电机基础知识
本文主要介绍了电机基本工作原理与队里常用电机型号与基本性能。
目录：
一、电机基本工作原理
最基本地，电机是什么呢？电机是一种将电能转换成机械能的执行器。电机的主要优势有：
1.电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。
2.电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；
3.电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。
4.运行可靠、（相对原始驱动转动的机构）价格低廉、结构牢固。
电机原理一：通电的线圈在磁场中受到电磁力的作用，开始转动。
然而，这只是一种使物体转起来的方法。还有其他的方法。
又如，我们知道，通电线圈会产生磁场，这种磁场就会对磁体产生磁力影响，我们就可以想办法让这种电磁去吸引或者排斥其他磁铁，让这些材料转动。
电机最主要就分为两个部分：定子和转子。哪个相对静止哪个就是定子；当然，另一个就是转子。
我们先来看交流电机，所谓交流电机指使用交流电使其转动的电机。主要分为单相电机和三相电机。下图这是一只三相电机。电压图颜色与上图接线头对应，红色和绿色代表N极和S极，颜色深浅代表绕组产生的磁感应强度的大小（即磁性的强弱）。电磁铁的磁场相互叠加产生环形磁场，带动转子转动。
直流有刷电机：正负极接的黑黑的东西就是电刷。转子是线圈，定子是磁极。电源通过碳刷从两个特定的固定位置给一组线圈通电。线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。可以看到在换向时会产生电火花。
再来看一下无刷电机。无刷电机的转子是永磁体，定子是线圈。通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，驱动电机。
电调：电调控制换向。
讲完了直流电机，我们来简单比较一下两种直流电机。
我们先来看它们在调速（就是调节转速）上的区别：
无刷直流采用电子换向，要有数字控制才可以实现；而有刷直流是通过碳刷换向的，利用可控硅等传统模拟电路都可以控制，比较简单。
1、有刷电机调速过程是调整电机供电电源电压的高低。这一过程被称之为变压调速。
2、无刷电机调速过程是马达的供电电源的电压不变，改变电调的控制信号来实现转速的改变。这一过程被称之为变频调速。
这是由两者的结构决定的。
有刷电机的优势：
1、有刷电机结构简单、开发时间久、技术成熟。直流有刷电机机构简单，生产加工容易、维修方便、容易控制、响应快速、有较大的起动转矩和从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。
2、直流有刷电机响应速度快，起动扭矩大，变速平稳。
3、直流有刷电机运行平稳，起、制动效果好。
4、直流有刷电机控制精度高。
5、直流有刷电机使用成本低，维修方便。如果电机故障，只需更换碳刷即可，每个碳刷只需要几元，非常便宜。而无刷电机损坏只能更换。
无刷电机的优势：
1、无电刷、低干扰 。无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。
2、噪音低，运转顺畅。无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持。
3、维护少。少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可。
电机根据有没有反馈可分为有反馈的电机和没有反馈的电机。实现这种控制的方式叫做闭环控制，否则，叫做开环控制。
闭环控制电机主要有以下几种方式：速度闭环、电流闭环、位置闭环和功率闭环。速度闭环就是控制输出的速度在一个固定值，通过调节电流、功率等来达到目的。其他闭环方式和速度闭环相似，只是想要固定的值不同。
电机的选型还是比较复杂的，在选型之前，也要了解很多各式各样的参数。这时候，我们就需要一种很实用的工具——说明书！
先来认识一些基本的物理量：
1.电流：单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流。
2电压：是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。
3.功率：功率是描述做功快慢的物理量，电机的功率指电机两侧电压和电流的乘积。
4.额定功率：指额定电流和额定电压的乘积。额定电压指设备工作时的最佳电压，额定电流同理。超过额定功率（或者额定电压），设备可能出问题。
5.力矩：力矩在物理学里是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。
6.转矩：使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。
7.效率：效率是指有用功率对驱动功率的比值，
电机的一些常用参数：
1.减速比：是指减速机构中瞬时输入速度与输出速度的比值。比如减速比为 19：1，即是说，电机每转19圈，减速箱转1圈。
2.空载转速: 指电机在不带负载的情况下的转速
3.空载电流：电动机不带动任何负载（空转）的电流。
4.额定转速：指在额定功率下电机的转速。即满载时的电机转速,故又叫做满载转速。
5.额定转矩：电动机在额定功率时运转的转矩称额定转矩，也称满载转矩。
6.堵转扭矩：电动机转速随着负载增大到一定程度转速会急剧下降，当轴上负载使电动机转速下降为0时，称堵转，此时负载转矩即为堵转转矩。
7.额定电流、堵转电流同理。
我们关注的电机的参数主要是扭矩、转速、功率
储备公式：基本的电磁公式、力学公式
转矩来源：电磁转矩
在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩（等于力乘转子半径）——电磁转矩。
不从内部机理来考虑，则有：
电机功率：
P=1.732UIcosφ
P=FV=TV/R
V=2πRn/60=πRn/30
P=πRTn/30R=πTn/30
T：扭矩（N·m） V：线速度 n:转速（r/min）
P=πTn/30中P的单位是W，若以kW为单位，并且π取近似，有：
P=9550Tn，T=9550P/n
由公式T=9550P/n可以看出，在功率恒定的情况下，电机的扭矩和转速成反比，因此，为了提高扭矩，就需要降低电机的转速，机械上提供这种减速的部件叫做减速箱。减速箱是可以单独购买配套使用的，有很多电机也是自带可以拆卸或者在内部而难以拆卸的减速箱的，自带减速箱的电机通常叫做减速电机。
当然，一般不会自己拿来算，电机选型主要借助说明书中的电机负载特性曲线我们可以根据这个曲线更科学地指导电机调试和机械设计等，下面，简单看一些这种曲线吧（以3508为例）
简单的电机控制方式：PWM（其他还有CAN等控制方式，这里暂时不讲）
电机如何选型？
电机选型是一个非常繁琐的工作，即使仅仅使用大疆推荐的电机，也要熟悉很多参数。而且，说明书上很多数据和图表也是电脑模拟得出，还需要实际测试。
我们选择电机可以考虑以下几个方面：
1.考虑功用和需求。即我们在用这个电机时，我需要大概多少的转速，需要输出多大的力，是否需要反馈以及电机自身稳定性等，还要考虑电机配套的的电调是否好用等
2.考虑外形。我们要衡量这个电机到底能不能装、好不好装，装上会不会太占空间等。
3.考虑价格和购买渠道。我们要不要用大疆的，还是淘宝找或者自己做？
参考：本次设计报告结构设计——电机选型部分（见文档最后的附件部分）
电机控制逻辑如下图所示
二、补充知识
2.1、交流电机
我们用交流电机较少。这里简单提一下，交流电机可以分为同步电机和异步电机。异步电机，又称感应电机 是指一种定、转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的电机。同步电机和异步电机最大的区别在于：同步电机转速与电磁转速同步，而异步电动机的转速则低于电磁转速，同步电机不论负载大小，只要不失步，转速就不会变化，异步电动机的转速时刻跟随负载大小的变化而变化。但这种异步并不是特别明显。和直觉一样，一般同步电机比较贵。
这些系列的种类很多，对比了它们的datasheet，发现那些系列中各自器件的区别是光照裕度不同（如IS481和IS486），或者只是逻辑相反（如IS486和IS485），我们只用作检测有无，故在选型的时候倒是不需要考虑太多。
2.2、其他类型电机
空心杯电机：
空心杯电机一般指直流永磁的一种电机。这种电机的主要特点是：
采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。
简单来说，就是把铁芯给抽走。
空心杯电机彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时，其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。
这种小型无人机上使用了空心杯电机。
轮毂电机：
什么是轮毂？轮毂是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件。又叫轮圈、钢圈、轱辘、胎铃。轮毂根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。 没错，我们随便找个普通轮子大致就能找到轮毂。样图：
轮毂电机：
简单来讲，轮毂电机就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内的一种电机。这种电机的高集成，使轮毂电机被成为新能源电动车轮胎方案的终极解决办法。轮毂电机省去了各种配件，安装方便。
2.3、电机调速分类
有级调速：只能在几个确定的速度梯度进行调速。有级调速的调速方法一般分为：变极调速和变压调速两种。变极调速是通过外部的开关切换改变电机绕组的串并联关系实现的。
无级调速：可以线性调速。电动机的无级调速一般的调速方式有：变频调速，变压调速，电磁调速和机械调速（后两种不常用）4种。
2.4、队里常用电机
下面介绍一下队内常用的一些电机，主要是大疆的一些产品。当然，不止大疆的电机。
常用电机（此图版本可能有些老，不包含一些较新的电机）
M3510直流无刷减速电机（带反馈）：高效率、高稳定性的底盘电机。
RM35直流有刷减速电机（带反馈）：常作为底盘电机，也常用作升降用电机，一般不配合电调，而是蓝盒子（直流伺服电机驱动器）或者驱动板。扭矩很大。
RM3508直流无刷减速电机（带反馈）：加上减速箱后，长得和3510很像，普遍承认性能好。
2312直流无刷直驱电机（不带反馈）：无反馈值，便宜。以前常用作摩擦轮电机，分左右，用好盈40A电调。
GM3510直流无刷直驱电机（带反馈）：（不带减速箱的电机相应地称为直驱电机）2018robomaster比赛中常作为空中机器人的云台电机使用。（自带电调）。
2310直流无刷减速电机（带反馈）：体积小的底盘电机。常用作拨弹（也可用C610电调）。
2006直流无刷减速电机（带反馈）：主要用作拨弹电机，可以拨大弹丸（也可用C610电调）。
驰海电机GM25（直流无刷减速电机，带反馈）：一种接错线就会烧掉的电机，也是主要用作拨弹。
其他的变种，例如涵道电机（这一款是直流无刷直驱电机）（不带反馈）。
以下摘抄并修改自本次技术报告。
移动弹仓由电机直接驱动，因此需要选择转矩足够大的电机，本结构中选择了RM3510电机。已知移动弹仓一次从工程机器人获取40颗弹药，移动弹仓长度约为L=298mm：
移动弹仓与40个大弹丸总重量约为m=2.38KG（移动弹仓净重0.74KG，49颗大弹丸约重1.64KG），则电机负载为（假设质量分布均匀的情况）：
电机所用减速箱传动比为19：1（相当于减速箱会把原来的扭矩放大到19倍），则电机需要提供的扭矩为：
参考3510在电压为24V时的转速、电流、输出、效率参数曲线图可知：输出功率为峰值附近时，可取到所需扭矩，故最后选择RM3510电机。
补充，我们看图，可以继续计算一些物理量：
当转矩为0.18N·m时，可以大致看出此时的转速约为1400RPM，功率约为250W（这样的数据在选择底盘电机时可以考虑）
堵转扭矩的应用：
堵转扭矩主要可以用来计算启动时电流来优化电路的（例如是否需要增加继电器），在电机启动的瞬间，电机可以看做是静止的，这时候使用的数据实际上是堵转的数据，这时候使用的电流是堵转电流，堵转电流一般很大。
