光機電一體化實訓項目的設計與實踐

俞國華 張 珂

（中國計量學院工程訓練中心，浙江 杭州 310018）

引言

工程訓練課程是高等教育的一個重要環節，在培養學生的工程實踐能力、專業綜合能力和創新能力等方面有著其它課程不可代替的作用。但實訓內容較為單一刻板存在著照本宣科，依葫蘆畫瓢的現象，多數情況下學生只是跟著教學進度進行練習而已，學生個人的想象力和直覺思維沒有開發出來，不善于質疑、批判并超越教師和書本。為主動適應當代社會對人才的需求，主動銜接“卓越工程師教育培養計劃”，本文通過多年教學實踐，試圖從電子工程實訓項目的內容出發，設計了一種集光、機、電技術于一體的直流電機調速控制實訓項目。項目內容豐富，合理并具有層次性，注重經典與先進性相結合，有較好的靈活性和拓展性，為培養學生的工程意識和工程綜合能力提供了一個行之有效的載體。

1 項目的基本工作原理與設計

1.1 PWM直流調速原理

我們知道直流電動機轉速n可表示如下：

式（1）中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每級磁通量，k為電動機結構參數。

從式中可知，改變U、φ、R等變量都可達到電機調速的目的，但最方便有效的調速方法是對電樞電壓U進行控制。本文采用經典的脈寬調制PWM直流控制技術，利用晶體管的開關特性對電壓進行調制，按一個固定的周期來接通與斷開功率晶體管，并根據外加控制信號來改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，使加在電動機電樞的電壓占空比改變，即改變電樞兩端平均電壓大小，從而達到控制PWM信號。

在實訓過程中，產生PWM信號有4種方法可供學生選擇：

a、分立元件組成的PWM信號發生器。成本低、原理清晰，但電路復雜、調試難度大。

b、采用專用PWM集成電路，電路簡單、性能好，但成本較高。

c、軟件模擬法，利用8051單片機的I/O口，通過軟件對該引腳輸出高低電平來實現PWM波。這種方法需占用CPU的大量資源，編程復雜，使得單片機的工作效率大為降低。d、利用新一代單片機自帶的PWM口，通過控制單片機的初始化設置，使其自動產生占空比可變的PWM，只有在改變脈沖寬度時，CPU才進行干預，該方法控制直流電動機轉速簡單、可靠。

圖1 直流電機調速控制原理框圖

2.2 項目的整體結構與設計

我們以自帶PWM口的P87LPC768單片機為核心部件進行闡述，光機電一體化直流電動機調速控制實訓項目的整體結構如圖1所示。

(1)單片機

選用P87LPC768，由于單片機只有20個引腳，既要控制電機的速度，又要顯示轉速，還要連接四個按鈕開關。I/O口線比較緊張，因此采用了片內振蕩和內部復位，使其對應的3個引腳可作為I/O口線使用。單片機的PWM0(P0.1)口作為PWM輸出口。

本實訓項目主要采用P87LPC768的一路PWM輸出，PWM輸出主要由一個10位的輸出頻率相關寄存器CNSW及一個10位的脈沖寬度寄存器CPSW組成。根據需要設置CNSW的值，可得到PWM的輸出頻率：

設置CPSW的值，可得到PWM的脈沖寬度。對運行的電機而言，各種不同的CPSW值就是各種不等的電壓。

(2)轉速檢測電路

采用光電傳感器測速電路。即在電機的轉軸上加裝一個圓盤，沿圓盤周邊均勻開一圈小孔，再通過對射型光電傳感器。當電機帶動圓盤轉動時，對射型光電傳感器上的發射單元發射的光線通過圓盤上的透光孔，交替地照射到接收單元，完成光電轉換，經放大整形可得相同頻率的連續脈沖，將脈沖信號送到CPU的計數器T1，計算出電機的實際轉速。

（3）功率驅動電路

功率驅動采用單電源可逆控制方式，一般采用由功率開關器件組成的H型橋式電路。有以下幾種選擇：a.采用功率場效應管，開關性能好，但價格較高；b.采用大功率三極管，但因直流放大系數hFE太小，需驅動的功率較大；c.采用中、小功率的三極管連接成達林頓結構，hFE較大，驅動功率較小，可由單片機直接驅動，且價格適中。

電路如圖2所示，其特點是在一個周期內 V12、V13 與 V23、V24 和 V21、V22 與V15、V16兩組達林頓管交替導通，改變一個周期內兩組達林頓管導通時間的長短，就可實現對電機轉速和轉動方向的控制，開關頻率可調至25kHz左右。

圖2 H型PWM功率驅動電路

(4)LED顯示電路

數碼管顯示電路設計4位數碼管來顯示設定轉速和動態轉速，采用動態掃描顯示方式，主要采用軟件掃描，占用了11條I/O口線。其中7根線用于段碼的選擇，4根用于位選擇，LED采用共陰極接法。

(3)按鈕開關

電機的運行根據需要由四個按鈕開關進行控制，單片機采用中斷掃描方法讀取按鈕信號，它們的功能分別是啟動/停止鍵、正轉/反轉鍵、定時鍵、轉向鍵。其中轉向鍵還可以使電機循環定時轉向。

本項目采用樂高（LEGO）機器人傳動結構組件構建減速齒輪，曲柄連桿等機械機構安裝在電機轉軸上進行動態演示。至于對過電壓、欠電壓和過電流保護電路的實現方法，相關文獻介紹較多，在此不作贅述。

3 教學實踐

3.1 教學思路

根據電子實訓課程教學大綱的要求，我們在教學實踐中始終堅持重基礎知識，重基本理論，重基本技能的教育，實現了基礎與前沿，經典與現代，課外與課內的有機結合（4）。光機電一體化直流電機調速控制實訓項目是可供學生自主選擇的知識覆蓋面較全面的項目之一，學生利用這一實訓項目綜合運用模擬和數字電路，單片機原理及接口技術，傳感器技術和電力傳動控制技術，機械機構設計等課程的知識，對其進行綜合論證、設計、組裝和調試，達到培養學生的綜合設計和創新能力為主線的教學指導思想。

3.2 教學安排和實施過程

學生選擇本實訓項目后，老師把學生分成若干個小組，每組人數3～4人，若發現優生和差生有扎堆現象，需做出適當調整，以促進學生互相學習和項目的完成。項目分為必修和選修兩部分，必修部分是電機轉速閉環PWM控制和功率驅動電路以及轉速檢測電路，其它為選修部分。對于必修部分，老師從電動機轉速閉環PWM控制原理入手，從轉速檢測（FG），頻率/電壓轉換器（f/v），基準三角波發生器，PWM調速以及功率驅動電路的組成、工作原理和設計思想進行詳盡的講解和解剖，電路組成如圖3所示。

實訓過程中，著重啟發學生利用基礎專業課程中學過的元器件知識，并結合查閱相關資料完成設計，力求拓展學生的視野，教師的工作是努力促成學生從知識積累向綜合能力的轉化。無論是必修部分還是選修部分，每一個功能電路都可以用不同的方案去進行設計，把學生的興趣愛好置于核心地位，鼓勵主動探究，為其個性發展創造條件，使得不同層次，不同基礎的學生都可以找到自己的角色。

學生實訓成績評定，主要依據在設計和制作本項目的過程中，能做出多少功能電路，方案設計的先進性及合理性，是否具有獨到創新之處，電路布局規范程度，測試數據和波形的準確性，實習報告是否全面完整，先由各組學生自評和互評，最終由老師綜合考評確定實訓成績。

3.3 解決問題實例

圖3 電機轉速閉環控制原理框圖

在設計功率驅動電路時有的學生決定采用H型可逆雙極性控制方案，使用了如圖2所示的電路，但在通電調試過程中，屢屢發生三極管被擊穿冒煙的情況，這是由于三極管工作在開關狀態，集電極電流的變換滯后于基極電壓的變化，三極管內部存在結電容效應而造成的。我們啟發學生，在上面三極管導通時，如何保證下面三極管截止，反之亦然。大家開動腦筋，反復琢磨，終于有了方案，引入如圖2所示的XY和NM兩條導線，其原理是，當三極管V12和V15的基極為高電平時，V12和V13飽和導通，V15和V16截止，V15的發射極電位比基極高0.7V，反之亦然，從而保證了在同一時刻上下兩組三極管只能有一組導通，相當于自鎖。問題解決后，電機運行始終正常，使學生對三極管的特性有了更加深刻的理解。領悟到了基礎理論的重要性。

整個教學過程中我們始終強調工程設計，處理方法以及工程實踐中實際問題的解決。同學們感悟頗深，從課堂上學來的知識往往不是很深刻，只有從實踐中帶著問題學到的東西才說得上記憶深刻，真知灼見。

結語

工程訓練實踐教學中的實訓項目不應是固定的、單一的、封閉的，而應是多元的、開放的。學生通過實踐開闊了視野，活躍了思路，激發了靈感，養成了實事求是的態度，一絲不茍的嚴謹作風，勇于面對失敗和挫折，積極進取的探索精神，實現了學生綜合素質和創新能力的全面提高。工程實訓內容應與現代技術發展的應用水平保持同步，并不斷更新，動態調整，以適應卓越工程師教育培養的教學改革，適應國家經濟發展、技術進步的需要。

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