大纲
介绍
我们今天看到的几乎每个机械运动都是通过电动机完成的。电动机采用电能并产生机械能。电动机有各种评级和尺寸。大型电动机的一些应用包括电梯，轧机和电动火车。小型电动机的一些应用是机器人，汽车和电动工具。电动机分为两种类型：DC（直流）电机和AC（交流电流）电机。AC和DC电动机的功能是相同的，即将电能转换为机械能。
这两个的基本差异是电源，它是AC电动机的AC源和DC电机的直流源。两个AC和DC电动机包括一个定子，该定子是静止部分和转子，该转子是电动机的旋转部分或电枢。电动机的工作原理基于由定子产生的磁场的相互作用和在转子中流动的电流以产生转速和扭矩。
有不同种类的直流电动机，他们都工作在相同的原理。直流电动机是一种机电执行器，用于产生连续的运动与可控的旋转速度。直流电机是理想的应用程序中使用的速度控制和伺服型控制或定位是必需的。
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.jpg.
如前所述，任何电机都由两个零件viz组成。定子和转子。基于配置和结构，有三种类型的直流电机：拉丝电机，无刷电机和伺服电机。
直流电机工作原理
机电能量转换装置将在输入处采用电能，并在输出侧产生机械能。有三种电机可广泛用于此任务：DC电机，感应或异步电动机和同步电动机。感应电动机和同步电动机是AC电动机。在所有电动机中，当连接线圈的磁通量改变时，电能被转换成机械。
电动机将电能作为输入和转换成机械能。
当电能作用于垂直于磁场方向的导体上，流过导体的电流与磁场相互作用的结果就是一个力。这个力推动导体朝着垂直于电流和磁场的方向，因此，这个力本质上是机械性的。
如果已知磁场的密度B，导体的长度L和在导体中流动的电流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
可以在弗莱明的左手规则的帮助下确定导体的运动方向。
弗莱明的左手规则适用于所有电动机。
表示弗莱明的左手规则的图形如下所示。
图像资源链接:daido-electronics.co.jp /英语/ qa / magnet_lexicon /公顷/图片/ ha12.gif
当一个携带电流的导体置于磁场中时，一个力作用在导体上，这个力垂直于磁场和电流的方向。
根据弗莱明的左手规则，左手拇指表示力的方向，食指表示磁场的方向，中间指表示电流的方向。
直流电动机由电枢绕组和磁场绕组两组线圈组成。磁场绕组是用来产生磁场的。一套永磁体也可用于此目的。如果用磁场绕组，它就是一个电磁铁。磁场绕组是电机或定子的固定部分。电枢绕组是电动机的转子部分。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相连。
通常，Ferro磁性材料用于制造由气隙分离的定子和转子。定子内的线圈绕组由线圈数的串联或平行连接制成。铜绕组通常用于电枢和场绕组。
直流电机的工作原理如下所述。
图像资源链接：ustudy.in/sites/default/files/images/dc%20motor.jpg
考虑一个线圈置于磁通密度为B特斯拉的磁场中。当线圈被提供直流电通过它连接到直流电源，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，线圈受到一个力的作用。力与磁场强度和导体中的电流成正比。
同样的原理也应用在直流电机上，它由几个绕在电枢上的线圈组成，所有的线圈都受到相同的力。这个力的结果就是电枢的旋转。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相连的磁通量是不同的，根据电磁感应法拉第定律，这些原因在线圈中诱发一个电动势。这个电动势称为反电动势。这个电动势的方向与电源电压相反，电源电压负责电流在导体中流动。因此，在电枢中流动的总电流正比于供电电压和反电动势之间的差。
电学等效的直流电机如下所示。
直流电动机等效电路分为励磁电路和电枢电路。磁场电路负责磁场，并提供一个单独的直流电压Vf。磁场绕组的电阻和电感用R表示f和我f。由于电压，电流If在绕组中产生，它建立了必要的磁场。
在电枢中，电压VT在电机的各个端子上施加电流I一个在电枢电路中流动。电枢绕组的电阻是Ra，并且电枢中引起的总电压是eb。
在两个电路中应用基尔霍夫电压定律，
Vf= I.f* Rf
VT= I.一个* R一个+ E.b
电机中开发的扭矩是
t = k * i一个*φ.
其中K是恒定的，根据线圈几何形状，φ是磁通量。
电动机的电力是eb*我一个。
下面给出了转换为机械形式的功率的开发功率：
p = t *ωn其中ω是角速度。
这是传递给感应电枢电压和的总功率
Eb*我一个= T *Ωn
直流电机的类型
直流电动机按转子的供电方式主要分为两类。它们是有刷直流电机和无刷直流电机。顾名思义，电刷存在于有刷直流电机中，通过换向器向旋转电枢提供电流，而在无刷直流电机中不需要电刷，因为它使用一个永磁体转子。
拉丝直流电动机
在这种类型的电动机中，磁场是通过电流通过换向器和转子内的电刷产生的。因此，它们被称为拉丝电机。刷子是由碳组成的。这些可以是单独励磁或自励磁电机。
电动机的定子部分由以圆形方式连接的线圈组成，使得形成所需的替代北极和南极。该线圈设置可以串联或与转子线圈绕组形成系列卷绕直流电机和分流卷绕直流电动机串联。DC电动机的电枢或转子部分由换向器组成，该换向器基本上是电流承载导体，其在一端连接到电隔离的铜段。外部电源可以通过刷子连接到换向器，因为电枢旋转。
拉丝直流电机类型
直流电动机按电枢绕组和励磁绕组的电气连接方式分类。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、自励磁和永磁。在永磁式电机的情况下，一个强大的磁铁被用来产生所需的磁场。在单独励磁和自励磁电机的情况下，在定子结构中设置电磁铁。
自兴型直流电机再次分为三种类型：分流兴奋，系列兴奋和复合兴奋。
复合激发型电动机进一步分为累积化合物和差动化合物，在每种复合中的长分流和短分流型。
他励电动机
顾名思义，单独励磁直流电动机使用单独的电源进行电枢绕组和磁场绕组。这意味着电枢绕组和磁场绕组在电上是彼此分开的。
由于电枢电流和励磁电流的源不同，所以不会相互干扰。但是总输入功率是单个功率的总和。如果Vf和我f电压和电流是否与磁场电路和V相对应t和我一个电压和电流是否对应电枢电路，那么总输入功率是由V给出的f*我f+ V.t*我一个。
自激电机
在自励直流电动机中，磁场绕组和电枢绕组通过单个电源连接，而不是单独的电压源。这种连接可以通过两种方式进行:分流或并联和串联。因此，自激电动机又分为直流分流电动机和直流串励电动机。
分流直流电机：在分流直流电动机的情况下，场绕组和电枢绕组在相同的电源上并联连接，因此场绕组暴露于整个端子电压。即使供应是相同的，场电流和电枢电流也不同。分流直流电动机的速度是恒定的，输出处的机械负载没有变化。
并联直流电机的结构如下图所示。
下面示出了分流直流电动机的电力等效物。
如果Eb那是电机的反电动势吗
Vt= E.b+ I.一个* R一个
如果电枢常数是ka并且其旋转的速度是ω，那么
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= I.f+ I.一个
因此总计power是p = vt*我t
系列电机:在DC电动机系列的情况下，现场绕组和电枢绕组与电源串联连接。因此，在现场绕组和电枢绕组中流动的电流相同。
串绕电机也被称为通用电机，因为它工作在交流电压或直流电压供应。
无论电压源的极性如何，串励电机总是沿同一方向旋转。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。该系列直流电机的转速随机械负载而变化。
串联绕线直流电机的图示如下所示。
电学等效串联直流电机如下所示。
复合电动机：复合绕组电动机采用串联绕组和并励励磁绕组的组合。所述串联绕组与电动机电枢串联，并励绕组与电动机电枢并联。
由于有两个磁场电路产生磁场，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。
如果并联磁场的磁通协助串联磁场的磁通，即两者方向一致，则为累积复合直流电动机。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
蓄积复合直流电机的结构如下图所示。
电力等效物如下所示。
在差分化合物直流电动机的情况下，串联场和分流场产生的通量呈相反方向，总通量是它们之间的差异。
φ.总计=Φ系列- - - - - -Φ分流器
在这种情况下，净通量小于原始通量，因此差动复合直流电机没有找到许多实际应用。
基于分励励磁绕组的分励，累积型和差动型复合直流电动机又可分为长分励和短分励装置。
对于长分励电机，分励励磁绕组既与电枢并联，又与串联励磁绕组并联。
如果分流场绕组仅与电枢平行，则它是短的分流器。
永磁直流电机:如果是永磁直流电动机，一个强大的磁铁被用来产生磁场。因此，永磁体直流电机只由电枢绕组组成。
永磁刷直流电动机如下所示。
图像资源链接:hades.mech.northwestern.edu/images/thumb/c/cf/motor_commutators.jpg/400px-motor_commutators.jpg.
永磁有刷直流电动机比定子绕线式直流电动机体积小，成本低。一般来说，像钐钴或钕铁硼这样的稀土磁铁被用作永磁体直流电机的磁铁，因为它们是非常强大的磁铁，具有高磁场。
永磁直流电动机的速度/扭矩特性比定子卷绕直流电动机更线性。
刷牙直流电动机的缺点是在重载条件下换向器和刷子之间的火花出现。这产生了大量的热量并减少了电动机的寿命。
无刷直流电动机
无刷直流电动机通常由一个永磁体转子和一个线圈缠绕的定子组成。这种设计通过在转子中使用永磁体消除了在转子部分需要刷。因此，相比有刷直流电机，这些类型不包含任何刷子，因此没有磨损的刷子，因为少量的热量是产生的。
图像资源链接：zeva.com.au/tech/motors/bldc.gif
由于电机中没有电刷，应该有其他方法来检测转子的角度位置。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，而且比它们的有刷表兄弟更有效率。
直流伺服电机
小型电机将高速旋转，但其扭矩不足以移动任何负载。直流伺服电机由四个部分组成：正常直流电机，用于速度控制的变速箱，控制电路和位置感测单元。变速箱将采用高速输入并转换成较慢但更实用的速度。位置感测单元通常是电位器。控制电路是误差检测器放大器。
在直流伺服电机中，轴的位置是反馈到控制电路，因此它们用于闭环应用。
电位器与轴相连。它允许控制电路监控电机的位置。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，则在错误检测放大器的输出端产生一个错误信号。基于这个信号，轴旋转，并到所需的位置和停止。
大多数直流伺服电机最多可旋转1800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。
图像资源链接：electrical4u.com/electrical/wp-content/uploads/2013/07/servo-motor-3.png
驾驶直流电机
在晶体管，开关或继电器的帮助下，可以打开或关闭DC电动机。最简单的电动机控制形式是使用作为开关的双极结晶体管的线性控制。驱动电路的目的是控制绕组中的电流。通过改变晶体管中的基极电流的量，可以控制电动机的速度。如果晶体管处于活动状态，则电动机以半速旋转，只有电源电压的一半进入电机。当所有电源电压转到它时，电机以其最大速度旋转。当晶体管处于饱和时，会发生这种情况。
下面的电路用于单向驱动电机。
在上述电路中，电阻Rb和R.1是非常重要的。电阻Rb用于保护控制电路免受电流尖峰。电阻R1确保当输入管脚为三态时晶体管处于关闭状态。
可以通过调制电源电压来控制电动机的速度，因为速度与电源的平均值成比例。
通电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，可以改变电动机的旋转速度。这被称为PWM（脉冲宽度调制）技术。也可以改变速度而不改变脉冲的宽度。这是通过改变脉冲的频率来实现的。这称为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，电动机总是沿单个方向旋转。为了改变电动机的旋转方向，必须颠倒电源的极性。为此，可以使用不同的交换机。
第一个连接使用DPDT（双极，双掷）开关。
连接如下所示。
当开关在A位置时，电机正向旋转。当电机端子连接到B位置的开关时，方向相反。
第二个连接使用四个SPST（单个帖子，单掷）开关。
通过组合不同的开关，可以实现不同的功能。
这些组合及其各自的操作如下。
A + D -正向
B + C -反向
A + B -停止和刹车
C + D -停止和刹车
全部关闭-停止
H -桥电机驱动器
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而给出的。该电路可用于通过电机绕组使电流朝任意方向移动。
H桥DC电动机驱动器的电路如下所示。
控制信号CNTRL 1、CNTRL 2、CNTRL 3和CNTRL 4分别用于开关晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的ON和OFF。
操作是不言自明的。一个必须考虑的重要因素是，当输入不可预测时，所有的fet必须处于OFF状态，这样h桥每一半上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IC
L293D IC是一种用于H - 桥梁概念的电机驱动器IC。该IC允许电机在两个方向上驱动。L293D IC是一个16针设备，具有两组输入和输出。因此，可以用单个IC控制两个直流电动机。
L293D IC的引脚图如下。
引脚2,7和10,15是用于控制电动机旋转的控制信号。
对于电动机1,
引脚2 =逻辑1和引脚7 =逻辑0 -正向
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。
同样适用于电动机2，
引脚10 =逻辑1和引脚15 =逻辑0 -正向
引脚10 =逻辑0和引脚15 =逻辑1 -反向。
使用L293D电机驱动IC控制两台电机的电路如下图所示。
电压vcc1用于内部操作，即可激活信号或启用或禁用。要驱动电动机，使用电源Vcc2。通常VCC1 = 5V和VCC2 = 9或12 V.
