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该系列是以up主太极创客的零基础入门学用Arduino教程为基础制作的学习笔记。个人把这个教程学完之后整体感觉是很好的如果有条件的可以先学习一些相关课程学起来会更加轻松相关课程有数字电路强烈推荐先学数电不然可能会有一些地方理解起来很困难、模拟电路等然后就是C注意C是必学的。文章中的代码都是跟着老师边学边敲的不过比起老师的版本我还把注释写得详细了些并且个人认为重要的地方都有详细的分析。一些函数的介绍有参考太极创客官网给出的中文翻译为了便于现查现用把个人认为重要的部分粘贴了过来并做了一些修改。如有错漏欢迎指正。
视频链接4-1-1 电机基本结构与工作原理_哔哩哔哩_bilibili
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一、电机的基本结构与工作原理
1、概述
1电机又称为电动机、马达是一种通过电磁感应定律将电能转化成机械能并可再使用机械能产生动能以驱动其它装置的电气设备。
2使用Arduino控制的电机主要分为三类分别是直流电机、步进电机及伺服电机其中伺服电机在第二部分中有介绍这里不再赘述。
3电机根据工作电源种类分为直流电机DC、交流电机AC和交直流两用电机Universal三类很显然直流电机只能由直流电源供电交流电机只能由交流电源供电而交直流两用电机可使用直流或交流电源供电。Arduino开发板通常配合直流电机进行应用开发。
2、直流电机
1直流电机根据有无电刷可分为有刷直流电机BDC和无刷直流电机BLDC。
2有刷直流电机的基本结构如下图所示。
①有刷直流电机有两个“定子”下图所示的两侧的黑色块状物电机在工作时它们基本固定不动其作用是提供一个磁场定子之间的一对半圆环是电机的“换向器”将两对半圆环连接在一起的是电机的线圈它和换向器共同构成电机的“转子”顾名思义电机在工作时转子将会不断地进行旋转在换向器两边各有一个电刷在转子转动时电刷会不断与换向器产生摩擦。 ②有刷直流电机连接上电源后线圈中将会有定向电流流过下图所示的蓝色箭头在磁场的作用下线圈将会受安培力下图所示的红色箭头从而带动转子进行旋转当线圈旋转到与磁感线垂直的位置时换向器的两个半圆环互换连接的电源极性由此线圈中的电流流向发生翻转在磁场的作用下线圈将会受反向的安培力于是转子会按照先前的旋转方向继续运动直到下一次线圈旋转到与磁感线垂直的位置线圈中的电流流向会再次发生翻转由此可以实现转子按同一个方向不断旋转。 ③当线圈旋转到与磁感线垂直的位置时安培力的方向与线圈完全平行安培力的力矩为0理论上安培力没办法继续带动线圈转动不过由于惯性线圈还是可以向前旋转一小段距离从而摆脱安培力力矩为0的位置只是这样的话转子的旋转在靠近安培力力矩为0的位置时运动速度会减慢从而导致转子的旋转非常诡异为此可以给直流电机增设若干组线圈及换向器这样当一个线圈与安培力平行时其它线圈的安培力力矩不为0从而克服转子在某一时刻安培力力矩为0的缺陷。 3无刷直流电机的基本结构如下图所示。
①无刷直流电机的转子是永磁铁下图所示的黑圈它产生一个永磁场定子则是由三组线圈以及下图所示的灰色物体组成。 ②为定子的一组线圈A通电时线圈A将会产生一个电磁场磁场方向如下一图所示线圈A产生的电磁场与转子的永磁场产生交互异极性相吸同性极相斥从而带动转子进行旋转当转子旋转到两极非常接近线圈A的磁场两极时线圈A断电同时为线圈B通电磁场方向如下二图所示线圈B产生的电磁场与转子的永磁场产生交互异极性相吸同性极相斥从而带动转子进行旋转当转子旋转到两极非常接近线圈B的磁场两极时线圈B断电同时为线圈C通电磁场方向如下三图所示线圈C产生的电磁场与转子的永磁场产生交互异极性相吸同性极相斥从而带动转子进行旋转。 ③当转子旋转到两极非常接近线圈C的磁场两极时线圈C断电同时为线圈A通电不过这次要给线圈A通一个与上一次反方向的电流因为转子旋转半圈后极性的位置也与初始时颠倒了同理当转子旋转到两极非常接近线圈A的磁场两极时线圈A断电同时为线圈B通一个与上一次反方向的电流当转子旋转到两极非常接近线圈B的磁场两极时线圈B断电同时为线圈C通一个与上一次反方向的电流这样转子就完成了一圈的旋转。 ④按照上述的工作原理每一时刻只有一组线圈通电另外两组线圈处于一个空闲状态为了提升电机的工作效率可以在为转子两极一侧的一组线圈通电的同时为转子两极另一侧的线圈也通上电不过前者产生的磁场会吸引转子的两极而后者产生的磁场会排斥转子的两极由此可以提升转子的旋转速度。 ⑤直流无刷电机中还有一个传感器与控制器传感器会实时地将转子的状态反馈给控制器控制器根据传感器的反馈对线圈组进行通电和断电。
3、步进电机
1不同于一般的直流电机步进电机也属于直流电机步进电机是以步进形式运转的每执行一次步进都会保持当前状态一段时间然后执行下一次步进。
2步进电机的优点
①可精确控制电机输出轴的角度。
②低速运行时可获得更高的扭矩。
③开环控制/性价比高。
3步进电机可分为双极性步进电机和单极性步进电机双极性步进电机通常有4根引线单极性步进电机通常有5-6根引线。
①下图所示的是双极性步进电机结构的概念图事实上双极性步进电机的结构要比下图复杂得多通常电机的定子由电磁铁构成而电磁铁又由铁芯及电磁线圈组成电机的转子可以是一个永磁体也可以没有任何磁性这里以永磁体为例。 [1]首先给电磁线圈通电通电后线圈将产生电流线圈电流将产生电磁场电磁场存在南北极划分由于转子的永磁铁也存在南北极划分加上异性相吸、同性相斥转子将会受磁场相互作用的影响而旋转。 [2]当第一次旋转结束时可以给另一个线圈通电通电后线圈将产生电流线圈电流将产生电磁场从而继续带动转子旋转。 [3]第二次旋转结束后再给第一次旋转时通电的线圈通电不过这次的电压方向要与之前相反因为转子已经旋转了半周这样转子将进行第三次旋转同理第三次旋转结束后再给第二次旋转时通电的线圈通电这次的电压方向要与之前相反这样转子将进行第四次旋转至此转子将完成一周的旋转。 [4]在上面的介绍中的步进电机的步进角度为90°也就是每次转子的旋转角度为四分之一圆。
[5]双极性步进电机通常有4根引线这4根引线就是电磁线圈的引线。
②下图所示的是单极性步进电机结构的概念图事实上单极性步进电机的结构要比下图复杂得多它与双极性步进电机非常相似区别在于单极性步进电机的电磁线圈有三根引线中间的引线总是接电源正极或接地这里以连接电源正极为例。 [1]将一个定子一端的导线接地该定子线圈将产生线圈电流线圈电流产生电磁场在电磁场的作用下永磁体转子发生转动一次转动结束后给另一个定子一端的导线接地该定子线圈将产生线圈电流线圈电流产生电磁场在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动。 [2]第二次旋转结束后将第一次接地的定子的另一端的导线接地该定子线圈将产生与第一次电流方向相反的线圈电流线圈电流产生电磁场在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动同理第三次旋转结束后将第二次接地的定子的另一端的导线接地该定子线圈将产生与第二次电流方向相反的线圈电流线圈电流产生电磁场在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动这样转子将进行第四次旋转至此转子将完成一周的旋转。 [3]在上面的介绍中的步进电机的步进角度为90°也就是每次转子的旋转角度为四分之一圆。
[4]单极性步进电机通常有5-6根引线它们都是电磁线圈的引线对于只有5根引线的情况是将总是接电源正极或接地的两根引线合并在了一起。 ③单极性步进电机的相对输出扭矩低控制电路相对简单而双极性步进电机通常输出扭矩较高控制电路相对复杂。
4步进电机的一些参数
①定位转矩电机不通电时转子自身的锁定力矩。
②保持转矩静力矩电机通电但没有转动时定子锁定转子的力矩。
③步进角度电机转子每次旋转的角度。
④相数可独立通电的定子电磁线圈组数。上面的举例都是两相步进电机 5步进电机还可分为永磁式步进电机、反应式步进电机和混合式步进电机。
①永磁式步进电机的转子用永磁材料制成上面有详细介绍的都是永磁式步进电机。
②反应式步进电机的转子用软磁材料软磁材料易被周围磁场吸引但它本身没有磁性制成。
[1]如下图所示反应式步进电机有6个定子它们分别由一个线圈和铁芯组成互相面对面的线圈在电路上是连接在一起的转子则是位于中心的一个十字软磁材料它由一系列的十字钢片组成。 [2]首先为线圈组A通电线圈组A产生的电磁场将会吸引转子保持在当前位置把这个位置称为第一个转子位置下一图所示红线接着为线圈组B通电线圈组B产生的电磁场将会吸引转子旋转到另一个位置把这个位置称为第二个转子位置它与第一个转子位置相差30°接着为线圈组C通电线圈组C产生的电磁场将会吸引转子旋转到另一个位置把这个位置称为第三个转子位置它与第二个转子位置相差30°。 [3]上述过程反复进行可实现转子在同一个方向不断旋转每次步进转动30°这个30°就是该电机的步进角度。如果不希望步进角度太大在给线圈组A通电的同时给线圈组B通电这样转子就会仅旋转15°如下二图所示接着再断掉线圈组A的电源转子会继续旋转15°如下三图所示以此类推这种步进方式叫做半步进。 ③混合式步进电机结合了上述两种电机的特点以NEMA 17为例它的步进角度一般是1.8°。
[1]NEMA 17的转子由三部分组成分别是转子内部的永磁铁以及扣在其两极的两个齿轮帽齿轮帽本身不具有磁性但它被扣在永磁铁上后便有了磁性。 [2]NEMA 17转子的齿轮帽有50个齿与之相接触的定子则仅有48个齿转子两极侧的定子各48个齿将这48个齿分成4组用下图的四种颜色表示在电机工作前要调整转子的位置绿色组齿与转子齿半对齐黄色齿与转子齿完全错开蓝色组齿与转子齿半对齐红色组齿与转子齿完全对齐。 [3]NEMA 17是一个两相电机转子一侧的8个线圈可分为两组一组中有4个线圈。
#1 以转子南极为例首先为线圈组A通电线圈组A中一对线圈会成为电磁场的北极另一对线圈会成为电磁场的南极与转子齿对齐的红色组齿其线圈处的磁场极性与转子南极相异二者互相吸引与转子齿错开的黄色组齿其线圈处的磁场极性与转子南极相同二者互相排斥。 #2 接着为线圈组B通电受与转子齿半对齐的蓝色组齿和绿色组齿对应线圈的磁场影响转子会进行小幅度的转动转动到转子齿与蓝色组齿完全对齐、与绿色组齿完全错开的位置与初始位置正好相差1.8°。 #3 轮流为线圈组A、B通电可以实现转子不断以每步1.8°进行旋转。如果想要实现转子以每步0.9°进行旋转可以参考之前介绍的半步进方式工作过程是相似的。
#4 转子北极一侧的转子齿和南极一侧的转子齿完全交错。
