第四讲 让小车动起来-直流电机的驱动分解
直流电机应用及原理
直流电机应用及原理直流电机是一种将电能转换为机械能的重要设备，广泛应用于工业生产、矿山、机械加工、家用电器等领域，它的原理和应用十分重要。
首先，让我们来看一下直流电机的原理。
直流电机是将直流电能转换成机械能的电动机。
它是由电枢、磁极、电刷、永磁体和机壳等部分组成。
电枢是电机的核心部件，它由许多匝数的绕组组成。
当电枢通电时，在电枢的绕组内会产生磁场。
电刷与电枢相接触，通过电刷将直流电送入电枢，使其产生磁场。
永磁体则发出磁场，与电枢的磁场相互作用，使电枢产生转动力。
当电枢受到磁场作用时，便会产生一个力矩，从而带动电机的转动。
直流电机的工作原理可以用右手法则来解释，当电流通过电枢时，会在电枢周围产生一个磁场。
同时，还有一个永磁体产生的磁场作用于电枢。
根据洛伦兹力的作用，电枢就会受到一个力矩，从而产生转动。
直流电机的应用非常广泛。
首先，在工业生产中，直流电机通常应用于机床、卷扬机、输送机械等设备中。
它能提供稳定的动力输出，使这些设备能够长时间稳定运行。
此外，在汽车行业，直流电机也被广泛应用于发动机启动、电动车辆和电子助力转向系统。
在家用电器领域，直流电机也被广泛应用于吸尘器、洗衣机、风扇等设备中。
直流电机还可以应用于船舶工程、飞机制动器以及电力系统的调速装置等领域，可以说直流电机的应用范围是非常广泛的。
直流电机有着许多优点，首先是其启动和调速性能好。
由于其电枢的特性，其转速和力矩可以很容易地进行调节。
其次，直流电机的效率高，能够提供稳定的输出功率。
此外，直流电机的结构简单，维护方便，成本较低。
然而，直流电机也存在一些缺点，例如电枢和电刷易磨损，需要经常更换；电刷运转时会产生火花，容易引起火灾，因此在一些特殊环境中需要加强安全措施。
虽然在一些特殊场合中，交流电机和无刷直流电机逐渐取代了直流电机，但直流电机仍然是工业生产和家用电器中不可或缺的部分。
随着技术的不断发展，直流电机的性能将得到进一步提高，应用范围将得到进一步拓展。
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足爪
足爪行走机构模仿动物的行走 方式，具有较好的越障能力和 灵活性。
足爪小车通常适用于复杂地形 和狭小空间的探索，如地震救 援、地下探测等。
足爪的材质和结构设计需要根 据源自车的用途和环境进行选择 和优化。其他行走机构
01
其他行走机构包括轮履结合、步 行式、跳跃式等，每种机构都有 其独特的优点和应用场景。
06 小车的实际应用与案例分 析
玩具小车
儿童玩具
玩具小车主要用于满足儿童的好 奇心和探索欲望，通常采用电池 或遥控器驱动，具有简单、易操
作的特点。
创意设计
玩具小车可以通过各种创意设计 ，如变形金刚、动漫角色等，吸 引儿童的兴趣，提高其玩耍的乐
趣。
安全性能
玩具小车应符合相关安全标准， 确保儿童在玩耍过程中的安全。
让小车动起来
目录
• 小车的组成部分 • 小车的动力来源 • 小车的传动方式 • 小车的行走机构 • 小车的控制方式 • 小车的实际应用与案例分析
01 小车的组成部分
动力部分
发动机
为小车提供动力，将燃料转化为 机械能。
电池
为小车提供电能，驱动电机转动。
燃料
为发动机提供能量，常见的燃料有 汽油、柴油等。
内燃机
强大、高效、常见
内燃机是一种将燃料燃烧产生的热能转化为机械能的装置，可以为小车提供强大的动力。使用内燃机作为动力源的小车，通 常具有较高的行驶速度和较好的载重能力。
蒸汽机
历史悠久、稳定、需要加水
蒸汽机是一种利用蒸汽推动活塞运动的装置，可以为小车提供稳定的动力。使用蒸汽机作为动力源的 小车，通常需要在行驶过程中添加水来维持蒸汽机的运转。
齿轮传动
总结词
直流电机的工作原理 直流电机工作原理
直流电机的工作原理直流电机工作原理直流电机是将电能转变为轴上输出的机械能的电磁转换装置。
由定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场，主电路引入直流电源，经碳刷（电刷）传给换向器，再经换向器将此直流电转化为交流电，引入电枢绕组，产生电枢电流（电枢磁场），电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场，电枢绕组切割合成气隙磁场，产生电磁转矩。
这是直流电机的基本工作原理。
右图为简单的两极直流电机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向片等组成。
固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁级N、S，主磁级由励磁线圈的磁场产生；旋转部分（转子）上，装调电枢铁芯与电枢绕组。
电枢电流由外供直流电源所产生。
定子和转子之间有一气隙。
电枢线圈的首、末端分别连接于两个圆弧型的换向片上，换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向片固定在转轴上，与转轴也是绝缘的。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接触（引入外供直流电源）。
直流电动机运行时，将直流电源接住在两刷之间，电流方向为：N级下有效边电流总是一个方向，而S级上有效边中电流总是另一个方向，两边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。
当线圈有效边从N级下（S级上）转到S级上（N极下）下时，其中电流方向由于换向片而同时改变，而电磁力方向不变，使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，因而电机连续运行。
直流电机使用检查注意事项1、周围应保持干燥，其内外部均不应放置其他物件。
电机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应以压缩空气吹净内部的灰尘，特别是换向器、线圈连接线和引线部分。
2、换向器的保养（1）换向器应是呈正圆柱形的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。
（2）换向器在负载下长期无火花运转后，在表面产生一层褐色有光泽的坚硬薄膜，这是正常现象，它能保护换向器的磨损，这层薄膜必须加以保护，不能用砂布摩擦。
（3）若换向器表面出现粗糙、烧焦等现象时可用“0”号砂布在旋转着的换向器表面进行细致研磨。
汽车电动机如何工作的原理
汽车电动机如何工作的原理
汽车电动机工作的基本原理是利用电流通过导线时产生的磁场与磁场相互作用从而产生电磁力，推动电动机转动。
具体而言，汽车电动机一般采用直流电动机或交流异步电动机。
以下以直流电动机为例进行说明：
1. 基本组成部分：直流电动机通常由电枢、永磁体或励磁线圈、电刷和电刷环组成。
2. 电流通过电刷：当直流电源通过电刷进入电刷环时，电流会进入电枢绕组。
3. 电流在电枢绕组中产生磁场：电流通过电枢绕组时，会产生一个磁场，这个磁场是根据安培定律形成的，方向垂直于电流方向的面。
磁场的方向可以通过右手螺旋法则确定。
4. 产生磁场的相互作用：在电动机的永磁体或励磁线圈中，有一个固定的磁场。
产生的电流磁场与固定磁场通过相互作用，会产生一个力矩，作用在电枢上。
5. 电机转动：由于作用在电枢上的力矩，电枢会受到推动而转动。
同时，随着电枢的转动，电刷与电刷环接触的位置也会改变，从而改变了电流的方向，使得电流方向始终保持与电枢转动方向垂直，从而保证了电机的持续运转。
需要注意的是，以上仅是直流电动机的基本工作原理，而交流
异步电动机的工作原理更加复杂，涉及到电磁感应、旋转磁场等原理。
直流电机的运行原理
新材料与新工艺的应用
新材料
随着科技的发展，新型材料如碳纤维、纳米材料等在直流电机中得到了广泛应用。这些新材料具有更高的导磁性 能、耐高温和轻量化等特点，提高了电机的性能和可靠性。
新工艺
新工艺的应用为直流电机的制造提供了更多的可能性。例如，采用先进的激光加工、3D打印等技术，可以实现对 电机零部件的高精度制造和快速成型，提高了生产效率和产品质量。
电能。
反接制动
通过反接电机电源来产生制动转 矩。这种方式适用于快速停止电 机，但会对电机造成较大冲击。
机械制动
通过机械摩擦力来产生制动转矩。 这种方式适用于高速或大惯量电 机的快速停止，但需要额外的机
械装置。
04
直流电机的应用
工业领域的应用
自动化生产线
直流电机广泛应用于自动化生产线， 如传送带、机械臂等，实现高效、精 准的物料搬运和加工。
02
直流电机的运行原理
直流电机的电磁场原理
磁场定义
磁场对电流的作用
磁场是存在于磁体周围的一种特殊物 质，它看不见摸不着，但具有能量， 可以被磁体所磁化。
在磁场中运动的导线会受到安培力的 作用，这个力就是直流电机转动的主 要驱动力。
直流电机中的磁场
在直流电机中，磁场是由励磁绕组产 生的，励磁绕组通入直流电流后，就 会在电机内部形成一个恒定的磁场。
串电阻调速
通过在电机回路中串入电 阻来调节转速。这种方式 适用于小功率电机，但电 阻耗能较大。
PWM调速
通过调节电机输入端的 PWM信号占空比来调节 转速。这种方式可以实现 宽范围的调速，且效率较 高。
直流电机的制动方式
能耗制动
在电机定子绕组中通入直流电， 产生制动转矩使电机迅速停止。 这种方式简单可靠，但需要消耗
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通过斜坡测验，大家都知道了：
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机器人等级考试三四级产品资料-10.让智能小车动起来(无电机库版本)
在科技制作中，需要执行器给制作的装置提供动力，常用的执行器有直流电机、舵机、步进电机（步进是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差）等。
直流电机是自常见的执行器之一。
在红外遥控小风扇章节中通过晶体三极管控制电路实现了电机的启停控制和速度控制，但没有实现转向控制。
在很多自动控制场合都需要控制电机的正反转。
那具体应该如何控制电机的呢？H桥电路H桥电路名称的由来是因为控制电路的形状像英文字母H而得名。
控制电机正反转的H桥开关电路如右图所示：M HM C B当开关A与D闭合时，电流如右图指示方向流过电机。
M C B当开关B与C闭合时，电流如右图指示方向流过电机。
同侧的开关A、C或者B、D不能同时打开，否则将导致短路。
将上面的开关换成晶体管，就构成了现在常见的H桥控制电路，采用NPN和PNP 晶体管配对。
如右图所示，晶体管Q1、Q2 和 Q3、Q4的基极分别相连。
当左侧输入低电平，右侧输入高电平时，晶体管Q1和Q4导通，Q2和Q3断开，电流流动方向如右图所示。
当左侧输入高电平，右侧输入低电平时，电流流动方向和图示相反。
直流电机驱动和控制模块除了用晶体管自行组装H桥控制电路，还可以直接选用专用的电机驱动控制IC。
常见的驱动芯片如下图：L293D L298N TB6612 上面三种芯片都包含了两组H桥式电路，可以驱动并控制两个电机的正反转。
L298N和TB6612还需要有外围电路，所以使用时一般都采用成品的电机驱动模块。
使用TB6612电机驱动芯片，MA电机速度控制口:D5MA电机方向控制口:D7MB电机速度控制口:D6MB电机方向控制口:D8小车姿态图示引脚参数前进Motor_run(1,30)Motor_run(2,30)后退Motor_run(1,-30)Motor_run(2,-30)左转Motor_run(1,30)Motor_run(2,0)通过控制MA、MB来实现小车运动方向的控制：小车姿态图示引脚参数右转Motor_run(1,0)Motor_run(2,30)原地左转Motor_run(1,30)Motor_run(2,-30)原地右转Motor_run(1,-30)Motor_run(2,30)速度-30表示马达反着转项目一：让智能小车动起来所需器件：Ø已搭建好的智能小车一辆堵转：由于减速电机受到阻力，当输入的PWM值产生的动力小于阻力时，电机不能转动，此时，电机会发出嗡嗡的声音。
让小车动起来mixly——【全国机器人等级考试】
左转
motor1.run(1, 0) motor2.run(2, IntSpeed)
速度-IntSpeed表示马达反着转
小车姿态 右转
原地左转
原地右转
图示
引脚参数 motor1.run(1, IntSpeed)
motor2.run(2, 0)
motor1.run(1, -IntSpeed) motor2.run(2,IntSpeed)
注意2:小车必须用锂电池供电才能正常工作。
程序分析
课课后后小小结结
motor1.run(1,IntSpeed) motor2.run(2, -IntSpeed)
项目一：让智能小车动起来 所需器件： ➢ 已搭建好的智能小车一辆
搭建好的智能小车如右图。
堵转：由于减速电机受到阻力，当输入 的PWM值产生的动力小于阻力时，电机 不能转动，此时，电机会发出嗡嗡的声 音。 注意：当电机出现堵转的时候需要及时 停止驱动，时间稍长会烧坏电机。
那具体应该如何控制电机的呢？
H桥电路
H桥电路名称的由来是因 为控制电路的形状像英文字母
M
H而得名。控制电机正反转的
H桥开关电路如右图所示：
Hale Waihona Puke 当开关A与D闭合时，电流如右图指示方向流过电机。
B
M
C
B
当开关B与C闭合时，电流如右图指示方向流过电机。 同侧的开关A、C或者B、D不能同时打开，否则将导致短路。
直流电机驱动和控制模块
除了用晶体管自行组装H桥控制电路，还可以直接选用专用的电机驱动控制IC。 常见的驱动芯片如下图：
L293D
L298N
TB6612
上面三种芯片都包含了两组H桥式电路，可以驱动并控制两个电机的正反转。
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直流电机的外形
一般具有正极和负极接线端子，转轴。
直流电机Байду номын сангаас用途
小家电：比如电吹风、玩具车、光盘驱动 器、电动自行车、剃须刀 工业：轧钢设备、精密机床、电车 学校：智能车（电子设计大赛、飞思卡尔 智能车比赛）
智能小车采用的直流电机规格
型号130 直径：20mm，机身不含轴长度：25mm 轴长38mm 电压范围：DC 1.5-6.0V 6.0V空载转速10000rpm
下节内容介绍
下节，我们将讲解“避障传感器接近开关” 并教给大家做一个简单的避障小车，敬请 期待。
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芯腾电子系列视频教程简介
共分5个部分 详细请见本套视频教程第一讲 本套视频在线观看专集地址： /playlist_show/id_1 8961848.html
第四讲 让小车动起来 ——直流电机的驱动
教学目标
理解直流电机和直流电机驱动器的工作原理 能够使用C语言编程STC89C52，使电机正反 转和调速，从而达到小车前进，后退和转向 的功能。
5、小车的调速
小车采用PWM调速 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制， 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路 进行控制的一种非常有效的技术，广泛应 用在从测量、通信到功率控制与变换的许 多领域中。
调速的实现
怎么样用C语言实现PWM波形
引脚定义和外形
XTSCB已经集成两路该芯片。
应用电路
00-停转，01 10-正反旋转，11-刹车
原理图
接法演示
将直流电机输出插针DCMOTOR1和 DCMOTOR2连接电机的红黑排线，注意 顺序。 将驱动器L9110的输入插针MOTOR1和 MOTOR2分别接单片机的P20 P21 P22 P23口。 用按键测试是否转动。 定义电机1的输入为IN11和IN12，电机2的 输入为IN21和IN22。
3、实现一个轮子正反转
根据L9110驱动器的特性，如使电机1正反 转，则分别置IN11=1 IN12=0或IN11=0 IN12=1即可 电机2同理 思考：如果电机红黑线插反了，怎么办。
4、小车的前进、后退、转弯、 旋转
前进：电机1和2具有相同的前进信号 后退：电机1和2具有相同的后退信号 转弯：电机1前进后退，电机2不动；电机 2前进后退，电机1不动。 原地旋转：电机1前进，电机2后退；电机 1后退，电机2前进。
本讲目录
1、直流电机简介 2、直流电机驱动芯片L9110及其电路 3、实现一个轮子正反转 4、小车的前进、后退、转弯、旋转 5、小车的调速
1、直流电机简介
直流电机是指能将直流电能转换成机械能的旋转 电机。它能实现直流电能和机械能的转换。 根据直流电动机的工作原理，直流电机的结构由 定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止 不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁 场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电 刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其 主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流 电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢， 由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等 组成。
智能小车原理与设计 视频教程
山东芯腾电子出品 陶老师（博士） 主讲
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2、直流电机驱动芯片L9110及 其电路
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道 推挽式功率放大专用集成电路。该芯片有 两个TTL/CMOS兼容电平的输入，抗干扰 性良好；两个输出端能直接驱动电机的正 反向运动，驱动能力良好，每个通道达到 750-800mA的持续电流，峰值电流可达 1.5-2.0A。还具备低输出饱和压降，钳位 二极管等。广泛应用于玩具汽车，步进电 机驱动和开关功率管等电路上。