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　　电机在现代社会中是个再普通不过的机电类产品，电机技术的成熟运用，使得这种能把电能转换为机械能的设备可以说是无处不在了，近到我们随身携带的手机，远到探索星际的飞船都有它们的存在。它们有着多种多样的分类和用途，能制成大小各异的体积，实现各种各样的控制、传动需求，在机电一体化设备中有着不可取代的地位。即便是在电子爱好者中，它们也一样有着十足的用武之地——制作各式各样的小型机器人、遥控玩具车船、散热设备、电动工具、甚至是简易的发电装备等。这个系列的文章就是简单地对一些常用的小型电机做介绍，方便大家了解和使用这些让我们着迷的小精灵。

　　）发明世界第一台电机（1821年）到现在已经有191年的历史了，直流电机的制造及应用技术已经是相当成熟的了。回头看看法拉第的第一台电机是怎么样的呢？他的实验是在一个碟子中倒入水银，其中为永磁铁，在碟子上面悬挂一根导线，导线一端连接电池的正极，另一端则浸泡在水银中，水银则和电池负极相连，水银有导电性和流动性，在这里就充当了电刷的角色。电流通过导线，产生磁场，和放置在碟子中的磁铁产生相互作用力，这使得导线翘起围着磁铁旋转。图1所示的就是原始的法拉第实验示意图。虽然这个实验中的装置并没有实用的价值，但从原理上是符合了直流电机的定义，我们也可以用这个实验原理仿制一些小的电动机实验玩具。图2所示就是一个利用这个原理制作的最简单电机实验，制作用料很简单，电池、铜丝和圆柱形钕铁硼磁铁块。制作方法是先把铜丝做成直径比电池直径略大一点的铜丝圈，把圆柱形钕铁硼磁铁块吸在电池的负极，铜丝圈接口处的铜线放在正极上相当于电机上的转轴，铜丝圈的另一端接触到电池负极下的磁铁块，钕铁硼磁铁块具有导电性就相当于直流有刷电机中的电刷，放置好后电流流过铜圈，产生磁场，当和钕铁硼磁铁块的磁场相互作用时，线圈就转动了。（注：图中钕铁硼下面的普通磁铁块只起固定作用，可以不使用）有兴趣的朋友可以做来哄小朋友，简单而又有教学作用。演示的视频可以到下面地址观看

　　斯特格恩（WilliamSturgeon）才制作出第一台具有实用性的四芯电机，而且最重要的是这个电机已具有了电刷来换相，是现代电机的原形。它的原理图如图3所示。到了1834年，美国人托马斯·达文波特（ThomasDavenport）制造出了第一辆直流电机驱动的电动车模型，如图4所示。虽然这辆直流电机驱动的电动车与现代的直流电机在性能及造型上相比有着天壤之别，但是其基本原理以及结构的组成要素都是一样的，只是实现的形式不同了。在商业化供电网还没出现之前，电机只能靠酸性电池来做能源，能源问题使得电机的发展一度停滞不前。而今，在网络供电时代，电机的能源供给问题得到了解决，电机得以飞速地发展，同时借助越来越先进的驱动控制技术，不单单是可以实现更大的动力输出，而且能实现更高速和准确地控制。

　　以上那个小实验我们可以直观的看到电流流过处在磁场中的导体时，会受到一种力的作用。电机正因为受到这种力的作用才会转动，由于是荷兰物理学家洛伦兹最先提出这个观点，所以这种力称之为洛伦兹力，它是指运动电荷在磁场中所受到的力，即磁场对运动电荷的作用力，力作用方向与电流方向和磁场方向都保持垂直。洛伦兹力的作用方向可以用左手法则来确定，那么具体如何使用左手法则来判定洛伦兹力的方向呢？还是用上面那个电机小实验来说明，如图5所示，首先我们要找出磁力线的方向，可以借助指南针（或手机上的电子指南针），指南针的南（S

　　中可以看到，环形线圈中，电流的走向可以分为A、B两段，这两段的方向正好相反，使用左手定则分开来分析得出A段受到向上的力，而B段受到向下的力，当线圈平面没有处于铅垂位置时，两股力会形成力矩使得线圈沿顺时针方向转动，当到达铅垂位置时，A段向上的力与B段向下的力在同一垂直线上，不产生力矩，这时达到平衡，停止转动。为了继续旋转，必须改变一下电源的极性，极性改变后A段受向下的力，B段受向上的力，受力状态在极性改变的瞬间被打破，绕圈继续沿顺时针方向转动，直到再次到达铅垂位置再次平衡。由此可知，只要在铅垂位置上进行电源极性转换，线圈就会一直转动下去，这种方式也已被广泛用于大多数的直流电机中，这种交替改变线圈中电流方向的过程称为换向。常见的永磁直流电机中实现转向功能的装置有换向器和电刷。

　　作品时，我们通常要用到小型的直流电机，那么我们如何选购所需要的电机呢？现如今，我们不但可以在电子市场上买到所需元件，更可以足不出户在网络上购买到心仪的元件，但无论从哪一种渠道购买电机，我们都应该在第一时间向供应商索要或询问电机的技术参数，最好是厂商提供的技术文档，当然也可以在网络上根据电机型号来查找相关的资料。从这些文档中我们可以详尽地得知该型号电机的所有详细技术资料，如外形、安装尺寸、力矩、电压、轴长等。有了这些资料可以在制作项目中更精准地进行设计。然而实际上我们在购买时往往不会索要到这些文档，对于小厂商生产的产品或是二手货物，更没法保证能获取全部的技术资料，但有些电机会在电机的铭牌或招纸上有标示电压、功率、转速等参数。那么爱好者可以在选购时关注以下几个基本指标，来看商品是否满足自己的要求。

　　Ω的电机，在供电电压为6V时，堵转电流就为1A。空载电流可以直接在电机和电源间串入电流表来直接测得。也可以串入小阻值的功率电阻再测功率电阻二端的电压值，之后用串联电路公式求得电流。使用电机时输入的电压值不应超过额定值，电机运转时输入电压越高绕组线圈所流过的电流也越大，发热量也越大，长期工作在电压超标的状态，电机的寿命会大大缩短。电机轴上承受的载荷越大，电流也会越大，同时对于电机轴或减速机构的磨损也越严重，所以要使电机寿命延长，电机轴上的载荷越小越好，或是选用更大功率的电机来满足载荷要求，如果有条件的话，可以安装滚珠轴承减少摩擦所增加的额外载荷。要求大转矩的情况时，可以选择使用行星齿轮减速电机，基本条件一样的情况下蜗轮、蜗杆以及直齿转减速电机输出的转矩相对会小一些。定期在轴承、减速机构上加注润滑油保持机件的小摩擦量，一来可以延长电机寿命，二来也可以减轻运转时的噪声。在固定电机时使用橡胶垫片，可以减少噪声及减少对电机及减速机构带来的冲击和振动，这在制作机器人或机器小车时很有用。

　　中文全称脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是可以用于电机调速且最为有效的方法。其原理就相当于在电机中安装了一个开关，想象一下在规定的时间里，接通电机的时间为30%与接通电机的时间为20%，前者所消耗的电能要大于后者，那么在全段时间内接通电机的线%，而不接通电机则不消耗电能。比较常用的一种PWM信号是以固定频率产生脉冲，然后根据需要改变其占空比。高电平持续时间越长，其占空比越大。可以参看图10理解，高电平持续看成是电机导通，占空比越大，导通时间就越长，能耗就越大，输出转速也就大。另一种产生PWM的方法是把脉冲的占空比固定，改变其频率，但这种方法需要产生不同的频率，实现不方便，而且在多种频率间切换时可能会让电机产生共振或加大噪声，一般不使用这种方式生成PWM信号。18135

　　ATtiny13单片机生成PWM信号，所以电路极其简单、灵活，且具有宽电压输入，255挡连续可调等功能，图11所示为电路图。电源部分使用了78L05为单片机提供稳定的5V电压，其输入电压为直流7～30V，也就使得这个电路的最高支持电压为30V，J1接口的1、2脚为电机输出端口，3、4为电源输入端口。电机驱动使用了型号为IRL510的MOSFET管，该管G极电压只需要5V就可以驱动，所以直接用单片机的I/O脚就可以驱动，PWM信号控制着MOSFET管的导通，形成了一个高速自动的电源开关，实现PWM原理，其最大负载电流可以达5.6A，可以满足大部分小型直流电机的需求，如需要实现更大电流的电机调速可以换用功率更大的MOSFET管来实现。tiny13芯片使用内置的复位及振荡电路，电路十分简洁，J2为芯片的编程接口。调节部分使用了带中央按键的编码开关，中央按键用于启停电路，左右旋转则可以使电机加减速，使用了编码器可以使得调节更加精准，也不会像使用普通电位器那样时间久会有阻值变化从而造成调节失常。图12所示则是笔者用万用板焊接完成的本电路。电路连接电机使用的测试视频可以看。

　　绕组线圈其实就是一个大电感，在电路上就是一个感性负载，具有阻碍电流变化的特性，当线圈中的电流变化得越快，其阻碍能力越大，在线圈断电的瞬间，电感阻碍电流变化在其两端产生反向电动势，电压幅值可能是原输入电压值的数倍。因产生的反向电压过高，容易造成连接电机的其它元件被反向击穿，如三极管。通常为了保护电机驱动电路，会在电机两端并入一个反接的二极管，当有反向电压产生时，对于这二极管来说正好是正向导通，电流会经二级管流回线圈，消耗掉，形成续流作用，这时二极管二端电压是其压降值，从而保护其后的驱动电路，此处二极管称为续流二极管。如图11中的