人类的行为。比如巨型的机械臂机器人可以组装汽车；扫地机器人可以依靠轮式底盘移动，通过转动小扫把来清洁地面。

工业机械臂

大家对机器人的这些行为已经司空见惯。要让机器人动起来，就需要有动力源驱动它，常见的机器人驱动方式有液压、气动和电动三种。

液压驱动常用于大负载的情形，气压驱动常用于负载小、精度要求低的场景。相比之下，电机的驱动就比较简单、稳定性好，应用也比较广泛，比如机械臂的关节、家用电器的驱动。

风扇里的电机驱动

在机器人的设计过程中，电机是一个比较重要的驱动单元，就好比人类的肌肉和关节。电机将电能转化为机械能，为机器人的运动产生驱动转矩（让机器人动起来），被广泛应用在机器人的关节驱动、轮式底盘驱动等方面。

机器人中的应用

电机有两种供电方式，直流和交流。直流电机可以用锂离子电池之类的直流电源供电，所以在机器人行业被广泛应用。

根据是否带有电刷换向器，又可以将直流电机分为有刷电机和无刷电机。

直流有刷电机

直流有刷电机的结构比较简单，通过换向器进行换向。通电线圈在磁场中受安培力，开始旋转。

红线为电流、绿线为磁力、蓝线为受力方向

当转到平衡位置时，换向器就会和电源失去连接，但没关系，转子会靠惯性继续转动，转过平衡位置。这时，换向器和电刷的结构会使电流方向发生逆转，线圈产生的磁场方向也随之改变，即完成了一次机械换向的过程。

直流有刷电机原理

但由于电刷和换向器长期互相摩擦，导致机械磨损，因此有刷电机噪音大、寿命短、需要定期维护。而无刷电机的出现恰好解决了这个问题。

有刷电机受磨损

直流无刷电机

直流无刷电机的结构稍复杂一些，它不利用机械换向，而是用电子换相。

三相内转子无刷电机

图中的黄色部分是三个线圈绕组，代表三个相，它们的一端在中心相连，另一端分别引出“A”、“B”、“C”三个端子。

如果对三个端子两两通电，那就有 6 种通电情况：A 正 B 负、A 正 C 负、B 正 A 负、B 正 C 负、C 正 A 负、C 正 B 负。

不管什么组合，每一时刻都有两个线圈有电，然后产生磁场。

两个带电线圈产生磁场

如果再按照一定的次序通电，就产生了下图的磁场：

红箭头表示每个线圈产生的磁场，黄箭头表示两个线圈合成的磁场。可以看出，无刷电机是定子绕组产生了旋转的磁场。

那么，转子又在干嘛呢？转子是永磁体，因为异性相吸同性相斥的原理，转子会被定子产生的磁场带动，跟随定子磁场的脚步一起转起来。

转子转动

而每当转子要与定子对齐的时候，我们就换一次相，转子就永远都追不上定子了。想想也是一个伤感的故事。

我们把转子的结构加上，看几个典型的例子：

下图从左往右分别是，三相三绕组一极对、三相六绕组二极对、三相六绕组四极对内转子电机，绕组数就是它的定子中线圈绕组的数量，极对数就是内转子的极对数量。

转子在内部

不仅有“转子在内部”的无刷电机，还有“转子在外部”的无刷电机。虽然转子位置不同，但基本原理是一致的：

转子在外部

它的转子在电机外壳上，电机转动时，内部的线圈绕组不动，外壳和转子转动。因为一般外壳的质量比较大，所以转子的转速较低，电机扭力输出大，航模用得比较多。

电机驱动器

要给它们两两交替着通电，不可能用双手疯狂地换着插电，就算你的手速跟得上电机转速让它顺畅地转起来，你也没法控制转速。这时，就需要用到电机驱动器，也称电子调速器（Electronic Speed Control，ESC），简称电调。

电机驱动器

顾名思义，电机驱动器就是驱动电机的，它通过控制 A、B、C 三端的输入，让电机转起来，并且控制电机的转速和方向。

左：电调；右：电机

无刷电机的转子在匀速转动时，各定子绕组会产生反电动势，电机结构不同，产生的反电动势波形也会不同，有方波反电动势和正弦波反电动势。

方波的通常采用方波电流驱动，正弦波的通常采用正弦波电流驱动。

方波反电动势和正弦波反电动势

方波驱动

无刷电机有 A、B、C 三相输入端口，所以电调有三个输出端，一个端有两个开关，一共是六个开关，这也叫全桥驱动电路：

全桥电路

每次按照一定的次序同时闭合两个开关，就可以保证 A、B、C 每次都有两个端口连接电源的正负极：

两两通电

利用开关器件来控制电机和电源的连接，就是驱动的原理。（如何控制开关，这属于电控知识，在这不展开说。）

那如何调速呢？我们引入脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），PWM通过调制一列方波的脉冲宽度，来改变输出到电机的平均电压，而平均电压一变化，速度就变化了。

一列方波

电机的驱动和调速原理就到此为止了？

方波驱动的定子线圈绕组中的电流是瞬间变化的，产生的磁场力合力的方向也是瞬间偏移 60°，所以转子并不是平稳地转过每一个 360°，而是像时钟一样，一格一格地走，这就形成了转矩脉动。

如何抑制转矩脉动？我们还有第二种驱动方式——正弦波驱动。

正弦波驱动

利用正弦波电流驱动可以有效降低转矩脉动的现象。但正弦波驱动也有缺点，就是控制过程较复杂，且成本较高。想用正弦波电流来驱动电机，就要求反电动势是正弦波。

左：方波；右：正弦波

正弦波驱动电机的方式也是全桥电路，但它的调速方式和方波驱动不同。

常见的正弦波控制方法有电压正弦波控制（sinusoidal pulse width modulation，简称 spwm）、磁场定向控制（field-oriented control，简称 foc，也称矢量控制，vector control）和直接转矩控制（direct torque control，简称 dtc）。

foc 方式被广泛应用，接下来我们主要介绍 foc 的控制思想。

要理解 foc 的控制思想，我们得再复习一下直流有刷电机。直流有刷电机能转起来是因为磁场和电流互相作用产生了力（转矩），转矩的大小由磁场和电流决定，而定子（永磁体）产生的磁场是固定的。所以只要控制电流就可以控制转矩量，速度也就能控制了。