2.4 执行器—电机

第 10 课 执行器—电机

什么是执行器
机器人作为一个完整第自动化控制系统，重要的组成部分之一就是执行器。执行器是接受控制器发来的控制信号并对受控对象施加控制运行作用对装置，是执行实际动作对部件，相当于人类对四肢。

执行器如何工作
执行器工作，需要给它输入控制信号和动力。当执行器收到了控制器发来的控制信号，在有足够的动力源的情况下，它就会把能源转化成其他形式的能量。

什么是电机
电机（俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。
电机，作为执行器中的驱动设备，负责把电能转换成机机械能。在电机通电之后，利用通电导体在磁场中
受力的作用原理，运动的部分是转子，不动的部分是定子。

直流有剧电机是结构最简单也最常用的电机，结构上可以分为主要由硅钢片叠成的铁芯和线圈构成的转子，由固定的两块N极和S极构成的定子，由两块弧形铜片构成、与线圈相连的换向片，以及石墨制成、固定在电机外壳上、紧贴着换向片并连接电源的电刷。需要注意换向片和线圈中的电流流向，如果学生有相应基础，可以结合安培右手螺旋定则进行讲解。
导线在磁场中受力，而电机在旋转的过程中，每当旋转90°后，换向器会改变电流在线圈内的方向。常见的（外转子）直流无刷电机中转子则是外壳和磁铁，定子则是中间的通电螺线圈，与直流有刷电机相反。

电机种类
1.按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。
●直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。
2.按结构和工作原理可划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
●同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
●异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。
3.按用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机。
从功能上看，有的电动机的作用是向系统输出动力，而有的电动机的作用是作为控制系统使用的。把系统比喻成一架飞机，输出动力的电动机就像发动机，没有发动机提供动力飞机就飞不起来，而控制类电动机就像飞机的方向舵，没有它我们就不能精准地控制方向。
从这个角度看，小马达、空心杯电机、TT马达、震动马达、减速电机都属于动力类电动机，而舵机、伺服电机、步进电机则属于控制类电动机。

动力类电动机
作为动力的电机也是创客教育的常客，根据电源类型不同，我们可以把电动机分为直流电机和交流电机，创客教育是直流电的天下，这里我们默认谈的都是直流电机。前文说到的小马达、空心杯电机、TT马达、震动马达、减速电机主要是作为动力输出的电机。但它们的应用范围却不尽相同，我们先从最常见的小马达说起。

1. 小马达

小马达是一种小型的有刷直流电机，它结构简单、价格便宜（相对无刷电机而言），是电子创客教育的入门级选择。小马达的工作电压为1.5〜9 V，电压越高，转速也会越快。
采购小马达时，我们要关心其尺寸、转速是否符合我们的制作要求。我们会看到小马达有130马达、140马达、180马达等型号，型号数字指代的是机座号，即从小马达的中心轴到底座的距离，130马达即底座到中心轴的高度为13 mm，以此类推。机座号对我们电动机的安装位置有重要的参考意义。除了机座号外，小马达的长度、宽度、直径、轴长、轴径等数据也很重要，一般购物网站都
会把数据标注清楚。

另一个重要的参考数据是转速，以130马达为例，1.5 V下的空载转速是每分钟13 000〜14 000转，电压越高转动越快。但实际上，我们增加负载时会降低它的转速。在实际操作中，创客教育作品会为小马达增加负载以降低转速，但如果增加负载后转速还是太高，我们需要变速箱降低它的转速。通常变速箱会使用多级齿轮变速的方式，让电动机达到我们想要的输出转速。

1. 减速电机和TT马达

有的电动机会将减速箱与电机封装在一起，这就是减速电机。有的减速电机还会通过空间齿轮机构改变轴的输出方向，这就是TT马达。减速电机和TT马达常用于机器人或车辆的制作中，它能将高速转动的电机减速到每分钟140转左右，方便制作者对机器人或小车的操控。

1. 空心杯电机

如果进行的是与航模相关的创客制作，我们还会用到空心杯电机。空心杯电机的形状就像一个保温杯，“保温杯”的内壁上排布着密密麻麻的线圈，“杯子”中间是1个用磁铁制成的转子，线圈通电时，转子就会快速旋转。空心杯电机体积小、质量轻，可达每分钟50 000转以上，但功率不高，用于遥控飞机的螺旋桨很合适，但如果用在船模上，就显得力不从心了。

1. 震动马达

在空心杯电机的轴上装上1个偏心质量块，就成为震动空心杯，也叫震动马达。震动马达是电动机的一种特殊应用，由于偏心质量块的重心不在轴上，当电动机高速旋转时，质量块的重心也在快速移动，产生震动的效果。很多老款手机的震动功能就是通过内置这种偏心转子震动马达实现的，而近年来很多手机已经将偏心转子震动马达换成了线性震动马达，手感体验更好。

控制类电动机

1. 伺服电机

所谓伺服电机，“伺”是指等待，“服”是指运作，当没有信号输入的时候，伺服电机处于待机状态，当接收到信号时，伺服电机开始精准地运转，信号停止时能及时停下。伺服电机的特点在于它能够精准地控制转动的速度、方向和位置，我们能用它更好地控制电子创客作品的姿态。

1. 舵机
   就是一类小型的伺服电机的俗称，在航模制作中，它常被用于方向舵的控制上，所以习惯称为舵机，在电子创客作品中，舵机以其小型、易操作、控制精准的特点，成为创客教育最常用的伺服电机。舵机可以连续地转动，也可以选择转动一定角度后停下来，这个性质让舵机能够胜任飞行姿态控制系统的工作。

1. 步进电机

步进电机也是一种控制类电动机。从结构上看，步进电机的转子和定子上都有类似齿轮的楔子，这意味着步进电机只能以固定的角度转动。每一步转动的角度叫做步距角。步距角越小，转动的分辨率越高。步进电机采用脉冲信号控制，它可以正确地追随脉冲信号转动。因此，步进电机的速度和位置控制精度比较高。

编码电机
就是电机后面带有编码器的，编码器的作用就是可以控制电机的圈数，达到精准控制，比如转0.几圈就是多少角度，多少圈就是多少距离(跟周长有关)