2.1　直流電機的結構與參數

直流電機可以說是最便宜、最常見的電機種類，它的尺寸種類繁多，有小到能裝到手機里的，也有大到能驅動大客車的。在業余條件下，制作智能小車一般選用有刷直流電機，無刷直流電機雖然效率高、性能好，但是價格貴，控制器制作復雜，一般不會選用。

有刷直流電機的基本結構如圖2.1所示，由定子、轉子以及電刷組成，工作原理也很簡單。小型有刷直流電機的定子一般是由兩塊U形或一塊環形永磁體組成，固定在外殼，并提供磁場，中心是轉子，轉子上有奇數對的線圈繞組，每一繞組與轉子軸上的金屬換向器相連，而金屬換向器又與外殼上的一對電刷相接觸，如圖2.2所示。在電機運轉的某一時刻，只有兩組繞組A、C會通過電刷得電，繞組通電后產生磁場，而這時它會和一塊永磁體排斥，而與另一塊永磁體吸引，繞組便會帶動整個轉子轉動，轉到下一位置，這時換向器讓其中一組繞組失電，而B組這時會得電，也就是說電刷會輪流讓每組繞組得電，使得電機內的磁場力得不到平衡，不停地旋轉。

圖2.1　拆開的有刷直流電機

圖2.2　換向器連接示意圖

有刷直流電機的工作電壓范圍比較寬，通常小型的有刷直流電機，額定工作電壓一般有3V、6V、9V、12V、24V等，工作電壓越大，電機的體積也會越大，也會有同樣體積的電機而有不同工作電壓的型號選擇。電機工作電壓的選定一般會依據所使用的電源電壓去選擇，制作小型的智能小車時，電源使用的只能是電池組，電壓一般在3~12V，主控板使用的電壓通常是5V（也有3.3V），這需要電池組穩壓后得到，所以電池組一般會選擇使用9V或12V，那么選擇電機時最好也選用這些電壓，這樣不需要為電機提供額外的工作電壓。還有更好的辦法，就是單獨為電機提供一組專用的電池作為工作電源，這也是一種避免控制電路受電機影響的常用方法，不過多一組電池也會增加小車的重量，加重電機的負載。

在一定范圍內，直流電機輸入電壓低于或高于額定的工作電壓也是可以正常運轉的，只是輸出轉矩和速度都會有所下降，也就是機械輸出功率和輸入電壓會成正比例關系。一般來說，直流電機的輸入電壓不要低于額定工作電壓的一半，不要高于額定工作電壓的1.2倍。要輸出同樣的功率，12V的電機所需要的電流是24V電機的2倍，這在選擇時也是需要注意的。

在選定直流電機的工作電壓后，還需要選擇電流，電機的供應商一般會給出一個電機的空載電流，這是指電機沒有帶負載空轉工作時的電流，而電機實際工作中還會遇到一個堵轉電流，也就是說電機在遇到障礙不能轉動時產生的電流。這個堵轉電流，電機供應商一般不會給出，如果需要測量，可以在電機空轉時用工具夾住輸出軸，使其堵轉，這時測得的電流就是堵轉電流，要注意堵轉的時間不應過長，以免電機發熱損壞。直流電機帶載工作時的需求電流和連續工作時間，是確定電池容量大小的關鍵，一般會用直流電機堵轉電流的20%~50%來作為工作需求電流計算。

要衡量一只直流電機是否“強勁”，通常可以看它的轉矩參數。轉矩就是距軸心一定半徑距離上所輸出的切向力。轉矩的單位為牛頓·米（N·m）。如果一個電機的輸出轉矩為1N·m，也就相當于在軸心上安裝一個半徑1m的大圓盤，而電機帶著圓盤的邊緣掛著0.1kg重物順利旋轉。小型直流電機在沒有加裝減速裝置時轉矩都比較小，負載力低，除了要制作要求速度的格斗、競速機器小車外，一般不會直接使用沒有減速裝置的直流電機。

國內供應商一般會為了方便愛好者把轉矩單位牛頓·米（N·m）轉化成千克力·厘米（kgf·cm）。9.8N·m=1kgf·m，知道這個公式就可以自由轉化所需要的單位。轉矩是和距離成反比的，距離軸心越遠得到的轉矩就越小，所以這在選取電機或輪子大小時都需要考慮，輪子越大，所得到的切向力越小，負載能力也就越小。

轉速帶來的速度可能是智能小車給人最直觀的印象，它也是直流電機選擇的一項關鍵指標。供應商通常會給出一個以r/min為單位的數據，也就是“轉/每分鐘”，小型直流電機在沒有安裝減速裝置時的最高轉速一般會在5000~20000r/min，使用公式V_r=V_mDπ/60，就可以計算出電機帶動輪子時的速度。V_r為機器人的速度，V_m是電機的轉速，D為輪子直徑，D乘上圓周率則是輪子的周長。我們來計算一下，一個10000轉的直流電機帶動一只直徑4cm的輪子，所能產生的速度是多少——10000×0.04×3.14/60=20.9m/s，也就是說，這時機器人的速度會達到20.9m/s。

這個速度對于一個運行在室內的智能機器小車來說太快了，一般運行在室內的機器小車速度在0.1~0.5m/s，所以在選擇電機和輪子時也可以此為參考。使用降低電壓的方法或使用PWM方式調速都可以讓電機在不附加機械裝置的情況下得以減速，但這些方式都會導致輸出轉矩下降，甚至會讓電機無法帶載。那么，要想在不減少轉矩的情況進行減速，就要使用到機械式的減速裝置，可以使用齒輪、蝸輪、蝸桿、皮帶等組成減速器。一般最常用的是齒輪組減速器。