零基础入门学用Arduino 第四部分（一）

重要的内容写在前面：

1. 该系列是以up主太极创客的零基础入门学用Arduino教程为基础制作的学习笔记。
2. 个人把这个教程学完之后，整体感觉是很好的，如果有条件的可以先学习一些相关课程，学起来会更加轻松，相关课程有数字电路（强烈推荐先学数电，不然可能会有一些地方理解起来很困难）、模拟电路等，然后就是C++（注意C++是必学的）。
3. 文章中的代码都是跟着老师边学边敲的，不过比起老师的版本我还把注释写得详细了些，并且个人认为重要的地方都有详细的分析。
4. 一些函数的介绍有参考太极创客官网给出的中文翻译，为了便于现查现用，把个人认为重要的部分粘贴了过来并做了一些修改。
5. 如有错漏欢迎指正。

视频链接：​​​​​​​4-1-1 电机基本结构与工作原理_哔哩哔哩_bilibili

太极创客官网：太极创客 – Arduino, ESP8266物联网的应用、开发和学习资料

一、电机的基本结构与工作原理

1、概述

（1）电机又称为电动机、马达，是一种通过电磁感应定律将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能以驱动其它装置的电气设备。

（2）使用Arduino控制的电机主要分为三类，分别是直流电机、步进电机及伺服电机，其中伺服电机在第二部分中有介绍，这里不再赘述。

（3）电机根据工作电源种类分为直流电机（DC）、交流电机（AC）和交直流两用电机（Universal）三类，很显然，直流电机只能由直流电源供电，交流电机只能由交流电源供电，而交直流两用电机可使用直流或交流电源供电。Arduino开发板通常配合直流电机进行应用开发。

2、直流电机

（1）直流电机根据有无电刷可分为有刷直流电机（BDC）和无刷直流电机（BLDC）。

（2）有刷直流电机的基本结构如下图所示。

①有刷直流电机有两个“定子”（下图所示的两侧的黑色块状物），电机在工作时它们基本固定不动，其作用是提供一个磁场；定子之间的一对半圆环是电机的“换向器”，将两对半圆环连接在一起的是电机的线圈，它和换向器共同构成电机的“转子”，顾名思义，电机在工作时转子将会不断地进行旋转；在换向器两边各有一个电刷，在转子转动时，电刷会不断与换向器产生摩擦。

②有刷直流电机连接上电源后，线圈中将会有定向电流流过（下图所示的蓝色箭头），在磁场的作用下，线圈将会受安培力（下图所示的红色箭头），从而带动转子进行旋转；当线圈旋转到与磁感线垂直的位置时，换向器的两个半圆环互换连接的电源极性，由此线圈中的电流流向发生翻转，在磁场的作用下，线圈将会受反向的安培力，于是转子会按照先前的旋转方向继续运动，直到下一次线圈旋转到与磁感线垂直的位置，线圈中的电流流向会再次发生翻转，由此可以实现转子按同一个方向不断旋转。

③当线圈旋转到与磁感线垂直的位置时，安培力的方向与线圈完全平行（安培力的力矩为0），理论上安培力没办法继续带动线圈转动，不过由于惯性，线圈还是可以向前旋转一小段距离，从而摆脱安培力力矩为0的位置，只是这样的话，转子的旋转在靠近安培力力矩为0的位置时运动速度会减慢，从而导致转子的旋转非常诡异，为此可以给直流电机增设若干组线圈及换向器，这样，当一个线圈与安培力平行时，其它线圈的安培力力矩不为0，从而克服转子在某一时刻安培力力矩为0的缺陷。

（3）无刷直流电机的基本结构如下图所示。

①无刷直流电机的转子是永磁铁（下图所示的黑圈），它产生一个永磁场；定子则是由三组线圈（以及下图所示的灰色物体）组成。

②为定子的一组线圈A通电时，线圈A将会产生一个电磁场，磁场方向如下一图所示，线圈A产生的电磁场与转子的永磁场产生交互（异极性相吸，同性极相斥），从而带动转子进行旋转；当转子旋转到两极非常接近线圈A的磁场两极时，线圈A断电，同时为线圈B通电，磁场方向如下二图所示，线圈B产生的电磁场与转子的永磁场产生交互（异极性相吸，同性极相斥），从而带动转子进行旋转；当转子旋转到两极非常接近线圈B的磁场两极时，线圈B断电，同时为线圈C通电，磁场方向如下三图所示，线圈C产生的电磁场与转子的永磁场产生交互（异极性相吸，同性极相斥），从而带动转子进行旋转。

③当转子旋转到两极非常接近线圈C的磁场两极时，线圈C断电，同时为线圈A通电，不过这次要给线圈A通一个与上一次反方向的电流，因为转子旋转半圈后极性的位置也与初始时颠倒了；同理，当转子旋转到两极非常接近线圈A的磁场两极时，线圈A断电，同时为线圈B通一个与上一次反方向的电流，当转子旋转到两极非常接近线圈B的磁场两极时，线圈B断电，同时为线圈C通一个与上一次反方向的电流，这样，转子就完成了一圈的旋转。

④按照上述的工作原理，每一时刻只有一组线圈通电，另外两组线圈处于一个空闲状态，为了提升电机的工作效率，可以在为转子两极一侧的一组线圈通电的同时，为转子两极另一侧的线圈也通上电，不过前者产生的磁场会吸引转子的两极，而后者产生的磁场会排斥转子的两极，由此可以提升转子的旋转速度。

⑤直流无刷电机中还有一个传感器与控制器，传感器会实时地将转子的状态反馈给控制器，控制器根据传感器的反馈对线圈组进行通电和断电。

3、步进电机

（1）不同于一般的直流电机（步进电机也属于直流电机），步进电机是以步进形式运转的，每执行一次步进都会保持当前状态一段时间，然后执行下一次步进。

（2）步进电机的优点：

①可精确控制电机输出轴的角度。

②低速运行时可获得更高的扭矩。

③开环控制/性价比高。

（3）步进电机可分为双极性步进电机和单极性步进电机，双极性步进电机通常有4根引线，单极性步进电机通常有5-6根引线。

①下图所示的是双极性步进电机结构的概念图（事实上双极性步进电机的结构要比下图复杂得多），通常电机的定子由电磁铁构成，而电磁铁又由铁芯及电磁线圈组成，电机的转子可以是一个永磁体（也可以没有任何磁性，这里以永磁体为例）。

[1]首先给电磁线圈通电，通电后线圈将产生电流，线圈电流将产生电磁场，电磁场存在南北极划分，由于转子的永磁铁也存在南北极划分，加上异性相吸、同性相斥，转子将会受磁场相互作用的影响而旋转。

[2]当第一次旋转结束时，可以给另一个线圈通电，通电后线圈将产生电流，线圈电流将产生电磁场，从而继续带动转子旋转。

[3]第二次旋转结束后，再给第一次旋转时通电的线圈通电，不过这次的电压方向要与之前相反，因为转子已经旋转了半周，这样，转子将进行第三次旋转；同理，第三次旋转结束后，再给第二次旋转时通电的线圈通电，这次的电压方向要与之前相反，这样，转子将进行第四次旋转，至此转子将完成一周的旋转。

[4]在上面的介绍中的步进电机的步进角度为90°，也就是每次转子的旋转角度为四分之一圆。

[5]双极性步进电机通常有4根引线，这4根引线就是电磁线圈的引线。

②下图所示的是单极性步进电机结构的概念图（事实上单极性步进电机的结构要比下图复杂得多），它与双极性步进电机非常相似，区别在于单极性步进电机的电磁线圈有三根引线，中间的引线总是接电源正极或接地（这里以连接电源正极为例）。

[1]将一个定子一端的导线接地，该定子线圈将产生线圈电流，线圈电流产生电磁场，在电磁场的作用下永磁体转子发生转动；一次转动结束后，给另一个定子一端的导线接地，该定子线圈将产生线圈电流，线圈电流产生电磁场，在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动。

[2]第二次旋转结束后，将第一次接地的定子的另一端的导线接地，该定子线圈将产生与第一次电流方向相反的线圈电流，线圈电流产生电磁场，在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动；同理，第三次旋转结束后，将第二次接地的定子的另一端的导线接地，该定子线圈将产生与第二次电流方向相反的线圈电流，线圈电流产生电磁场，在电磁场的作用下永磁体转子继续发生转动，这样，转子将进行第四次旋转，至此转子将完成一周的旋转。

[3]在上面的介绍中的步进电机的步进角度为90°，也就是每次转子的旋转角度为四分之一圆。

[4]单极性步进电机通常有5-6根引线，它们都是电磁线圈的引线，对于只有5根引线的情况，是将总是接电源正极或接地的两根引线合并在了一起。

③单极性步进电机的相对输出扭矩低，控制电路相对简单，而双极性步进电机通常输出扭矩较高，控制电路相对复杂。

（4）步进电机的一些参数：

①定位转矩：电机不通电时，转子自身的锁定力矩。

②保持转矩（静力矩）：电机通电但没有转动时，定子锁定转子的力矩。

③步进角度：电机转子每次旋转的角度。

④相数：可独立通电的定子电磁线圈组数。（上面的举例都是两相步进电机）

（5）步进电机还可分为永磁式步进电机、反应式步进电机和混合式步进电机。

①永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，上面有详细介绍的都是永磁式步进电机。

②反应式步进电机的转子用软磁材料（软磁材料易被周围磁场吸引，但它本身没有磁性）制成。

[1]如下图所示，反应式步进电机有6个定子，它们分别由一个线圈和铁芯组成，互相面对面的线圈在电路上是连接在一起的，转子则是位于中心的一个十字软磁材料，它由一系列的十字钢片组成。

[2]首先为线圈组A通电，线圈组A产生的电磁场将会吸引转子保持在当前位置，把这个位置称为第一个转子位置（下一图所示红线）；接着为线圈组B通电，线圈组B产生的电磁场将会吸引转子旋转到另一个位置，把这个位置称为第二个转子位置，它与第一个转子位置相差30°；接着为线圈组C通电，线圈组C产生的电磁场将会吸引转子旋转到另一个位置，把这个位置称为第三个转子位置，它与第二个转子位置相差30°。

[3]上述过程反复进行，可实现转子在同一个方向不断旋转，每次步进转动30°，这个30°就是该电机的步进角度。如果不希望步进角度太大，在给线圈组A通电的同时给线圈组B通电，这样，转子就会仅旋转15°，如下二图所示；接着再断掉线圈组A的电源，转子会继续旋转15°，如下三图所示，以此类推，这种步进方式叫做半步进。

③混合式步进电机结合了上述两种电机的特点，以NEMA 17为例，它的步进角度一般是1.8°。

[1]NEMA 17的转子由三部分组成，分别是转子内部的永磁铁以及扣在其两极的两个齿轮帽，齿轮帽本身不具有磁性，但它被扣在永磁铁上后便有了磁性。

[2]NEMA 17转子的齿轮帽有50个齿，与之相接触的定子则仅有48个齿（转子两极侧的定子各48个齿），将这48个齿分成4组，用下图的四种颜色表示，在电机工作前要调整转子的位置，绿色组齿与转子齿半对齐，黄色齿与转子齿完全错开，蓝色组齿与转子齿半对齐，红色组齿与转子齿完全对齐。

[3]NEMA 17是一个两相电机，转子一侧的8个线圈可分为两组，一组中有4个线圈。

#1 以转子南极为例，首先为线圈组A通电，线圈组A中一对线圈会成为电磁场的北极，另一对线圈会成为电磁场的南极，与转子齿对齐的红色组齿，其线圈处的磁场极性与转子南极相异，二者互相吸引，与转子齿错开的黄色组齿，其线圈处的磁场极性与转子南极相同，二者互相排斥。

#2 接着为线圈组B通电，受与转子齿半对齐的蓝色组齿和绿色组齿对应线圈的磁场影响，转子会进行小幅度的转动，转动到转子齿与蓝色组齿完全对齐、与绿色组齿完全错开的位置，与初始位置正好相差1.8°。

#3 轮流为线圈组A、B通电，可以实现转子不断以每步1.8°进行旋转。如果想要实现转子以每步0.9°进行旋转，可以参考之前介绍的半步进方式，工作过程是相似的。

#4 转子北极一侧的转子齿和南极一侧的转子齿完全交错。