创客指南 玩转电动机
作者： （美）斯卡尔皮诺（Matthew Scarpino）
出版时间：2017年版
内容简介
技术的进步、社会的发展，推动了科技创新模式的嬗变，也推动了创客的不断发展，而电动机的制作和使用成为创客必备的技能之一。本书是一本关于步进电动机、伺服电动机以及其他电动机的使用指南。全书分为4 部分共14 章。第1 部分是概述，主要介绍了电动机是什么以及电动机是如何工作的。第2 部分是探索电动机，介绍了许多创客常用的电动机，重点是交流电动机、步进电动机和伺服电动机。第3 部分是电动机实战，主要介绍了如何实际应用电动机。第4 部分是附录，补充了一些电动机的相关信息。本书适合创客一族、电动机爱好者、硬件爱好者及动手能力较强的读者阅读参考。
目录
第一部分 概述
1 电动机入门 3
1．1 历史简介 4
1．1．1 奥斯特的罗盘指针 4
1．1．2 耶德利克的自转转子 4
1．2 剖析电动机 5
1．2．1 外部构造 5
1．2．2 内部构造 6
1．3 电动机概述 7
1．3．1 直流电动机 8
1．3．2 交流电动机 8
1．4 目标和结构 9
1．5 小结 9
2 基本概念 11
2．1 转矩和角速度 11
2．1．1 力 12
2．1．2 转矩 12
2．1．3 角速度 14
2．1．4 转矩转速曲线 15
2．2 磁铁 15
2．3 等效电路 18
2．3．1 电损耗 18
目录
Chapter
1
2
2．3．2 反向电动势 19
2．4 功率和效率 20
2．4．1 功 20
2．4．2 旋转功率 20
2．4．3 电功率 21
2．4．4 效率 21
2．5 小结 22
第二部分 探索电动机 25
3 直流电动机 27
3．1 直流电动机基础 27
3．1．1 转矩、电流和KT 28
3．1．2 转速、电压和KV 29
3．1．3 KT 和Kv 的权衡 30
3．1．4 开关电路 31
3．1．5 脉冲宽度调制（PWM，Pulse
Width Modulation） 33
3．2 有刷电动机 34
3．2．1 机械换向 35
3．2．2 有刷电动机的种类 36
3．2．3 优点和缺点 38
3．2．4 控制电路 38
3．3 无刷电动机 41
3．3．1 无刷直流电动机的构造 41
3．3．2 内转子和外转子电动机 43
3．3．3 无刷直流电动机的控制 45
3．4 电子调速器 48
3．4．1 免电池电路 50
3．4．2 可编程性 50
3．5 电池 51
3．6 小结 52
4 步进电动机 53
4．1 永磁式（PM）步进电动机 54
4．1．1 结构 54
4．1．2 运行 56
4．2 反应式（VR）步进电动机 57
4．2．1 结构 58
4．2．2 运行 58
4．3 混合式（HY）步进电动机 60
4．3．1 结构 60
4．3．2 运行 62
4．4 步进电动机控制 62
4．4．1 双极步进电动机控制 62
4．4．2 单极步进电动机控制 64
4．4．3 驱动模式 66
4．5 小结 70
5 伺服电动机 73
5．1 业余爱好者伺服 74
5．1．1 脉冲宽度调制（PWM）控制 75
5．1．2 模拟和数字伺服 76
5．1．3 旋转编码器 77
5．2 伺服控制概述 78
5．2．1 开环和闭环系统 79
5．2．2 伺服电动机建模 80
5．2．3 拉普拉斯变换 81
5．2．4 框图和传递函数 83
5．2．5 伺服电动机的传递函数 84
5．3 PID 控制 85
5．4 小结 87
6 交流电动机 89
6．1 交流电源（AC） 89
6．1．1 单相电源 90
6．1．2 三相电源 90
6．2 多相电动机概述 91
6．2．1 定子 91
6．2．2 旋转磁场 92
6．2．3 同步速度 94
6．2．4 功率因数 94
6．3 异步多相电动机 96
6．3．1 电磁感应 96
6．3．2 电流和转矩 97
6．3．3 鼠笼式转子 98
6．3．4 绕线转子 98
6．4 多相同步电动机 101
6．4．1 双励磁同步电动机 101
6．4．2 永磁式同步电动机 102
6．4．3 磁阻式同步电动机 102
6．5 单相电动机 103
6．5．1 分相电动机 104
6．5．2 电容启动电动机 104
6．5．3 罩极电动机 105
6．6 交流电动机控制 106
6．6．1 涡流驱动器 106
6．6．2 变频驱动器 107
6．6．3 VFD 谐波失真 108
6．7 通用电动机 109
6．8 小结 110
7 齿轮和减速电动机 113
7．1 齿轮概述 113
7．1．1 功率传输 114
7．1．2 齿距 115
7．1．3 侧隙 117
7．2 齿轮类型 117
7．2．1 正齿轮 117
7．2．2 斜齿轮 118
7．2．3 锥齿轮 120
7．2．4 齿条和小齿轮（pinion） 121
7．2．5 涡轮 121
7．2．6 行星齿轮系 122
7．3 减速电动机 123
7．4 小结 124
8 直线电动机 127
8．1 线性执行器 128
8．1．1 运行和结构 129
8．1．2 线性执行器的例子 130
8．1．3 线圈炮 131
8．2 直线同步电动机 131
8．2．1 结构 131
8．2．2 案例研究：安川的SGLG 135
8．2．3 案例研究：磁悬浮列车系统 136
8．3 直线感应电动机 137
8．3．1 结构和运行 137
8．3．2 LINIMO 列车线路（东部
丘陵线） 138
8．4 单极电动机 140
8．4．1 结构和运行 140
8．4．2 轨道炮 141
8．5 小结 143
第三部分 电动机实战 145
9 使用Arduino Mega 控制电动机 147
9．1 Arduino Mega 简介 148
9．1．1 Arduino Mega 电路板 148
9．1．2 微控制器和ATmega2560 149
9．2 Arduino Mega 编程 151
9．2．1 准备Arduino 环境 152
9．2．2 使用环境 154
9．2．3 Arduino 编程 155
9．3 Arduino 电动机接口板 160
9．3．1 电压 161
9．3．2 L298P 双H 桥连接 162
9．3．3 控制有刷电动机 163
9．4 步进电动机控制 164
9．4．1 Stepper 库 165
9．4．2 控制步进电动机 167
9．5 伺服电动机控制 169
9．5．1 Servo 库 169
9．5．2 控制伺服电动机 170
9．6 小结 172
10 使用树莓派控制电动机 173
10．1 树莓派 174
10．1．1 树莓派电路板 174
10．1．2 BCM2835 片上
系统 175
目录
Chapter
1
4
10．2 在树莓派上编程 176
10．2．1 Raspbian 操作系统 177
10．2．2 Python 和IDLE 178
10．2．3 GPIO 接口 179
10．3 控制伺服电动机 184
10．3．1 配置PWM 184
10．3．2 控制伺服电动机 187
10．4 RaspiRobot 主板 189
10．4．1 L293DD 四通道半H 电动机
驱动器 190
10．4．2 RaspiRobot 的Python
代码 191
10．4．3 控制有刷直流电动机 192
10．4．4 控制步进电动机 193
10．5 小结 195
11 使用BeagleBone Black 控制
电动机 197
11．1 BeagleBone Black 198
11．1．1 BBB 电路板 198
11．1．2 AM3359 片上系统 199
11．2 BBB 编程 200
11．2．1 Debian 操作系统 201
11．2．2 Adafruit-BBIO 模块 202
11．2．3 访问GPIO 引脚 203
11．3 生成PWM 信号 207
11．4 双电动机控制器扩展板 210
11．4．1 BBB-DMCC 通信 211
11．4．2 PWM 信号发生器 212
11．4．3 开关电路 212
11．4．4 电动机控制 213
11．5 小结 215
12 设计一个基于Arduino 的电子
调速器 217
12．1 电子调速器设计概述 217
12．2 开关电路 220
12．2．1 MOSFET 管 221
12．2．2 MOSFET 管驱动器 223
12．2．3 自举电容 225
12．3 过零检测 226
12．3．1 第一步：3 个绕组相对于UP 的
电压 228
12．3．2 第二步：两个通电绕组相对于
UO 的电压 229
12．3．3 第三步：悬空绕组相对于UO
的电压和悬空反向电动势 229
12．3．4 第四步：合并结果计算悬空反
向电动势 230
12．4 设计原理图 230
12．4．1 排母连接器 231
12．4．2 MOSFET 管和MOSFET
管驱动器 232
12．4．3 过零检测 233
12．5 电路板布局 234
12．6 控制BLCD 235
12．6．1 一般BLDC 控制 235
12．6．2 通过Arduino 接口BLDC 237
12．7 小结 241
13 设计一架四轴飞行器 243
13．1 框架 244
13．2 螺旋桨 245
13．2．1 螺旋桨动力学 245
13．2．2 选择螺旋桨 248
13．3 电动机 250
13．4 电气性能 251
13．4．1 发射机/ 接收机 252
13．4．2 飞行控制器 255
13．4．3 电子调速器（ESC） 257
13．4．4 电池 258
13．5 结构 260
13．6 小结 261
14 电动汽车 263
14．1 电动汽车转换 263
14．1．1 电动机 264
14．1．2 控制器 266
14．1．3 电池 266
14．1．4 变速器 267
14．2 现代的电动汽车 267
14．2．1 特斯拉汽车公司的Model S 268
14．2．2 日产聆风（Leaf） 269
14．2．3 宝马i3 271
14．3 源自特斯拉汽车公司的专利 272
14．3．1 可变控制电动机管理 272
14．3．2 感应电动机冲片设计 273
14．3．3 双电动机驱动和控制系统 275
14．3．4 高效制造转子的方法 277
14．4 小结 277
第四部分 附录 279
附录A 发电机 281
A．1 概述 281
A．2 直流发电机 282
A．3 交流发电机 284
A．3．1 交流发电机的运行 284
A．3．2 磁力发电机和自激发
电机 285
A．4 小结 287
附录B 术语表 289