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摘 要：针对电子实训课程中项目单一情况,设计了一套可用4种方法实现的,光机电一体的直流电机调速控制实训项目,项目设计主要包括单片机、功率驱动、转速测量、LED显示保护电路及传动机构6部分,每部分均可用多种方案实现,在教学实践中激发了学生的兴趣和激情,切实提高了学生的工程设计能力和解决工程问题的能力,起到了四两拨千斤的效果.

关 键 词：工程实训；光机电一体化；电机调速

中图分类号：TH-39文献标识码:A

引言

工程训练课程是高等教育的一个重要环节,在培养学生的工程实践能力、专业综合能力和创新能力等方面有着其它课程不可代替的作用.但实训内容较为单一刻板存在着照本宣科,依葫芦画瓢的现象,多数情况下学生只是跟着教学进度进行练习而已,学生个人的想象力和直觉思维没有开发出来,不善于质疑、批判并超越教师和书本.为主动适应当代社会对人才的需求,主动衔接“卓越工程师教育培养计划”,本文通过多年教学实践,试图从电子工程实训项目的内容出发,设计了一种集光、机、电技术于一体的直流电机调速控制实训项目.项目内容丰富,合理并具有层次性,注重经典与先进性相结合,有较好的灵活性和拓展性,为培养学生的工程意识和工程综合能力提供了一个行之有效的载体.

1项目的基本工作原理与设计

1.1PWM直流调速原理

我们知道直流电动机转速n可表示如下：

n等于(U-IR)/kφ（1）

式（1）中U为电枢端电压,I为电枢电流,R为电枢电路总电阻,φ为每级磁通量,k为电动机结构参数.

从式中可知,改变U、φ、R等变量都可达到电机调速的目的,但最方便有效的调速方法是对电枢电压U进行控制.本文采用经典的脉宽调制PWM直流控制技术,利用晶体管的开关特性对电压进行调制,按一个固定的周期来接通与断开功率晶体管,并根据外加控制信号来改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短,使加在电动机电枢的电压占空比改变,即改变电枢两端平均电压大小,从而达到控制PWM信号.

在实训过程中,产生PWM信号有4种方法可供学生选择：

a、分立元件组成的PWM信号发生器.成本低、原理清晰,但电路复杂、调试难度大.

b、采用专用PWM集成电路,电路简单、性能好,但成本较高.

c、软件模拟法,利用8051单片机的I/O口,通过软件对该引脚输出高低电平来实现PWM波.这种方法需占用CPU的大量资源,编程复杂,使得单片机的工作效率大为降低.

d、利用新一代单片机自带的PWM口,通过控制单片机的初始化设置,使其自动产生占空比可变的PWM,只有在改变脉冲宽度时,CPU才进行干预,该方法控制直流电动机转速简单、可靠.

2.2项目的整体结构与设计

我们以自带PWM口的P87LPC768单片机为核心部件进行阐述,光机电一体化直流电动机调速控制实训项目的整体结构如图1所示.

(1)单片机

选用P87LPC768,由于单片机只有20个引脚,既要控制电机的速度,又要显示转速,还要连接四个按钮开关.I/O口线比较紧张,因此采用了片内振荡和内部复位,使其对应的3个引脚可作为I/O口线使用.单片机的PWM0(P0.1)口作为PWM输出口.

本实训项目主要采用P87LPC768的一路PWM输出,PWM输出主要由一个10位的输出频率相关寄存器CNSW及一个10位的脉冲宽度寄存器CPSW组成.根据需要设置CNSW的值,可得到PWM的输出频率：

fPWM等于fc/(CNSW+1)（2）

设置CPSW的值,可得到PWM的脉冲宽度.对运行的电机而言,各种不同的CPSW值就是各种不等的电压.

(2)转速检测电路

采用光电传感器测速电路.即在电机的转轴上加装一个圆盘,沿圆盘周边均匀开一圈小孔,再通过对射型光电传感器.当电机带动圆盘转动时,对射型光电传感器上的发射单元发射的光线通过圆盘上的透光孔,交替地照射到接收单元,完成光电转换,经放大整形可得相同频率的连续脉冲,将脉冲信号送到CPU的计数器T1,计算出电机的实际转速.

（3）功率驱动电路

功率驱动采用单电源可逆控制方式,一般采用由功率开关器件组成的H型桥式电路.有以下几种选择：a.采用功率场效应管,开关性能好,但价格较高；b.采用大功率三极管,但因直流放大系数hFE太小,需驱动的功率较大；c.采用中、小功率的三极管连接成达林顿结构,hFE较大,驱动功率较小,可由单片机直接驱动,且价格适中.

电路如图2所示,其特点是在一个周期内V12、V13与V23、V24和V21、V22与V15、V16两组达林顿管交替导通,改变一个周期内两组达林顿管导通时间的长短,就可实现对电机转速和转动方向的控制,开关频率可调至25kHz左右.

(4)LED显示电路

数码管显示电路设计4位数码管来显示设定转速和动态转速,采用动态扫描显示方式,主要采用软件扫描,占用了11条I/O口线.其中7根线用于段码的选择,4根用于位选择,LED采用共阴极接法.

(3)按钮开关

电机的运行根据需要由四个按钮开关进行控制,单片机采用中断扫描方法读取按钮信号,它们的功能分别是启动/停止键、正转/反转键、定时键、转向键.其中转向键还可以使电机循环定时转向.

本项目采用乐高（LEGO）机器人传动结构组件构建减速齿轮,曲柄连杆等机械机构安装在电机转轴上进行动态演示.至于对过电压、欠电压和过电流保护电路的实现方法,相关文献介绍较多,在此不作赘述.

3教学实践

3.1教学思路

根据电子实训课程教学大纲的要求,我们在教学实践中始终坚持重基础知识,重基本理论,重基本技能的教育,实现了基础与前沿,经典与现代,课外与课内的有机结合（4）.光机电一体化直流电机调速控制实训项目是可供学生自主选择的知识覆盖面较全面的项目之一,学生利用这一实训项目综合运用模拟和数字电路,单片机原理及接口技术,传感器技术和电力传动控制技术,机械机构设计等课程的知识,对其进行综合论证、设计、组装和调试,达到培养学生的综合设计和创新能力为主线的教学指导思想.

3.2教学安排和实施过程

学生选择本实训项目后,老师把学生分成若干个小组,每组人数3~4人,若发现优生和差生有扎堆现象,需做出适当调整,以促进学生互相学习和项目的完成.项目分为必修和选修两部分,必修部分是电机转速闭环PWM控制和功率驱动电路以及转速检测电路,其它为选修部分.对于必修部分,老师从电动机转速闭环PWM控制原理入手,从转速检测（FG）,频率/电压转换器（f/v）,基准三角波发生器,PWM调速以及功率驱动电路的组成、工作原理和设计思想进行详尽的讲解和解剖,电路组成如图3所示.

实训过程中,着重启发学生利用基础专业课程中学过的元器件知识,并结合查阅相关资料完成设计,力求拓展学生的视野,教师的工作是努力促成学生从知识积累向综合能力的转化.无论是必修部分还是选修部分,每一个功能电路都可以用不同的方案去进行设计,把学生的兴趣爱好置于核心地位,鼓励主动探究,为其个性发展创造条件,使得不同层次,不同基础的学生都可以找到自己的角色.

学生实训成绩评定,主要依据在设计和制作本项目的过程中,能做出多少功能电路,方案设计的先进性及合理性