各种电机原理介绍

1，直流电机

（1）基本原理

直流电动机由直流电驱动电池或外部电源为其供电。在最简单的直流电动机中，定子为永磁体(即红蓝磁体外壳)，转子是一个电磁体(即线圈)，电流通过碳刷和一个换向器作用于转动的线圈。由于电流作用于线圈，线圈变成磁体。同级相斥异极相吸，线圈总是向异极靠近，在向异极靠近后(靠近到异极磁体的中间位置)，由于换向器，致使线圈电流反向，线圈磁体方向发生变化，线圈继续向异极靠近。

为了使电机更平稳快速地运转，增加线圈组数和转子铁芯以及换向器数量，如下，则为一般使用的直流有刷电机

直流电机的缺点是碳刷会磨损，形成的碳尘粒可能会造成短路。此外，直流电机噪音也比较大

（2）驱动方式

1，直流有刷电机

驱动方式分为物理开关驱动和电子开关驱动(H桥)

物理开关驱动

除了无刷直流电机和步进电机之外，其他电机都可以通过物理开关驱动(物理开关就是手动的使用闸刀，接触器，继电器)

最传统的驱动电路如下图，使用继电器作为物理开关，运行方式简单，只能控制正转和反转，没有办法进行调速和调整转矩

以下为使用继电器只控制电机开关的电路图

电子开关驱动

（1）基本控制原理

单个MOS管可以实现电机的启动停止和调速，但是不能实现正反转

要实现正反转就要用到H桥，两个MOS一上一下为一组，称为一个半桥。两个半桥组成一个H桥。单片机的4个IO口分别控制H桥的4个MOS管

Q1管和Q4管打开电流就会从左到右流入电机

相反，打开Q2和Q3电机就会反转

单片机输出的PWM给到上桥，调节PWM占空比

要注意的是，上下桥不能导通，否则会烧坏MOS管。导致上下桥导通的原因可能是单片机控制逻辑错误或者是MOS自身延迟通断。例如从正转接到反转时，Q1下降沿正好对准Q2上升沿，由于MOS管延迟通断，如下图，实际上边沿可能会有不同程度滞后，这就会导致某一时刻上下两管导通

为了避免上下管同时导通，就需要加入死区(在上下两路控制信号的上升下降沿之间插入一段同为低电平的区间，如下图)

续流：H桥的负载如果是喇叭，电感，电机，线圈，变压器等感性负载，感性负载电感很大，需要给负载提供续流回路。在PWM由高变低的低电平期间，负载的电感为了续流，会激活Q2，Q4的二极管形成续流回路

刹车：同时打开两个上桥或者是下桥，相当于电机的两根线短路，此外还可以外接一个大功率电阻用来限制刹车功率。这种方法叫做功率制动，通过在电机的两端子上施加相同的电势，强制其两端电势差为0V，引起短路阻尼以减慢电机速度

（2）用单片机驱动NMOS和PMOS

用单片机直接驱动NMOS和PMOS：要用单片机驱动NMOS和PMOS，要确保单片机IO口的输出的高电平能够让MOS完全导通。首先查找MOS管手册，知道此MOS管VGS(th)(MOS管关断电压) ，如下图，此MOS管在0.4到1.5V之间，此电压只能让MOS管导通一点，不足以令MOS完全导通。再找到RDS(ON)(导通电阻，指MOS完全导通时D和S之间的电阻)，如下图，当VGS=4.5V时对应R=85mΩ，VGS=2.5V时对应R=120mΩ。这两个才是完全导通时的VGS。上述是下桥的参数考虑，上桥需要考虑的则更多

设想，如果Q1和Q4导通，那9V的电压就会加载到电机，那么Q1S端电压就会为9V

VGS 此时计算出来为-5.7V，小于0，显然不满足MOS管的导通条件，所以Q1会关闭，也就是说Q1开的一瞬间就关闭了。所以上桥如果采用和下桥一样的NMOS是无法使用单片机直接控制的，需要使用自举升压电路

上桥用NMOS不行的话，就是用PMOS。我们知道，如果想让PMOS导通，VGS必须小于0，也就是VG<VS,

打开手册查看是否能用单片机驱动。可以看到，要想让PMOS完全导通，需要控制VGS<-2.5V，我们只需要让单片机IO口输出0V，这样VGS=0-9=-9V，PMOS就可以导通了。但是想要关闭就行不通了。由手册可以得知VGS>1.5V才能关闭PMOS管。即使我们让IO口输出3.3V，VGS仍然导通

（3）自举升压电路

为了让上管NMOS导通后不会因为S端电压升高而关断，就要驱使G端电压和S端一起升高，确保上桥能持续导通，为了实现这个功能我们可以使用国外芯片IR2103和国产EG3013，或者是分立元件来搭建

以下为分立元件搭建的自举升压电路。假设自举电容在上一周期中已经充满电14V，H桥上桥还未导通。第一种情况当PWM为1时，Q1导通使得C1电压为低，从而使得Q2B端电压也为低，Q2导通，此时Q2 E端电压为14V，14V从E走到C又经过D2和R4，最终走到MOS管的G端，大约为12V，所以自举电路的电源电压要比MOS管G端的设计电压高出大约2V。D2电压为左高右低，所以Q3 VB大于VE，Q3断开。此时MOS管导通，VM的24V加到S端，而S端又与电容右端相连，所以电容右端被抬高到24V，我们知道电容有保持两端压差不变的特性，所以电容左端电压会被一起抬高到38V，这个38V会经过Q2 D2 R4持续给MOS G端供电，保持上桥导通，但是电容维持时间有限，电容保存的电荷持续输出给MOS管的G端导致电荷量下降，电容电压也会跟着下降，最终电荷释放殆尽，MOS就会断开，自举就失效了。

所以接下来PWM为0就要给电容充电；PWM由1变为0，Q1断开，Q2 BE没有了电流路径，Q2断开，自举电容的放电路径被切断，但是这时MOS的G端还保存了一定量的电荷，也就是12V，12V会让Q3导通，Q3导通后，G端的电荷很快就会被放到S端，然后VGS就变成了0，MOS管就断开了。由于电机是感性负载，需要续流，刚才上桥导通电流由Q1流向Q4，上桥断开后因为电机的续流作用，电流会保持之前的不变，此时下桥的体二极管导通，为电机提供续流路径，由于体二极管的导通，导致自举电容的右端电压为-0.7V，此时14V电源给二极管充电，，充电过程很快。

（4）自举升压电路芯片的使用

自举升压集成芯片也叫半桥驱动或者栅极驱动，以EG3013为例，耐压高达100V(即HO输出电压)。内置死区控制电路(即使HIN和LIN同时有效，芯片也可以防止HO和LO同时输出高电平)

下图为例一个芯片驱动一个半桥，驱动H桥需要两个芯片，驱动三相全桥需要三个芯片

HIN输入的必须是PWM电波(占空比小于96%)，PWM波高电平期间，HO输出电压高达VCC+VIN，此时上桥导通。在PWM低电平期间，HO输出0V，此时上桥关断。LIN只需要接普通的IO口即可，当LIN为0V时，LO输出电压就为15V，此时下桥导通，LIN为3.3V时，LO输出为0V，下桥关断。D1和D2用来加速MOS管关断。电容C2为自举电容，耐压比VCC15V大一点即可，容值要足够大才能够维持HO输出高电平。VCC比MOS管G端高1-2V即可

当开关频率足够高时，就需要外接一个快恢复二极管

（5）电路原理图

以下为只控制电机开关的电路

直流电机在运转时，电刷上会有火花，这些火花会对外释放电磁波。为了消除火花，消除电磁波对其他电路的影响，可以在电机两端并联一个电容，来吸收换向器换相时产生的火花。

以下为用图腾柱电路(推挽电路)搭建的使用PWM波控制电机转速的电路(不能控制正反转)

电阻R14是为了让Cgs的电容可以释放到0V，确保关闭了MOS管

以下为全桥控制电路图，利用的HT7K1201或者IRS2104芯片。

以下为使用L298N搭建的电路，L298N芯片集成了MOS管，不需要再设置分立元件，且其内部集成了两个H桥，可以同时控制两个电机(适用于要求不高，电流较小的场合，额定功率25W，额定工作电压在5V-35V，额定电流2A，最大3A)

二极管D1~D8均为续流作用。由于使用PWM控制，开关频率比较高，所以使用肖特基二极管来进行续流

选择电机驱动时，电压够用就可以，电流越大越好。如果只需要电机单向旋转，使用MOS管模块更好，MOS管模块可以跑的电流大，便宜。

2，直流无刷电机

2，交流电机

在高中时接触过交流电机的实验，如下图。中间的马蹄形磁铁转动时带动中间的铝框会随之转动。利用这个原理就可以制造出交流电机，将马蹄形磁铁换为线圈，利用线圈通电方向来产生旋转磁场，带动铝框旋转

交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。

同步电动机

同步电动机的转速与电源频率保持严格同步，即转子的转速和定子旋转磁场的转速完全相同，比如在50Hz的电源下，一对磁极的同步电机转速固定为3000转/分钟。

它的工作原理是：定子绕组通入交流电产生旋转磁场，转子磁场被定子旋转磁场吸引，以相同的速度旋转。

自身没有启动转矩，通常需要借助辅助设备（如异步启动法、变频启动法）来启动。

同步电动机中电流的方向随时间做周期性变换的交流电作用于电动机。如下图，为一个周期不同方向的电路方向。如果定子线圈中的电流不断变化产生旋转磁场，使用电容器或者更多复杂的电子元件都会产生相位差。大多数情况下转子中有永磁体，但也可能有线圈或者由外部电源提供的直流电驱动。

转子的磁体试图跟随定子的旋转磁场，所以它随着定子磁场的变化随之转动。同步电动机只能以与驱动它的电流频率对应的速度运转，当同步电动机欠负荷运行时，转子会落回与定子电极成特定角度的相位，但是它们都以同样的同步转速运转，如果增加负荷，角度也随之增加。如果突然让电动机高负荷运转，转子和定子的电极会脱离同步状态，电动机停止工作

这些电动机并不是自启动的，它们需要一个启动机制。大多数同步电动机使用感应机制启动，只有在达到同步转速时才切换到同步模式。当纯电动车驱动同步电机时，使用的交流电的频率根据车辆的预期速度实行电子控制。但在现在的纯电动交通工具中，交流电可由一个电路中的直流电产生(给线圈通直流电，不断切换要通电的线圈即可达到交流电的效果)，电动车上的发动机可被看作直流发动机，也被称为无刷直流电动机。同步电机与这些无刷直流电机相比，同步电动机中没有会磨损并产生灰尘的元件，几乎不产生噪音

异步电动机（感应电动机）

异步电动机转子转速低于定子旋转磁场转速，两者转速不同步。

它的工作原理是：它的工作原理基于感应现象。定子绕组产生旋转磁场，转子由于感应电流产生电磁转矩而旋转，其转速会随着负载变化而改变。

有一定的启动转矩，能够自行启动

异步电动机也有一个定子和一个转子构成。定子由几个使用交流电的线圈组成，转子可以是一个金属圆柱，也可以是一个短路线圈，短路线圈不需要从外部电源获得电流，只需要作为一个可以被磁化的导体即可。

异步电机的工作原理分为四个部分

定子线圈中的交流电不在同一个相位流动(即交替接通，如上图)，产生围绕线圈的旋转磁场
旋转磁场使转子产生电流
产生的电流形成另一个围绕转子的磁场
两个磁场相互作用，转子试图与外部磁场保持一致。

异步电动机的操作比同步电动机简单，因为即使增加负荷，异步电动机也不会停止工作

1，线性感应电动机和直线同步电动机

上述说的同步电动机和异步电动机都有线性版，称为线性感应电动机和直线同步电动机。这些电动机的操作不会产生旋转运动而是直线运动，它们的工作原理和旋转的电动机相同，除了转子和定子都沿直线运动。而且活动部件通常是包含线圈的组件，而不是磁性部件或者可磁化的部件。在线性感性电动机中，多相交流电驱动一排可移动的线圈，产生运动磁场，产生的磁场驱动电动机的活动部件。在直线同步电动机中，钢轨必须包含一排磁体，流经活动部件中线圈的交流电必须根据运动方向做出改变，使它以正确的相位到达下一个磁体，这必须需要传感器和控制电路

2，步进电动机

步进电动机对于需要知道精确角度来使得电动机按照特定的电流量来旋转设备十分有用

步进电动机的转子由永磁体组成，而定子由电磁体(通电的线圈)组成，定子的电磁体由控制电路根据需要的角度单独供电。转子中安装的永磁体和定子中安装的电磁体越多，电动机能步进旋转的角度就越小，所以电动机能在预定的方向上进行更精确地旋转。

如果转子中的磁体和定子中电磁体的铁芯都能做成有堆齿的，那么电动机的编码分辨率也就更高，精确改变线圈的控制电流也能进一步提高分辨率

以下是两款比较有代表性的步进电机。左侧为两相的42步进电机，右侧为四相的288YJ-48步进电机。这两款电机都是永磁体转子和线圈定子组成的无刷电机

先来看一下简化模型。用两根导线缠绕铁芯组成电机定子，如下图。

当电流从A1流向A2时，产生左端为S右端为N的磁场，电流反向时磁场随之反向。导线B同理

现在加入一个永磁体，首先通以A2到A1的电流

转子在磁场吸引下转动90度并保持在此

然后断开A1到A2的电流，然后通B1到B2的电流，转子再次转过90度，并保持在此

之后通以A1到A2的电流，B2到B1的电流。这样就实现了对转子旋转90度的控制

现在保持B2到B1电流的同时，通以A2到A1的电流。此时转子同时受两组磁场的作用，旋转45度。与之前的单一导线通电结合，我们就实现了对转子单次旋转45度的控制

通过改变对电信号的执行顺序和时长，就能改变转子的转动方向和转速。这就是一个最基础的双向步进电机。每发送一个电信号，转子转动45度，45度就是这台步进电机的步进角。要实现更惊喜的控制就要增加绕组

现在我们将绕组增大一倍，依然是两根导线绕成，产生的磁场两两相对，将转子磁极也增加一倍。依然按刚才的顺序发送电信号

B1->B2 A1->A2

A1->A2

A1->A2 B2->B1

现在这台步进电机的步进角就变成了22.5度

如果想要得到更小的步进角理论上只需要成倍的增加线圈绕组即可，但实际上并不需要。要得到更小的步进角，更精确的控制。42步进电机和288YJ-48步进电机采用了两种不同的设计方式

42步进电机

42步进电机的转子是一块外圈为单一磁极的永磁体。假定为N级，这块磁极有50个齿

再设计一个与其对应的50齿内齿轮

将50齿内齿轮去掉两个齿，将剩下的48齿分为8份等距间隔，这个间隔为1.8度。此时1号齿和5号齿与转子齿两两相对，2号4号6号8号的齿与转子相差1.8度，3号7号与转子相差3.6度，如下图

现在用这些齿来代替原本定子铁芯的圆弧形状，就得到了下图改进后的步进电机，步进角为1.8度

现在我们按照A1->A2 B2->B1 A2->A1 B1->B2的顺序通电，分别得到下图所示的各阶段图。

此时每发送一个电信号转子转动1.8度来对齐绕组铁芯的齿(因为之前说过有几号齿是和转子的齿相差1.8度的)，以下为对齐状态

为了让转子获得更大的扭矩和转动稳定性，可以再增加一块外圈为S极的永磁体，两块永磁体齿相差3.6度，刚好齿牙交错，通电时，S极吸引前面的永磁体，N极吸引后面的永磁体。

288YJ-48步进电机

288YJ-48步进电机就相当于内部有一个32个绕组的定子，但实际上只有两组线圈

我们先看一组线圈

线圈被两个有八只爪的导磁片夹住

这组线圈有A1和A2两根组成，且共用一个电源正极。

当线圈A1导通时，产生正向磁场，如下图。

后导磁片的八只爪聚集磁感线，表现为N极

前导磁片的八只爪表现为S极

当线圈A2导通时产生反向磁场前后导磁片磁极也随之改变

另一组线圈也是如此，当两组线圈叠加时，4根线圈共用一个电源正极

同时，四片导磁片的磁爪相互交错，相差11.25度，相当于用两组线圈就构建了32个绕组的定子

搭配一只八对N/S极的永磁体转子，就得到了一个步进角为5.625度的步进电机

再加上一套1：64的减速齿轮，所以最终这个步进电机的步进角为5.625/64，约等于0.0879度

我么可以通过改变发送电信号的顺序，数量及时长来改变步进电机的运转方向，角度及速度。

3，单相鼠笼异步电机

（1）认识

这种电动机结构简单，制作方便，运行可靠，维护方便而且价格便宜

单相是指只需要连接一根正极线即可，通常连家庭用电的220V交流电

鼠笼就是转子的结构像鼠笼一样，其中间的铝条倾斜放置

（2）分类

1，电容启动式

定子是电机的本体部分，由两个线圈组成，一个是主线圈，另一个是辅助线圈。正常情况下主线圈通电产生旋转磁场，辅助线圈则扮演启动和运转时产生旋转磁场的角色。启动原理：单相电机在启动时无法产生旋转的磁场，需要借助电容来产生旋转磁场，启动电容的作用是给主副线圈中的电流提供一个相位差，从而形成旋转磁场。启动电容和启动线圈串联，电机启动时，由于启动电容的作用会使启动线圈获得一个超前的电流，这个电流比主线圈的电流超前相位90度。当电机启动后转速达到额定转速的70~80时离心开关就会断开，从而使启动电容从电路中断开，此时运行电容开始发挥作用，运行电容的作用是提高电机的功率因数和效率，同时减小温升和噪音

主线圈和辅助线圈垂直放置，电容器连接在辅助绕组中

单相鼠笼电机的运行可以分为两个阶段，启动阶段和运行阶段

启动阶段当单相电源施加在电动机的定子上时，定子绕组会产生一个旋转的磁场，这个磁场对鼠笼转子产生感应电动势，进而产生旋转力矩使电机旋转

运行阶段电动机的旋转磁场会持续作用在鼠笼转子上，使其保持与旋转磁场同步的转速

4，三相鼠笼异步电机

三相电原理-CSDN博客先查看三相电原理。因为三相鼠笼异步电机使用的就是三相电源！

它是一种异步电机。定子由铜线在内槽内缠绕形成的线圈(其表面涂有一层特殊的绝缘搪瓷)组成，如下图

与单相鼠笼异步电机不同的是三相鼠笼异步电机的定子由三组独立的线圈组成(如下图，红黄蓝各为一组)，每组线圈末端连接到上方接线盒的端子上，如下图

当连接电源时定子就会产生旋转电磁场，转子与轴相连。鼠笼装备有多层挤压钢片，这些金属板有助于将磁场集中到磁棒上

接下来看一下为什么鼠笼会转动。当一组线圈时，如下图，中间的转子Rotor会受到安培力作用而转动

但是，转子不会一直旋转，而是旋转至与定子线圈对齐，然后会因为感应电流和线圈相反的关系卡在此处

为了克服这一种现象，可以在定子中再引入一组线圈(连接到另一相)。并且这两相线圈通电时间会错开，当转子转到上述情况时，第一相通电减弱，第二相通电增强，以此使转子继续转动

在感应电动机内部，分布有用来产生旋转电磁场的三个独立线圈，交流电通过每个线圈时，线圈会产生一个电磁场，随着电磁改变方向(交流电，每个线圈电磁都会呈现正弦式变化)，电磁场的强度和极性也会改变，如果我们将每个线圈连接到不同相位，那么每个线圈的电磁改变方向的时间就会不同，也就是错开变化一样。为了分配磁场，我们将线圈旋转120度后组成定子，如下图所示