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图6.7 无刷电机的组成部分
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首先我用乐高的齿轮和插销做了一个小陀螺，读者也可以用现成的玩具小陀螺。然后我在陀螺转轴上用胶带粘上两块方形的钕铁硼小磁铁，它们的南北极相对。这就构成了无刷电机的转子。要使得转子旋转，就需要一个外加的推动磁场，这个磁场的南北极来回变换，就可以驱动带有磁铁的转子跟随磁场的频率转动。这个交变磁场由一个自己绕制的电磁铁产生（见图6.7中右）。如果给它通过交变的电流则可以产生交变的磁场，要做到这一点可以用简单的芯片来完成，也可以用单片机来做。现在市面上非常流行的一种单片机开发板叫作Arduino，它就相当于一个小小的电脑，可以根据输入的程序来产生不同的输出，它的编程非常简单，价格也不贵，所以本书中将会很多次用到它。关于它的使用方法，读者可以上网搜索一下，即使毫无编程和单片机使用经验的朋友，半天之内也能学会。对于初学者，本章探索与发现一节附上了下面要使用到的程序，以便参考。（你可能注意到了图6.7中还有一个易拉罐的底，它是干什么用的呢？且看后文分解。）
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你可能会问，我们可不可以通过编程让Arduino的两个输出端口交替输出5V和0V，这样就可以在线圈中产生交变的磁场了呢？遗憾的是还没有这么简单。单片机是个精贵的电子芯片，它的作用类似于大脑，比如大脑可以想着要把这块石头举起来，但是真正要举，还得靠大脑指挥力量组织比如手臂去做功。我们要使电磁铁产生磁场，需要输出比较大的功率（数瓦的量级）；而单片机的端口的输出电流最大也只有二三十毫安，5V×20mA=0.1W，远远供不应求。这个时候，我们就需要用单片机来指挥一个“力量组织”完成这个事情。我选择一个非常方便好用的集成电路——L298N直流电机驱动板，大家可以在网上很方便地买到，也不贵。它的作用就像手臂一样，接受来自“大脑”单片机的指令，并对外输出较大的功率。关于L298N驱动板的使用，本文“探索与发现”一节中将有介绍。它的核心是一个所谓H桥电路的芯片，这个H桥电路是一个可以驱动直流电机正反向转动的经典电路，其原理如图6.8所示。
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图6.8 H桥电路示意图
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图6.8就像一个字母H，所以它被叫作H桥电路。图6.8中，如果开关1和开关4闭合，另外两个开关打开，则电机左边连接到电池正电压端，右边连接到电池负电压端。相反，如果开关2和开关3闭合，另外两个开关打开，则电机左边连接到电池的负电压端，右边连接到电池正电压端。这些开关是可以由Arduino的3个控制信号的不同组合来实现的（详情请参考“探索与发现”小节）。这样我们就方便地用一个直流电压源产生了交流的效果。
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有了Arduino，L298N驱动板，加上一个直流可调电源，我们可以把产生交变磁场的装置示意图画出来（见图6.9）。写好程序，通上电，把陀螺攥在手中靠近电磁铁，如果能够感受到震动，那就表明磁场的确在来回变化。那么要产生什么样频率的交变磁场呢？这倒没有很明确的限制。我的实践表明大约30Hz的交变磁场是可以工作的，读者也可以尝试其他的频率。在实验过程中，首先通电，然后手动旋转陀螺，使得它在电磁铁附近旋转，一般手动旋转的频率都远远高于30Hz。渐渐地陀螺转速衰减，当它和磁场变化的频率一致时，它就被“锁频”了，并保持这个频率稳定地一直转下去。
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图6.9 产生交变磁场的电路
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现在是时候揭晓易拉罐的底是干嘛用了，“当当当当”，请看图6.10。原来易拉罐的底提供了一个非常高科技的“势井”，这样旋转的陀螺就被束缚在里面，而不至于在一个平面上随意游走。这样它和电磁铁就能保持不即不离的关系，它能感受到比较恒定的磁场力，也不至于被电磁铁吸附过去。
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图6.10 旋转中的无刷电机
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探索与发现
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因为本书中还有几个制作需要使用到Arduino和L298N驱动板，在本节中我们将介绍一下它们的使用方法，首先我们从Arduino开始。
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Arduino（见图6.11）是一种源自意大利的单片机开发板，它是意大利一位大学教授为了更好地教授电子技术课程而设计的。从硬件上来说，它其实只是给单片机（图6.11中黑色长方形芯片）添加了一些最基本的外围电路，如晶体振荡器、稳压芯片等，所以并不复杂。主要是它有一个免费的编程软件和一套自己的编程语言（类似于C语言），这使得单片机的编程大大地简化了。一般的单片机编程需要了解各种底层的寄存器的作用，每次写程序之前要先给这些寄存器赋值，对于刚入门的人来说的确有些麻烦。而Arduino的编程软件已经处理好了这些问题，使得它非常容易上手，因此它风靡全球，也产生了许多不同种类的Arduino，例如图6.11中就是其系列中的Duemilanove型号。各种型号大同小异，有的只不过是采用的单片机芯片稍有不同，但是编程方式都是一样的。
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图6.11 一块Arduino单片机开发板
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下面就是我们本章中用到的程序。
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void setup( )
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{
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pinMode(8，OUTPUT);
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pinMode(9，OUTPUT);
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pinMode(11，OUTPUT);
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