電機： 俗稱“馬達”，依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。包括：電動機和發電機。

電動機在電路中是用字母M表示，它的主要作用是產生驅動轉矩；作為用電器或各種機械的動力源，發電機在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機械能轉化為電能。

電機實際使用過程，要加光耦隔離，要不很容易帶回電磁干擾影響單片機。

Chapter 01

電動機簡介

THEORY

導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。

STRUCTURE

1—轉子 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—制動輪 12—風罩 13—鎖緊螺母 **

CLASSIFICATION

按工作電源種類劃分：

直流電機和交流電機。

按結構和工作原理可劃分：

直流電動機、異步電動機、同步電動機。

直流電動機按結構及工作原理可劃分：

無刷直流電動機和有刷直流電動機。

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

按用途可劃分：

驅動用電動機和控制用電動機。
控制用電動機又劃分：

步進電動機和伺服電動機等。

按運轉速度可劃分：

高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

按起動與運行方式可劃分：

電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。

Chapter 02

常見的電機

直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢的原理。

直流電動機具有調速性能好、起動容易、能夠載重起動等優點，所以直流電動機的應用仍然很廣泛，尤其在可控硅直流電源出現以后。

1

有刷直流電機

Brushed DC

直流有刷電機(Brushed DC，簡稱BDC)，由于其結構簡單，操控方便，成本低廉，具有良好的偏動和調速性能等優勢，被廣泛應用于各種動力器件中，小到玩具，按鈕調節式汽車座椅，大到印刷機械等生產機械中都能看到它的身影。

直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載。

優點： 價格低、控制方便
缺點： 由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結構復雜，可靠性差，故障多，維護工作量大，壽命短，換向火花易產生電磁干擾。

2

步進電機

Stepping Motor

步進電機就是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構；更通俗一點講：當步進驅動器接收到個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個數來控制電機的角位移量，從而達到精確定位的目的；同時還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。選型要注意步距角、扭矩力、多少相電機

優點： 控制簡單，低速扭矩大，成本低；
缺點： 步進電機存在空載啟動頻率，所以步進電機可以低速正常運轉，但若高于一定速度時就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲；同時，步進電機是開環控制，控制精度和速度都沒有伺服電機那么高。

3

伺服電機

Servo Motor

伺服電機廣泛應用于各種控制系統中，能將輸入的電壓信號(或者脈沖數)轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。伺服電機系統見下圖。一般地，要求轉矩能通過控制器輸出的電流進行控制；電機的反應要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機主要應用在各種運動控制系統中，尤其是隨動系統。

伺服電機有直流和交流之分，最早的伺服電機是一般的直流有刷電機，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機做伺服電機。當前隨著永磁同步電機技術的飛速發展，絕大部分的伺服電機是指交流永磁同步伺服電機或者直流無刷電機。

優點： 可使控制速度，位置精度非常準確，效率高，壽命長。
缺點： 控制復雜，價格昂貴，需要專業人士才能控制。

4

無刷直流電機

Brushless DC

無刷直流電機【BLDCM】是在有刷直流電機的基礎上發展來的，但它的驅動電流是不折不扣的交流。一般地，無刷電機的驅動電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦一般的， 把方波驅動的叫做直流無刷電機(BLDC)；把正弦波驅動的叫做永磁同步電機(PMSM)， 這個實際上就是伺服電機。

直流無刷電機與伺服電機有類似的優缺點。BLDC電機比PMSM電機造價便宜一些，驅動控制方法簡單一些。

5

直流減速電機

DC Reduction

直流電機旋轉：給電機兩根線供電電機就可以旋轉，給正電壓電機正轉，給相反電壓電機反轉；電壓越大，電機轉得越快，電壓越小，轉速也變小。

電機一般還有一個 最小啟動電壓 ，就是可以使得電機(無負載)、開始旋轉的電壓值。為保證電機正常工作，一般需要接到電機兩端的電壓值范圍為：最小啟動電壓至額定電壓。并且在這個電壓值范圍內才認為轉速與電壓成正比。

電機線圈是有銅導線繞線而成的，所以其電機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。這對我們電機驅動設計有很大的影響。

另外，電機還有一個比較重要的參數：扭矩。簡化理解 扭矩就是電機可以帶動外部部件旋轉的力量 ，在物理上用轉矩來描述，單位為：N.m(常用單位有：Kg.cm)。大扭矩可以帶動比較重的東西。一般認為：直流電機的扭矩和電流成正比。

6

力矩電動機

Torque Motor

力矩電動機具有低轉速和大力矩的特點。一般在紡織工業中經常使用交流力矩電動機，其工作原理和結構和單相異步電動機的相同。

7

開關磁阻電動機

Switched Reluctance

開關磁阻電動機是一種新型調速電動機，結構極其簡單且堅固，成本低，調速性能優異，是傳統控制電動機強有力競爭者，具有強大的市場潛力。

8

異步電動機

Asynchronous Motor

異步電動機具有結構簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠以及質量較小，成本較低等優點。異步電動機主要廣泛應用于驅動機床、水泵、鼓風機、壓縮機、起重卷揚設備、礦山機械、輕工機械、農副產品加工機械等大多數工農生產機械以及家用電器和醫療器械等。

在家用電器中應用比較多，例如電扇、電冰箱、空調、吸塵器等。

9

同步電動機

Synchronous Motor

同步電動機主要用于大型機械，如鼓風機、水泵、球磨機、壓縮機、軋鋼機以及小型、微型儀器設備或者充當控制元件。其中三相同步電動機是其主體。此外，還可以當調相機使用，向電網輸送電感性或者電容性無功功率。

Chapter 03

H橋電路分析

以MOS管搭建的H橋電路解釋電機正反轉控制。要使電機運轉，必須使對角線上的一對MOS管導通。如下圖，當Q1管和Q4管導通時(此時必須保Q2和Q3關斷)，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。

另一對MOS管2相Q3導通的時候(此時必須保證Q1和Q4關斷)，電流從右至左流過電機，從而驅動電機沿逆時針方向轉動。驅動電機時，保證H橋兩個同側的MOS管不會同時導通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從電源正極穿過兩個MOS管直接回到負極，此時電路中除了MOS管外沒有其它任何負載，因此電路上的電流就達到最大值，燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時導通是同樣的道理。

驅動電機時，保證H橋兩個同側的MOS管不會同時導通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從電源正極穿過兩個MOS管直接回到負極，此時電路中除了MOS管外沒有其它任何負載，因此電路上的電流就達到最大值，燒壞MS管和電源。Q3和Q4同時導通是同樣的道理。

簡單的開關只能控制電機正反轉，引入PWM控制可以實現方向和速度調節。調節占空比實現控速，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。頻率太低會導致電機轉速過低，噪聲較大。頻率太高，會因為MOS管的開關損耗而降低系統的效率。

根據不同橋臂的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：電機電樞驅動電壓極性是單一的

優點： 控制電路簡單。

缺點： 不能剎車，不能能耗制動，在負載超過設定速度時不能提供向力矩。調速靜差大，調速性能很差，穩定性也不好。

02

單極模式

單極模式：電機電樞驅動電壓極性是單一的。

優點： 啟動快，能加速，剎車，能耗制動，能量反饋，調速性能不如雙極模式好，但是相差不多，電機特性也比較好。在負載超速時也能提供反向力矩。

缺點： 剎車時，不能減速到0，速度接近0速度時沒有制動力。不能突然倒轉。動態性能不好，調速靜差稍大。

PWM和PWMN是互補的PWM信號，一般用高級控制定時器的通道和互補通道控制。在PWM為高電平時：MOS管1和4都導通，MOS管2和3都截止，電流從電源正極，經過MOS管1，從左到右流過電機、然后經過MOS管4流入電源負極。在PWM為低電平時：MOS管2和4都導通，MOS管1和3都截止，根據楞次定律，存在自感電動勢，電流還是從左到右流過電機，經過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交替的。

優點： 能正反轉運行，啟動快，調速精度高，動態性能好，調速靜差小，調速范圍大，能加速，減速，剎車，倒轉，能在負載超過設定速度時，提供反向力矩，能克服電機軸承的靜態摩擦力，產生非常低的轉速。

缺點： 控制電路復雜。在工作期間，4個MOS管都處于工作狀態，功率損耗大，電機容易發燙。

PWM1和PWM1N、PWM2和PWM2N是PWM互補通道。使用高級控制定時器通道和互補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，使得對角線上的兩個MOS管同時導通，同時關斷。