电机在现代社会中是个再一般不过的机电类产品，电机技能的老练运用，使得这种能把电能转化为机械能的设备能够说是无处不在了，近到咱们随身携带的手机，远到探究星际的飞船都有它们的存在。它们有着多种多样的分类和用处，能制成巨细各异的体积，完结林林总总的操控、传动需求，在机电一体化设备中有着不行替代的方位。即便是在电子爱好者中，它们也相同有着十足的用武之地——制造林林总总的小型机器人、遥控玩具车船、散热设备、电动工具、乃至是简易的发电配备等。这个系列的文章便是简略地对一些常用的小型电机做介绍，便利咱们了解和运用这些让咱们入神的小精灵。
。在百科的词条中是这样界说的：将直流电能转化成机械能(直流电动机)或将机械能转化成直流电能(直流发电机)的旋转电机。在一些当地俗话中会称之为马达、摩打等，多为英文的音译。从英国科学家迈克尔.法拉第（MichaelFaraday
）创造国际第一台电机（1821年）到现在已经有191年的前史了，直流电机的制造及使用技能已经是适当老练的了。回头看看法拉第的第一台电机是怎么样的呢？他的试验是在一个碟子中倒入水银，其间为永磁铁，在碟子上面悬挂一根导线，导线一端衔接电池的正极，另一端则浸泡在水银中，水银则和电池负极相连，水银有导电性和流动性，在这儿就充当了电刷的人物。电流经过导线，发生磁场，和放置在碟子中的磁铁发生彼此效果力，这使得导线翘起围着磁铁旋转。图1所示的便是原始的法拉第试验示意图。尽管这个试验中的设备并没有有用的价值，但从原理上是契合了直流电机的界说，咱们也能够用这个试验原理拷贝一些小的电动机试验玩具。图2所示便是一个运用这个原理制造的最简略电机试验，制效果料很简略，电池、铜丝和圆柱形钕铁硼磁铁块。制造办法是先把铜丝做成直径比电池直径略大一点的铜丝圈，把圆柱形钕铁硼磁铁块吸在电池的负极，铜丝圈接口处的铜线放在正极上适当于电机上的转轴，铜丝圈的另一端触摸到电池负极下的磁铁块，钕铁硼磁铁块具有导电性就适当于直流有刷电机中的电刷，放置好后电流流过铜圈，发生磁场，当和钕铁硼磁铁块的磁场彼此效果时，线圈就滚动了。（注：图中钕铁硼下面的一般磁铁块只起固定效果，能够不运用）有爱好的朋友能够做来哄小朋友，简略而又有教育效果。演示的视频能够到下面地址观看
斯特格恩（WilliamSturgeon）才制造出第一台具有有用性的四芯电机，并且最重要的是这个电机已具有了电刷来换相，是现代电机的原形。它的原理图如图3所示。到了1834年，美国人托马斯·达文波特（ThomasDavenport）制造出了第一辆直流电机驱动的电动车模型，如图4所示。尽管这辆直流电机驱动的电动车与现代的直流电机在性能及造型上比较有着大相径庭，可是其根本原理以及结构的组成要素都是相同的，仅仅完结的办法不同了。在商业化供电网还没呈现之前，电机只能靠酸性电池来做动力，动力问题使得电机的开展一度停滞不前。当今，在网络供电年代，电机的动力供应问题得到了处理，电机得以飞速地开展，一起凭借越来越先进的驱动操控技能，不单单是能够完结更大的动力输出，并且能完结更高速和准确地操控。
以上那个小试验咱们能够直观的看到电流流过处在磁场中的导体时，会遭到一种力的效果。电机正因为遭到这种力的效果才会滚动，由所以荷兰物理学家洛伦兹最早提出这个观念，所以这种力称之为洛伦兹力，它是指运动电荷在磁场中所遭到的力，即磁场对运动电荷的效果力，力效果方向与电流方向和磁场方向都坚持笔直。洛伦兹力的效果方向能够用左手规律来确认，那么具体怎么运用左手规律来断定洛伦兹力的方向呢？仍是用上面那个电机小试验来阐明，如图5所示，首要咱们要找出磁力线的方向，能够凭借指南针（或手机上的电子指南针），指南针的南（S
极）会指向磁场的N极，这样就能够得知磁力线的方向，从N极指向S极，电流方向是从电源正极指向负极，得知这2个方向后，伸出左手，拇指与其他四指呈90°，四指指向电流方向，拇指指向磁场方向，那么掌心所对的方向便是洛伦兹力的效果方向，所以这时铜圈就会做逆时针旋转。也能够参看图6来了解通电导体在磁场中的受洛伦兹力效果的状况，你也能够试着伸出左手在图6上试试左手定则。
仔细的读者能够看出上文中说到的那个铜圈在电路中最多只算是两段通电的导体，两者电流方向是共同的，但所在方位不同，遭到的磁场效果有所不同，受力后导置不断改动，所在在磁场方位也改动，受力不会平衡，所以会旋转起来。可是咱们运用的电机在原理上并不行能用这样的结构，实际上，常见的直流电机用于发生磁场的导体是做成环状的线圈，电源衔接于线圈的二端，其原理结构如图
7所示。咱们相同能够运用左手定则来剖析环形线圈在磁场中的受力状况。从图7
中能够看到，环形线圈中，电流的走向能够分为A、B两段，这两段的方向正好相反，运用左手定则分隔来剖析得出A段遭到向上的力，而B段遭到向下的力，当线圈平面没有处于铅垂方位时，两股力会构成力矩使得线圈沿顺时针方向滚动，当抵达铅垂方位时，A段向上的力与B段向下的力在同一笔直线上，不发生力矩，这时抵达平衡，中止滚动。为了继续旋转，有必要改动一下电源的极性，极性改动后A段受向下的力，B段受向上的力，受力状况在极性改动的瞬间被打破，绕圈继续沿顺时针方向滚动，直到再次抵达铅垂方位再次平衡。由此可知，只要在铅垂方位上进行电源极性转化，线圈就会一向滚动下去，这种办法也已被广泛用于大多数的直流电机中，这种替换改动线圈中电流方向的进程称为换向。常见的永磁直流电机中完结转向功用的设备有换向器和电刷。
转子：转子是在电机中心轴上固定单匝或多匝线圈，线圈经过电刷衔接到换向器获取替换改动的电流，使其在磁场洛伦兹力的效果下，发生旋转的转矩并经过中心轴输出。图8中心所示的便是转子，电机轴上面固定了3
匝线圈组成一组绕组，线圈引线衔接在电刷上。实际运用的直流电机中线匝或以上，多线圈组成的绕组意图在于增强洛伦兹力强度以及削减绕组滚动进程中力矩动摇导致的滚动不均匀，一起也提高了能量的转化功率。定子：定子是环绕安顿在转子周围，用于在电机中发生的磁场的设备。一般小型直流电机的定子多是运用永磁体制造，在大功率的直流电机定子会运用线左面所示的便是定子，由一块环形圆柱形永磁铁组成。
换向器：换向器的结构是二块分隔的金属弹片，用于触摸电刷来给线圈供给替换改动的电流。换向器是固定的，电机轴在旋转时，电刷会跟着旋转的视点改动，替换的与换向器南北极触摸，改换线圈的电源极性。
著作时，咱们一般要用到小型的直流电机，那么咱们怎么选购所需求的电机呢？现如今，咱们不光能够在电子市场上买到所需元件，更能够足不出户在网络上购买到心仪的元件，但不管从哪一种途径购买电机，咱们都应该在第一时刻向供货商索要或问询电机的技能参数，最好是厂商供给的技能文档，当然也能够在网络上依据电机类型来查找相关的材料。从这些文档中咱们能够翔实地得知该类型电机的一切具体技能材料，如外形、装置尺度、力矩、电压、轴长等。有了这些材料能够在制造项目中更精准地进行规划。可是实际上咱们在购买时往往不会索要到这些文档，关于小厂商出产的产品或是二手货品，更无法保证能获取悉数的技能材料，但有些电机会在电机的铭牌或招纸上有标明电压、功率、转速等参数。那么爱好者能够在选购时重视以下几个根本目标，来看产品是否满意自己的要求。
输入电压、电流：不管到那购买电机，商家首要都会问“需求多少伏电压的电机？”常见的小型直流电机的额定输入电压有3V、6V、
、24V和36V。选用时能够依据操控电路所能供给的电压值去选取适宜的电机，尽量不要选用需求电路额定供给电源的电压值。当然一起也要考虑电机的输出，相同功率的电机，输入电压不相一起，需求的电流是不样的。6V的电机要输出和12V电机相同的功率时，电流则需求后者的2倍。供货商一般不会供给输入电流值，但比较简略求得，咱们将在下面的阶段再做评论。转速：供货商一般会供给一个转速值，单位多为r/min(转/分
，常见的小型电机空载转速一般在5000～20000r/min之间。需求更低转速时则需求挑选带减速组织的电机或运用调速电路进行调速。图9所示是小型金属齿轮减速电机。18134
・m)。假如一个电机的输出转矩为1N.m，也就适当于在轴心上装置一个1m的大圆盘，而电机带着圆盘的边际挂着1kg重物顺利旋转。假如需求准确要求转矩，在购买时必定参阅具体的电机技能文档。一般是经过对电机添加减速组织来完结增大力矩，但一起会把终端输出的转速下降。尺度：小型直流电机品种繁复，巨细不一，所以在购买时务必要留意其体积巨细、定位孔、轴直径、轴长等要害尺度，以保证电机能正确装置到设备中去。
除了问询以上根本技能参数外，如有条件，在购买时能够试着加电或手动使电机滚动，听听电机有没有异响，感觉一下转子是不是滚动顺利。特别是在跳蚤市场上挑选二手电机时，假如滚动不顺利或有异响那可能是电刷、换向器、轴承或减速组织有问题。
当咱们手上有一个直流电机时，咱们只知道它的额定输入电压，那么咱们能够用如下的办法求得堵转电流和空载电流。
当电机在作业时无法带动负载滚动，转子中止滚动，构成堵转，这儿所经过的电流也称之为堵转电流。因转子不转，此刻绕组线圈就能够简略的看成是一个电阻。所以其电流值能够简略的用欧姆定律求得：电流
电压/电阻。小型直流电机的绕组电阻一般都很小，所以要用精度高的万用表测得电阻值来核算。如一个
Ω的电机，在供电电压为6V时，堵转电流就为1A。空载电流能够直接在电机和电源间串入电流表来直接测得。也能够串入小阻值的功率电阻再测功率电阻二端的电压值，之后用串联电路公式求得电流。运用电机时输入的电压值不该超越额定值，电机作业时输入电压越高绕组线圈所流过的电流也越大，发热量也越大，长时刻作业在电压超支的状况，电机的寿数会大大缩短。电机轴上接受的载荷越大，电流也会越大，一起关于电机轴或减速组织的磨损也越严峻，所以要使电机寿数延伸，电机轴上的载荷越小越好，或是选用更大功率的电机来满意载荷要求，假如有条件的话，能够装置滚珠轴承削减冲突所添加的额定载荷。要求大转矩的状况时，能够挑选运用行星齿轮减速电机，根本条件相同的状况下蜗轮、蜗杆以及直齿转减速电机输出的转矩相对会小一些。定时在轴承、减速组织上加注润滑油坚持机件的小冲突量，一来能够延伸电机寿数，二来也能够减轻作业时的噪声。在固定电机时运用橡胶垫片，能够削减噪声及削减对电机及减速组织带来的冲击和振荡，这在制造机器人或机器小车时很有用。
直流电机的驱动办法是最简略的了，只需求在电极上接直流电源，电机就能够滚动了，反相接入电源时，电机就回转。简略的调速办法便是升降输入电压，可是这些简略的办法只能适用于调理好后就不变的状况，要想便利地调速或换向就需求操控电路进行调理操控。下面介绍最根本的电机操控办法。
尽管能够简略的经过调理电机的电流来调速，但从原理上可知，这样会使电路功耗大，发热也会严峻。而最遍及运用的一种办法是经过
中文全称脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是能够用于电机调速且最为有用的办法。其原理就适当于在电机中装置了一个开关，幻想一下在规则的时刻里，接通电机的时刻为30%与接通电机的时刻为20%，前者所耗费的电能要大于后者，那么在全段时刻内接通电机的线%，而不接通电机则不耗费电能。比较常用的一种PWM信号是以固定频率发生脉冲，然后依据需求改动其占空比。高电平继续时刻越长，其占空比越大。能够参看图10了解，高电平继续看成是电机导通，占空比越大，导通时刻就越长，能耗就越大，输出转速也就大。另一种发生PWM的办法是把脉冲的占空比固定，改动其频率，但这种办法需求发生不同的频率，完结不便利，并且在多种频率间切换时可能会让电机发生共振或加大噪声，一般不运用这种办法生成PWM信号。18135
依据PWM的原理，笔者规划制造了一款适用于小型直流电机的PWM调速电路。这是一款简略而通用的调速电路，运用AVR
ATtiny13单片机生成PWM信号，所以电路极端简略、灵敏，且具有宽电压输入，255挡接连可调等功用，图11所示为电路图。电源部分运用了78L05为单片机供给安稳的5V电压，其输入电压为直流7～30V，也就使得这个电路的最高支撑电压为30V，J1接口的1、2脚为电机输出端口，3、4为电源输入端口。电机驱动运用了类型为IRL510的MOSFET管，该管G极电压只需求5V就能够驱动，所以直接用单片机的I/O脚就能够驱动，PWM信号操控着MOSFET管的导通，构成了一个高速主动的电源开关，完结PWM原理，其最大负载电流能够达5.6A，能够满意大部分小型直流电机的需求，如需求完结更大电流的电机调速能够换用功率更大的MOSFET管来完结。tiny13芯片运用内置的复位及振荡电路，电路非常简练，J2为芯片的编程接口。调理部分运用了带中心按键的编码开关，中心按键用于启停电路，左右旋转则能够使电机加减速，运用了编码器能够使得调理愈加精准，也不会像运用一般电位器那样时刻久会有阻值改动然后构成调理异常。图12所示则是笔者用万用板焊接完结的本电路。电路衔接电机运用的测验视频能够看。
38kHz，运用硬件生成的优点是不占用体系时刻，输出波形不受代码影响。图13所示为电路运行时tiny13的5脚输出的大约40%占空比的PWM波形。本文的程序源码及编译好的HEX文件，读者朋友能够在杂志网站下载或到下载更新的程序。读者朋友能够经过修正电路和程序源码，来修正调理挡数、添加速度保存功用、完结正回转操控等。本电路除了能够操控有刷电机也能够操控小散热电扇、LED灯等。.18138
PWM波形小型直流电机要完结正回转操控，一般是运用H桥电路，用单电源供电能够使电机双向作业。图
4个管子联结成H字形，H桥也因此而得名。当需求顺时针正转时，使三极管A１及A２导通，而B１和B２关断，电子从电源负极流经A２、电机负极、电机正极、A1，最后到电源正极，这样在电机南北极发生了正向的电压差，使得电机正转。同理逆时针回转时，要使三极管B1及B2导通，A1和A2关断。18139
绕组线圈其实便是一个大电感，在电路上便是一个理性负载，具有阻止电流改动的特性，当线圈中的电流改动得越快，其阻止才能越大，在线圈断电的瞬间，电感阻止电流改动在其两头发生反向电动势，电压幅值可能是原输入电压值的数倍。因发生的反向电压过高，简略构成衔接电机的其它元件被反向击穿，如三极管。一般为了维护电机驱动电路，会在电机两头并入一个反接的二极管，当有反向电压发生时，关于这二极管来说正好是正导游通，电流会经二级管流回线圈，耗费掉，构成续流效果，这时二极管二端电压是其压降值，然后维护这以后的驱动电路，此处二极管称为续流二极管。如图11中的
便是起到续流效果的续流二极管，笔者选用的是整流管，假如条件答应续流二极管最好是选用快速康复二极管或许肖特基二极管
。相同在H桥中也需求续流二极管进行维护，原理图看图15，原理剖析和上面的是相同的。18140
运用续流二极管一起也会发生一些问题，二极管会分流一些电流到电源回路上，可能会构成电压的瞬变发生搅扰噪声。在运用PWM信号操控的驱动电路中可能会发生更为严峻的结果，便是发生过冲电流，发生的原因是
信号关断三极管，这时发生了反向电压，续流二极管导通，假如二极管的关断时刻较慢，那么在二极管还没关断时三极管受PWM
0.1～0.22μf的瓷片或钽电容。如图11中的C２。小功率的H桥集成芯片有很多类型能够挑选，比较常见的如
L298、754410、UCN2998等，这些都很简略在网上或电子市场购买到。这些集成芯片电流多是1A或2A的，假如需求更大的电流则需求购买大功率直流电机驱动模块，常见的有10～30A的，在淘宝网店也有许多。着手才能好的朋友当然也能够用大功率三极管或场管来克己。图16所示是TI公司的LMD18200芯片的典型使用图，55V耐压，3A电流，使用图有调速和正向转操控功用。18141
本文描绘的内容仅仅直流电机的根底使用，要完结电机更准确的操控还需求学习反应、闭环操控等更高档的技能，咱们也能够到笔者的个人论坛进行沟通共享经历心得。
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