電機(jī)： 俗稱“馬達(dá)”，依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括：電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

電動(dòng)機(jī)在電路中是用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

電機(jī)實(shí)際使用過(guò)程，要加光耦隔離，要不很容易帶回電磁干擾影響單片機(jī)。

Chapter 01

電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

THEORY

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较颍髨D使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。

STRUCTURE

1—轉(zhuǎn)子 2、10—軸承 3—前端蓋

4—定子 5—接線盒 6—壓簧

7—支承套 8—止推軸承 9—后端蓋

**11—制動(dòng)輪 12—風(fēng)罩 13—鎖緊螺母 **

CLASSIFICATION

按工作電源種類劃分：

直流電機(jī)和交流電機(jī)。

按結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分：

直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。

直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。

（有刷壽命短，容易燒碳刷，基本使用頻率過(guò)高就不能選他，他有個(gè)好處就是便宜，使用頻率高一兩年就會(huì)出現(xiàn)很多損壞）

按用途可劃分：

驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。
控制用電動(dòng)機(jī)又劃分：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等。

按運(yùn)轉(zhuǎn)速度可劃分：

高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。

按起動(dòng)與運(yùn)行方式可劃分：

電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。

Chapter 02

常見(jiàn)的電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。

直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好、起動(dòng)容易、能夠載重起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍然很廣泛，尤其在可控硅直流電源出現(xiàn)以后。

1

有刷直流電機(jī)

Brushed DC

直流有刷電機(jī)(Brushed DC，簡(jiǎn)稱BDC)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，成本低廉，具有良好的偏動(dòng)和調(diào)速性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力器件中，小到玩具，按鈕調(diào)節(jié)式汽車(chē)座椅，大到印刷機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械中都能看到它的身影。

直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。

優(yōu)點(diǎn)： 價(jià)格低、控制方便
缺點(diǎn)： 由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

2

步進(jìn)電機(jī)

Stepping Motor

步進(jìn)電機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。選型要注意步距角、扭矩力、多少相電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)： 控制簡(jiǎn)單，低速扭矩大，成本低；
缺點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲；同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)控制，控制精度和速度都沒(méi)有伺服電機(jī)那么高。

3

伺服電機(jī)

Servo Motor

伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)(或者脈沖數(shù))轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。伺服電機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)下圖。一般地，要求轉(zhuǎn)矩能通過(guò)控制器輸出的電流進(jìn)行控制；電機(jī)的反應(yīng)要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)。

伺服電機(jī)有直流和交流之分，最早的伺服電機(jī)是一般的直流有刷電機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電機(jī)。當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)： 可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，效率高，壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn)： 控制復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要專業(yè)人士才能控制。

4

無(wú)刷直流電機(jī)

Brushless DC

無(wú)刷直流電機(jī)【BLDCM】是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流。一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦一般的， 把方波驅(qū)動(dòng)的叫做直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)；把正弦波驅(qū)動(dòng)的叫做永磁同步電機(jī)(PMSM)， 這個(gè)實(shí)際上就是伺服電機(jī)。

直流無(wú)刷電機(jī)與伺服電機(jī)有類似的優(yōu)缺點(diǎn)。BLDC電機(jī)比PMSM電機(jī)造價(jià)便宜一些，驅(qū)動(dòng)控制方法簡(jiǎn)單一些。

5

直流減速電機(jī)

DC Reduction

直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)：給電機(jī)兩根線供電電機(jī)就可以旋轉(zhuǎn)，給正電壓電機(jī)正轉(zhuǎn)，給相反電壓電機(jī)反轉(zhuǎn)；電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，電壓越小，轉(zhuǎn)速也變小。

電機(jī)一般還有一個(gè) 最小啟動(dòng)電壓 ，就是可以使得電機(jī)(無(wú)負(fù)載)、開(kāi)始旋轉(zhuǎn)的電壓值。為保證電機(jī)正常工作，一般需要接到電機(jī)兩端的電壓值范圍為：最小啟動(dòng)電壓至額定電壓。并且在這個(gè)電壓值范圍內(nèi)才認(rèn)為轉(zhuǎn)速與電壓成正比。

電機(jī)線圈是有銅導(dǎo)線繞線而成的，所以其電機(jī)電樞繞組電阻一般都是非常小這樣回路中電流一般都是比較大的。這對(duì)我們電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很大的影響。

另外，電機(jī)還有一個(gè)比較重要的參數(shù)：扭矩。簡(jiǎn)化理解 扭矩就是電機(jī)可以帶動(dòng)外部部件旋轉(zhuǎn)的力量 ，在物理上用轉(zhuǎn)矩來(lái)描述，單位為：N.m(常用單位有：Kg.cm)。大扭矩可以帶動(dòng)比較重的東西。一般認(rèn)為：直流電機(jī)的扭矩和電流成正比。

6

力矩電動(dòng)機(jī)

Torque Motor

力矩電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速和大力矩的特點(diǎn)。一般在紡織工業(yè)中經(jīng)常使用交流力矩電動(dòng)機(jī)，其工作原理和結(jié)構(gòu)和單相異步電動(dòng)機(jī)的相同。

7

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

Switched Reluctance

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型調(diào)速電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，成本低，調(diào)速性能優(yōu)異，是傳統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。

8

異步電動(dòng)機(jī)

Asynchronous Motor

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠以及質(zhì)量較小，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)主要廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、起重卷?yè)P(yáng)設(shè)備、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等大多數(shù)工農(nóng)生產(chǎn)機(jī)械以及家用電器和醫(yī)療器械等。

在家用電器中應(yīng)用比較多，例如電扇、電冰箱、空調(diào)、吸塵器等。

9

同步電動(dòng)機(jī)

Synchronous Motor

同步電動(dòng)機(jī)主要用于大型機(jī)械，如鼓風(fēng)機(jī)、水泵、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)以及小型、微型儀器設(shè)備或者充當(dāng)控制元件。其中三相同步電動(dòng)機(jī)是其主體。此外，還可以當(dāng)調(diào)相機(jī)使用，向電網(wǎng)輸送電感性或者電容性無(wú)功功率。

Chapter 03

H橋電路分析

以MOS管搭建的H橋電路解釋電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)MOS管導(dǎo)通。如下圖，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)(此時(shí)必須保Q2和Q3關(guān)斷)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

另一對(duì)MOS管2相Q3導(dǎo)通的時(shí)候(此時(shí)必須保證Q1和Q4關(guān)斷)，電流從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過(guò)兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了MOS管外沒(méi)有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就達(dá)到最大值，燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過(guò)兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了MOS管外沒(méi)有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就達(dá)到最大值，燒壞MS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。

簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)只能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，引入PWM控制可以實(shí)現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控速，占空比越大平均電壓(電流)越大，速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，噪聲較大。頻率太高，會(huì)因?yàn)镸OS管的開(kāi)關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。

根據(jù)不同橋臂的PWM控制方式不同，大致上可以分為三種控制模式：

受限單極模式、單極模式、雙極模式。

01

受限單極模式

受限單極模式：電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性是單一的

優(yōu)點(diǎn)： 控制電路簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)： 不能剎車(chē)，不能能耗制動(dòng)，在負(fù)載超過(guò)設(shè)定速度時(shí)不能提供向力矩。調(diào)速靜差大，調(diào)速性能很差，穩(wěn)定性也不好。

02

單極模式

單極模式：電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性是單一的。

優(yōu)點(diǎn)： 啟動(dòng)快，能加速，剎車(chē)，能耗制動(dòng)，能量反饋，調(diào)速性能不如雙極模式好，但是相差不多，電機(jī)特性也比較好。在負(fù)載超速時(shí)也能提供反向力矩。

缺點(diǎn)： 剎車(chē)時(shí)，不能減速到0，速度接近0速度時(shí)沒(méi)有制動(dòng)力。不能突然倒轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)性能不好，調(diào)速靜差稍大。

PWM和PWMN是互補(bǔ)的PWM信號(hào)，一般用高級(jí)控制定時(shí)器的通道和互補(bǔ)通道控制。在PWM為高電平時(shí)：MOS管1和4都導(dǎo)通，MOS管2和3都截止，電流從電源正極，經(jīng)過(guò)MOS管1，從左到右流過(guò)電機(jī)、然后經(jīng)過(guò)MOS管4流入電源負(fù)極。在PWM為低電平時(shí)：MOS管2和4都導(dǎo)通，MOS管1和3都截止，根據(jù)楞次定律，存在自感電動(dòng)勢(shì)，電流還是從左到右流過(guò)電機(jī)，經(jīng)過(guò)MOS管4和MOS管2形成電流回路。

03

雙極模式

雙極模式：電樞電壓極性是正負(fù)交替的。

優(yōu)點(diǎn)： 能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，啟動(dòng)快，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能好，調(diào)速靜差小，調(diào)速范圍大，能加速，減速，剎車(chē)，倒轉(zhuǎn)，能在負(fù)載超過(guò)設(shè)定速度時(shí)，提供反向力矩，能克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力，產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。

缺點(diǎn)： 控制電路復(fù)雜。在工作期間，4個(gè)MOS管都處于工作狀態(tài)，功率損耗大，電機(jī)容易發(fā)燙。

PWM1和PWM1N、PWM2和PWM2N是PWM互補(bǔ)通道。使用高級(jí)控制定時(shí)器通道和互補(bǔ)通道控制雙極模式中，PWM1和PWM2周期相同，占空比相同，極性相反，使得對(duì)角線上的兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷。