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第一部分 概述3

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

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KT28

3.1.2 转速、电压和KV29

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SGLG135

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 ArduinoMega简介148

9.1.1 ArduinoMega电路板148

9.1.2 微控制器和ATmega2560149

9.2 ArduinoMega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

10.2 在树莓派上编程176

10.2.1 Raspbian操作系统177

10.2.2 Python和IDLE178

10.2.3 GPIO接口179

10.3 控制伺服电动机184

10.3.1 配置PWM184

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 Black198

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BLCD235

12.6.1 一般BLDC控制235

12.6.2 通过Arduino接口BLDC237

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ModelS268

14.2.2 日产聆风（Leaf）269

14.2.3 宝马i3271

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