用Arduino作为控制设备让各种作品动起来吧! 第1篇:用Arduino控制曲别针电动机

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从本文开始,我们将推出一个新计划,即通过使用了Arduino的简单制作来学习电子制作的原理和基础知识。此次为我们分享的嘉宾是伊藤尚未先生,他活跃于媒体艺术领域,并且在书籍领域以讲解“更深层次的原理”而闻名。在第1篇中,我们希望用Arduino来控制令人怀念的“曲别针电动机”。

 

目录

  1. 前言
  2. 什么是曲别针电动机?
  3. 曲别针电动机的原理及其制作方法
  4. 用Arduino控制曲别针电动机

 

1. 前言

大家好!我是伊藤尚未。

近年来,各种微控制器技术不断发展,面向业余电子制作而开发的商业化产品,使得电子制作变得更加容易和方便。但是,与此同时,也会带来一些烦恼,“使用什么能做什么呢?”“我想做这样的作品,选什么部件才合适呢?”“哪一个产品才能满足这个需求呢?”等等,实际试用一下,有些出乎意料地好用,有些却相反,缺少必要的功能等等,这些情况都不少。

不管怎样,可能实际试用一下才是了解相应产品的最佳方式。设备也和人一样,有它自己的特点,只有了解这些特点,才能更好地使用、应用和利用。可能这篇文章的读者中,很多已经在实践中知道了这些道理,我在这里属于班门弄斧了……

进入正题,在这个连载系列中,我想探讨一下在我的艺术作品中经常用到的Arduino的各种应用。虽说如此,基本不会涉及到特殊的编程,或与复杂的传感器和系统进行组合等操作,而是尝试用Arduino来替换一些常见小制作中的部分功能。

特别是在很受孩子们欢迎的理科实验中,我会选取一些涉及到电和电路的众所周知的小制作来尝试。

首先,我想以结构非常简单却能转起来的曲别针电动机为“实验台”,从各种角度进行实验。

 

2. 什么是曲别针电动机?

您知道“曲别针电动机”吗?可能有人在小学、实验教室、科学馆等举办的活动中做过这种电机。不知道这个名称是不是正式的叫法,但由于我不是很了解它的其他名称,在这里暂且就叫它“曲别针电动机”吧。或许这个名字的由来是因为它的轴承部分使用了文具中的曲别针。可能是在电子制作时多使用容易入手的东西,在使用过程中这种叫法就自然而然地形成了。

顺便提一下,这种电机在电磁实验和电子制作中是很有名的。如果说起“弗莱明左手定则”,您可能会想起来,“哦,是的,原来是那个啊”。将漆包线缠绕成圆圈,将曲别针用作电极,用曲别针将线圈架在磁铁上方并使之旋转,这是一个很基础的电机实验。

在玩具、迷你四驱车和模型等中使用的直流电机领域,万宝至(Mabuchi Motor)公司生产的电机很有名,应该有很多读者都接触过这种电机。将电机拆解开之后,可以看到轴上有三个绕组,通过用电刷改变电极来使其旋转。也可以说,之所以电机可以顺畅地开始旋转并控制旋转方向,是因为有三个绕组。

arduino-control-clipmotor-01_01

 

而曲别针电动机可以说是单极电机,所以从静止状态到旋转状态是相当难的。

 

3. 曲别针电动机的原理及其制作方法

虽说是“曲别针电动机”,但其原理非常简单,它是通过给由漆包线缠绕而成的线圈通电产生磁场,并受到放置在附近的磁铁的磁场影响而旋转。实际上,它长这样:

arduino-control-clipmotor-01_02

 

同时,我想为大家介绍一下如何制作原创曲别针电动机。

arduino-control-clipmotor-01_03

 

所需的材料并不多,其中包括:在家装用品店买的0.4㎜的漆包线,在百元店买的曲别针、电池和电池扣、连接用的鳄鱼夹线和合适的硬纸板。用一节干电池,将漆包线绕干电池10圈左右,做成线圈。

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这个时候,如果不用手指用力压住,就会散开,比较考验人的耐心,没有耐心的人通常走到这步就开始嫌麻烦了,甚至有人会放弃。

现在,我们用多余漆包线向左右延长作为引出线。这时,需要将引出线在线圈上绕两圈,以防止线圈散开。

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将其横向拉直,使其成为旋转轴,将其中一侧的漆包线皮膜完全剥掉,将另一半剥掉半圈。这个时候可以使用砂纸之类的工具,不过我是用美工刀顺着漆包线刮的方法。

arduino-control-clipmotor-01_06

 

这个轴的部分是要通电的部分。这部分的制作方法因作品需求而异。如果剥掉半圈很难的话,还有一种方法,就是将引出线一半长度的皮膜全部剥掉,然后将其折回并捻在一起。

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将曲别针弯曲成这个样子,然后用透明胶带等将其固定在硬纸板上。将刚才做好的线圈架在它上面,并用鳄鱼夹线连接每个曲别针。

根据弗莱明左手定则,当电流通过磁场中的导线时,导线会受到力的作用,例如,如图所示,当线圈垂直时,电流从面前向后流动时,磁场可以绕导线顺时针旋转。如果设置在底部的磁铁上方为N极、下方为S极,则该导线会受到向右的力。

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如果是用前述的轴旋转的线圈,将会逆时针旋转。当它以这种旋转动力转半圈时,磁铁的上方会有反向电流,所以如果这样继续下去,就会受到相反的力并停止旋转,因此此时需要让电流流动停止。也就是说,需要让电刷部分不要接触,这就是漆包线用皮膜绝缘的原因。之所以剥掉一半皮膜,也是为了留下这种绝缘部分。

 

4. 用Arduino控制曲别针电动机

那么,也就是说,如果可以在两侧的轴部分(电刷部分)不设绝缘部分的情况下控制电流就好了,我想到了是否可以用Arduino来实现。其实没有必要特意用微控制器制作只是小学生级别的实验作品……是不是有点胡闹的感觉(笑)?

我想,这个实验的结构其实很简单,只是通过线圈的旋转来控制轴部触点切换,与直流电机的电刷相同,所以只要能控制电流和脉冲输出就可以了。

但是,Arduino的输出对电流值是有限制的。虽说是线圈,也有10圈左右,它实际上可能接近短路,所以可以想象,即使是脉冲电流也会流过相当多的电流。

我暂且设计了一个用晶体管切换Arduino输出的电路。我选择的是“2SC2655”,以尽可能地支持大电流。这样,只要发出脉冲,线圈中就会有断续电流流过,应该会起到电刷的作用,使线圈旋转起来。所以我尝试画了一个电路:

arduino-control-clipmotor-01_09

 

这样,只需定期输出脉冲信号即可。在面包板上组装时应该是这样的吧。

arduino-control-clipmotor-01_10

 

不管怎样,要开始一件事,首先最重要的是动力!当然,这也会受线圈的初始位置影响,比如当处于与磁铁分离的水平状态时,就很难转动起来。

因此,我会用手指给它一点动力让它转起来。如果是标准的曲别针电动机,电刷的位置是由漆包线皮膜被剥落的位置决定的,因此只要旋转角度满足良好接触的时间点,就会继续旋转。如果是Arduino曲别针电动机,则电流始终是通过脉冲送过来的,所以只要这个时间点合适,它应该会持续旋转。

基于以上原理,当我用手指给它动力时,它就会开始旋转。

草图代码如下。只需从示例中引用并稍作修改即可。

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); 
  delay(100); 
  digitalWrite(13, LOW); 
  delay(100); 
}

 

在这里是通电0.1秒、停动0.1秒的形式。我认为每个物理运动的物体都有其各自的共振频率,或者说正好的时间点,这个时间点可能会根据线圈的大小等条件而改变,但不管怎样,这个电机以顺利转起来了。如果它能以这个值旋转,则意味着它每秒旋转5次。

可实际上,有时它并不愿意转。

 

哎呀,可能是因为如果旋转慢到一定程度,可能会在转到半圈时脉冲来了,受到了反向的力!

那么,怎么解决呢?现在的状态,旋转机制与标准曲别针电动机相同,只是用脉冲代替了电刷而已。

嗯?是的。

它每转一圈,就会有电流流过,并反复被磁力吸引或排斥,不是吗?但是,由于线圈是反向旋转的,并且对面的导线会接近磁铁,因此如果在这个时间点也通电,会不会让效率更高呢?可是如果直接通电,电流将会反向流动,从而导致旋转停止。

那么,每转半圈让电流反向流过是不是就可以了?所以,我设计了一个可以通过晶体管实现这种反向电流的电路。

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面包板接线图如下:

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我使用了来自Arduino的两个信号,并通过程序交替切换这两个信号。草图代码如下:

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH); 
  delay(50); 
  digitalWrite(13, LOW); 
  delay(50); 
  digitalWrite(12, HIGH); 
  delay(50); 
  digitalWrite(12, LOW); 
  delay(50); 
}

 

我使用引脚13和引脚12,使线圈每0.1秒流过反向电流。从理论上讲,为旋转运动供应能量,这是一种没有浪费的做法,实际运转一下,看起来旋转还是蛮顺畅的。

 

由于能量供应增加了一倍,所以我认为如果用来驱动什么或用在需要转矩的情况下,这种电路应该也会很有帮助。不过我们这次只是通过实验来确认旋转情况的曲别针电动机,所以可能没必要做到那种程度吧(笑)。

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在做这类实验的时候,我很容易沉迷于相关的更深层次的思考,我还想到了一个方法,就是用传感器检测线圈的旋转角度,并用与之相称的信号来使电机旋转。如果我们继续认真追究下去,就会发现各种研究课题,比如磁铁的数量和位置、检测轴旋转角度的方法、如何提高线圈的效率等等。这次我们暂且就到这里。

在下一篇文章中,将为大家介绍用Arduino作为控制设备让各种作品动起来系列的另一个实验,敬请期待!

 

 

本系列连载一览

第1篇:用Arduino控制曲别针电动机(本章)
第2篇:非接触式开关的制作与控制
第3篇:自制电磁执行器的制作方法
第4篇:享受控制RGB LED灯的乐趣
第5篇:用Arduino控制伺服电机来演奏乐器!

伊藤 尚未
伊藤 尚未

日本电子制作普及推进委员会代表、媒体艺术家。作为科普作家、假扮动物园管理员的电工、理科实验课堂讲师、工作坊讲师、教材开发人员等,积极参与各种活动。 在月刊《儿童科学(诚文堂新光社)》连载电子制作项目长达19年,代表著书有《电子制作大图鉴》、《电子制作完美指南》。

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