大纲
简介
我们今天看到的几乎每一个机械运动都是由电动机完成的。电动机吸收电能并产生机械能。电动机有各种额定值和尺寸。大型电动机的一些应用包括电梯、轧机和电动火车。小型电动机的应用领域包括机器人、汽车和电动工具。电机分为两种类型:直流(直流)电机和交流(交流)电机。交流电机和直流电机的作用是一样的，都是把电能转化为机械能。
这两者之间的基本区别是电源是交流电机的交流源和直流电机的电池一样的直流源。交流和直流电动机都由作为静止部件的定子和作为电机转动部件或电枢的转子组成。电机的工作原理是定子产生的磁场与转子内的电流相互作用，从而产生转速和转矩。
有不同种类的直流电动机，他们都工作在相同的原理。直流电机是一种机电作动器，用于产生旋转速度可控的连续运动。直流电机是理想的应用在速度控制和伺服型控制或定位是需要的。
一个简单的直流电机如下所示。
图像资源链接:mind.ilstu.edu/curriculum/medical_robotics/dcmotor.jpg
如前所述，任何电机都由定子和转子两部分组成。根据配置和结构，直流电动机分为有刷电机、无刷电机和伺服电机三种。
直流电机工作原理
机电能量转换装置在输入端取电能，在输出端产生机械能。有三种电机，广泛用于这项任务:直流电机，感应或异步电机和同步电机。感应电机和同步电机都是交流电机。在所有的电机中，当连接线圈的磁通量发生变化时，电能就转化为机械能。
电动机以电能为输入，转换为机械能。
当电能作用于垂直于磁场方向的导体时，流过导体的电流与磁场相互作用的结果就是力。这个力推动导体向垂直于电流和磁场的方向，因此，这个力本质上是机械的。
如果已知磁场的密度B、导体的长度L和导体中流动的电流I，就可以计算出力的值。
施加在导体上的力由
F = B×I×L牛顿
指挥家的运动方向可以用弗莱明左手法则来确定。
弗莱明左手规则适用于所有电动马达。
下图显示了弗莱明左手规则。
图像资源链接:daido-electronics.co.jp /英语/ qa / magnet_lexicon /公顷/图片/ ha12.gif
当一个带电流的导体被置于磁场中时，一个垂直于磁场方向和电流方向的力作用在导体上。
根据弗莱明左手法则，左手拇指代表力的方向，食指代表磁场的方向，中指代表电流的方向。
直流电机由两组线圈组成，分别是电枢绕组和磁场绕组。磁场绕组是用来产生磁场的。一套永磁体也可用于此目的。如果使用磁场绕组，它就是电磁铁。磁场绕组是电机或定子的固定部分。电枢绕组是电机的转子部分。转子置于定子内部。转子或电枢通过机械换向器与外部电路连接。
一般采用铁磁性材料制造定子和转子，定子和转子被气隙隔开。定子内部的线圈绕组由多个线圈串联或并联组成。铜绕组一般用于电枢绕组和磁场绕组。
直流电机的工作原理解释如下。
图片资源链接:ustudy.in/sites/default/files/images/dc%20motor.JPG
假设一个线圈放置在磁通量密度为B特斯拉的磁场中。当线圈通过连接到直流电源提供直流电时，电流I流过线圈的长度。线圈中的电流与磁场相互作用，根据洛伦兹力方程，其结果是对线圈施加了一个力。力与磁场的强度和导体中的电流成正比。
直流电动机采用同样的原理，它由几个线圈组成，这些线圈绕在电枢上，所有的线圈都受到相同的力。这个力的结果是电枢的旋转。导体在磁场中的旋转会产生转矩。线圈在磁场中的不同位置与导体连接的磁通量是不同的，这就导致根据法拉第电磁感应定律在线圈中产生电动势。这种动势称为反动势。电动势的方向与使电流在导体中流动的电源电压相反。因此，电枢中流动的总电流与电源电压和反电动势之间的差成正比。
直流电机的电气等效如下所示。
直流电机电气等效电路分为磁场电路和电枢电路两种。磁场电路负责磁场，并提供单独的直流电压Vf．磁场绕组的电阻和电感用R表示f和Lf．由于电压的作用，电流If在绕组中产生，并建立必要的磁场。
在电枢中，电压VT在电机的两端施加电流I一个电枢电路中的流动。电枢绕组的电阻为Ra，电枢感应的总电压为Eb．
在两个电路中应用基尔霍夫电压定律，
Vf=我f* Rf
VT=我一个* R一个+ Eb
电机产生的转矩为
T = k * I一个*Φ
其中k是常数，取决于线圈的几何形状，Φ是磁通量。
电机的功率是Eb*我一个．
所开发的功率为转换为机械形式的功率:
P = t * ωn式中ω为角速度。
这是传递到感应电枢电压和的总功率
Eb*我一个= t * ωn
直流电机类型
直流电动机按转子的供电方式主要分为两种。它们是有刷直流电机和无刷直流电机。顾名思义，有刷直流电动机通过换向器向旋转电枢提供电流，而在无刷直流电动机中不需要刷子，因为它使用永磁体转子。
刷直流电机
在这种类型的电机中，磁场是通过电流通过转子内部的换向器和电刷产生的。因此，它们被称为刷电机。刷子是由碳构成的。这些可以是单独励磁或自励磁电机。
电机的定子部分由线圈以一种环形的方式连接，这样就形成了所需的交替的南极和北极。这种线圈设置可以串联或并联的转子线圈绕组形成串联绕线直流电机和并联绕线直流电机。直流电机的电枢或转子部分由换向器组成，换向器本质上是一个载流导体，一端连接到电隔离的铜段。当电枢旋转时，外部电源可以通过电刷连接到换向器上。
有刷直流电机类型
直流电机按电枢绕组和磁场绕组的电气连接方式进行分类。不同类型的连接产生不同类型的电机。直流电动机是根据磁场的产生来划分的。直流电机主要有三种类型:分别励磁、自励和永磁。在永磁型电机的情况下，一个强大的磁铁是用来产生所需的磁场。对于分别励磁和自励磁的电机，在定子结构中部署了电磁铁。
自励型直流电机又分为三种:并励型、串励型和复励型。
复励型电动机在复励型中又分为累积复励型、差分复励型、长分流型和短分流型。
他励电动机
顾名思义，单独励磁的直流电动机使用单独的电枢绕组和磁场绕组电源。这意味着电枢绕组和磁场绕组是电分离的彼此。
由于来源不同，电枢电流和磁场电流不会相互干扰。但总输入功率是个人功率的总和。如果Vf和我f电压和电流分别对应磁场电路和Vt和我一个为电枢电路对应的电压和电流，则总输入功率为Vf*我f+ Vt*我一个．
自激电机
在自励直流电动机中，励磁绕组和电枢绕组连接在单个电源上，而不是单独的电压源。这种连接可以通过两种方式进行:并联或并联和串联。因此，自励电机又被分为并联绕线直流电机和串联绕线直流电机。
并励直流电机在并联直流电机的情况下，磁场绕组和电枢绕组并联在同一电源上，因此磁场绕组暴露在整个终端电压。即使电源是相同的，磁场电流和电枢电流是不同的。并联直流电机的速度是恒定的，不随输出的机械负载而变化。
并联直流电机的结构如下图所示。
并联直流电机的电气等效如下所示。
如果Eb是电机的反电动势吗
Vt= Eb+我一个* R一个
如果电枢常数为Ka，其转速为ω，则
Eb= K一个* ω * Φ
其中Φ为磁通量。
因此,
Vt= K一个* ω * Φ + I一个* R一个
总电流是It=我f+我一个
因此,总功率是P = Vt*我t
系列电机:对于串联直流电机，磁场绕组和电枢绕组与电源串联。因此，励磁绕组和电枢绕组中的电流流是相同的。
串联绕线电机也被称为通用电机，因为它工作与交流电压或直流电压电源。
串联绕线电机将始终在同一方向旋转，无论极性的电压源。这是因为如果我们改变极性，电枢绕组的极性和磁场的方向同时颠倒。串联直流电机的转速随机械负载的变化而变化。
串联绕线直流电动机的图示如下所示。
串联直流电机的电气等效如下所示。
复合汽车:复合绕线电机采用串联绕组和并联励磁绕组的结合。串联绕组与电机电枢串联，并联绕组与电机电枢并联。
由于有两个场电路产生磁场，复合直流电机可以根据磁通方向进一步分为两种类型。这些是累积复合直流电机和差分复合直流电机。
如果并联场的磁通助于串联场的磁通，即两者方向一致，则为累积复合直流电机。在这种情况下，总磁通量是单个磁通量的总和。
Φ总计=Φ系列+Φ分流器
累加复合式直流电机结构如下图所示。
电当量如下所示。
对于差动复合式直流电机，串联场和并联场产生的磁通方向相反，总磁通为两者之差。
Φ总计=Φ系列- - - - - -Φ分流器
在这种情况下，净磁通小于原始磁通，因此差分复合直流电机没有找到许多实际应用。
累积型和差动型复合直流电机都可以根据并联励磁绕组的并联情况进一步分为长并联和短并联两种。
对于长并联电机，并联励磁绕组与电枢和串联励磁绕组平行。
如果并联磁场绕组只平行于电枢，那么它就是短并联。
永磁直流电机:在永磁直流电动机的情况下，一个强大的磁铁是用来产生磁场。因此，永磁直流电动机只由电枢绕组组成。
永磁刷直流电机如下图所示。
图像资源链接:hades.mech.northwestern.edu/images/thumb/c/cf/Motor_Commutators.jpg/400px-Motor_Commutators.jpg
永磁拉丝直流电动机比定子绕线式直流电动机更小、更便宜。通常稀土磁铁如钐钴或钕铁硼被用作永磁体直流电机的磁铁，因为他们是非常强大的磁铁，具有高磁场。
永磁直流电动机的速度/转矩特性比定子绕线直流电动机更线性。
有刷直流电机的缺点是在重载条件下换向器和电刷之间会产生火花。这将产生大量的热量，并减少电机的寿命。
无刷直流电机
无刷直流电动机通常由一个永磁转子和一个线圈缠绕的定子组成。转子采用永磁体设计，使转子部分不需要电刷。因此，与有刷直流电动机相比，这种类型的电机不包含任何电刷，因此不会产生电刷的磨损，因为产生的热量很少。
图片资源链接:zeva.com.au/tech /Motors/BLDC.gif
由于在电机中没有刷子，应该有一些其他的方法来检测转子的角位置。霍尔效应传感器用于产生控制任何半导体开关器件所需的反馈信号。无刷直流电动机比有刷直流电动机更昂贵，比有刷直流电动机效率更高。
直流伺服电机
小型直流电机会高速旋转，但其转矩不足以移动任何负载。直流伺服电机由四部分组成:普通直流电机、用于速度控制的齿轮箱、控制电路和位置传感单元。变速箱将采取高速输入和转换成较慢但更实际的速度。位置传感单元一般是电位器。控制电路是一个检错放大器。
在直流伺服电机中，轴的位置反馈到控制电路，因此，它们被用于闭环应用。
电位器连接到轴上。它允许控制电路监测电机的位置。该位置由控制电路与参考输入信号进行比较。控制电路的输出反馈给电机。如果当前位置与参考位置不匹配，则在误差检测放大器的输出处产生误差信号。根据这个信号，轴旋转，到需要的位置和停止。
大多数直流伺服电机可旋转180度0在任何方向。直流伺服电机用于远程控制设备，机器人，甚至在大型工业应用。
图片资源链接:electrical4u.com/electrical/wp content/uploads/2013/07/servo -汽车- 3. png
驱动直流电动机
直流电动机可以在晶体管、开关或继电器的帮助下接通或关闭。最简单的电机控制形式是线性控制，它使用双极结晶体管作为开关。驱动电路的目的是控制绕组中的电流。可以通过改变晶体管中基极电流的大小来控制电机的速度。如果晶体管处于有源状态，那么电机以一半的速度旋转，因为只有一半的电源电压到电机。当所有的供电电压都给它时，电机以其最大速度旋转。这发生在晶体管处于饱和状态时。
下面的电路用于在一个方向上驱动电机。
在上述电路中，电阻Rb和R1是非常重要的。电阻Rb用于保护控制电路免受电流峰值的影响。电阻R1确保晶体管在输入引脚为三态时关闭。
电机的速度可以通过调节电源电压来控制，因为速度与电源的平均值成正比。
ON时间的百分比称为占空比。上述脉冲的占空比为β = a / (a + b)。
通过改变占空比，即通过改变脉冲的宽度，电机的转速可以改变。这被称为PWM(脉宽调制)技术。速度也可以在不改变脉冲宽度的情况下改变。这是通过改变脉冲频率来实现的。这被称为PFM(脉冲频率调制)。
改变直流电机方向:上述驱动电路的缺点是它是单向的，即电机总是单方向旋转。为了改变电机的旋转方向，电源的极性必须颠倒。为了实现这一点，可以使用不同的开关。
第一个连接是使用一个DPDT(双刀双掷)开关。
连接如下所示。
开关在A位时，电机向前旋转。当电机的端子与B位置的开关连接时，方向相反。
第二个连接是使用四个SPST (Single Post, Single Throw)开关。
通过组合不同的开关，可以实现不同的功能。
组合及其各自的操作如下。
A + D -前进方向
B + C -反向
A + B -停止和刹车
C + D -停止和刹车
All OFF -停止
H -桥式电机驱动器
为了更好地实现直流电机的双向控制，需要一种称为H桥的电路。H桥的名称是由于其原理图外观相对于电机在中心杆上的位置。这个电路可以用来使电流通过电动机的绕组向任意方向移动。
H桥直流电机驱动器的电路如下图所示。
控制信号cntrl1、cntrl2、cntrl3和cntrl4分别用于开关晶体管Q1、Q2、Q3和Q4。
操作是不言自明的。必须考虑的一个重要因素是，当输入不可预测时，所有fet必须处于OFF状态，这样h桥两端的晶体管就不会同时打开。因此，使用每个晶体管的下拉电阻。
H桥实现的另一个电路如下所示。
L293D电机驱动芯片
L293D芯片是一种基于H桥概念的电机驱动芯片。这种集成电路允许电机在两个方向上驱动。L293D IC是一个16脚的器件，有两组输入和输出。因此，可以用一个集成电路控制两个直流电机。
L293D IC的引脚图如下。
引脚2,7和10,15是控制信号，用于控制电机的旋转。
对于电动机1,
引脚2 =逻辑1和引脚7 =逻辑0——向前方向
引脚2 =逻辑0和引脚7 =逻辑1——反向
对于其他组合，没有旋转。
同理，对于马达2，
引脚10 =逻辑1和引脚15 =逻辑0——向前方向
引脚10 =逻辑0和引脚15 =逻辑1——反向。
采用L293D电机驱动IC控制两台电机的电路如下图所示。
电压电源VCC1用于内部操作，即激活信号或使能或使能信号。驱动电机时，使用VCC2电源。一般VCC1 = 5V, VCC2 = 9或12 V。
