淺析微型直流電機的智能測試

莫焱珣

摘 要：微型直流電機不良現象種類繁多，五花八門，但是不同不良因素可能出現相同的現象，例如：卡磁、機殼軸承與端蓋不同心、機殼內小粒異物都會使電機電流偏高，磁鐵沒磁性、銅線沾錫、電刷針變形短路都會使電機短路。根據這一特點，本文介紹一種微型直流電機的檢測方法，即分別采集電機的空載電流和堵轉電流，放大后傳給自帶AD的微處理器ATmeage48運算處理，并與同型號好的電機的參數進行比較，判斷電機的好壞，并且把判斷結果通過液晶顯示器顯示，實現智能判斷的人機交互界面。

關鍵詞：微型直流電機；空載電流；堵轉電流；ATmeager48

一、引言

微型直流電機應用廣泛，在電動玩具、電動工具、汽車電器等領域應用廣泛。近年來，微電機行業取得了迅猛的發展，從原來的手工作坊升級到了幾乎完全自動化的生產模式，產量大增。然而對于一個微電機生產廠來說，產品的質量是最為總要的，這就使得最后的質量檢測環節成為重中之重。如果能合理地應用到生產實踐中，解決生產的實際問題，那么非常具有研究價值。

（一）目前工廠中微電機檢測存在的問題

電機廠每天生產的電機數量少則幾萬，多則幾十萬不等，微電機質量檢測對于很多電機廠都是一件頭疼的事情，傳統的微電機檢測是通過萬用表或示波器的波形圖來判斷電機是否合格，測試麻煩，效率低。只有具有多年檢測經驗的專業人員才能從細微的波形變化中看出電機的問題，隨著產量的增大就會帶來檢測工作量的增加，那么工人的成本也會隨之增加。同時因節假日導致工人的短缺現象也不可忽視。由此可見，不便之處是顯而易見的。

（二）課題的主要工作和要達到的目的

通過對微電機檢測的了解，我們知道對于一個微電機廠而言，產品的合格率是一個工廠賴以生存的生命線。本文的目的就是既要調高微電機檢測的效率，更要提高微電機檢測的準確率，從而提高產品合格率。如果微電機檢測實現智能化將會大大提高檢測效率和準確率，降低人工成本，具有較高的實用性和可觀的市場前景。

本論文的主要工作：

1.微型直流電機的工作原理

2.微型直流電機不良原因的分析

3.設計整機電路框圖

4.模塊化介紹電路，實現單片機ATmeage48對整個電路的控制

二、微型直流電機原理及不良原因

（一）微型直流電機的工作原理

微型直流電機是指輸出或輸入為直流電能的旋轉電機。在電動玩具、電動工具、汽車電器等領域應用廣泛。直流電機主要由定子和轉子兩大基本結構部件組成，定子用來固定磁極和作為電機的機械支撐。轉子用來感應電動墊而實現能量轉換，內置換向器和電刷結構實現交流電變成直流電的換向。直流電機的定子由主磁極、電刷裝置、機座等組成；轉子由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器組成。電樞鐵芯是主磁路的組成部分，為了減少電樞旋轉時鐵芯中磁通方向不斷變化，而產生的渦流和磁滯損耗，電樞鐵芯通常用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，疊片間有一層絕緣漆； 電樞繞組有絕緣導體繞成線圈嵌放在電樞鐵芯槽內，每一線圈有兩個端頭，按一定規律連接相應的換向片上，全部線圈組成一個閉合的電樞繞組；換向器由許多彼此絕緣的換向片組合而成。它的作用是將電樞繞組中的交流電動勢用機械換向的方法轉變為電刷間的直流電動勢。

（二）微型直流電機不良原因的分析

電機的不良原因很多，下面主要介紹以下幾種情況：

1.斷線：掉線頭和內部斷線

2.電流高：機殼軸承、端蓋孔徑偏小或不同心；銅線輕微沾錫；三極圈數不一樣；機殼內有絲、小粒等異物；換向器插偏；間隙小；磁石高低

3.漏電：漆包線對鐵芯漏電和換向器對鐵芯漏電

4.卡死：機殼內有磁渣、卡簧、軸承墊片等異物；卡簧變形、磁鐵未打到位、高低不一；鐵軸受傷、變形等；磁石凸起；機殼軸承、反孔變形；磁石同性或沒磁性

5.短路：電刷針插變形短路；換向器銅片短路油少；機芯外掛線；銅線沾錫；換向器焊錫處多頭；風沙片錯位；匝間短路；磁鐵沒磁性

根據前面介紹電機的不良原因，我們不難發現，無論電機是什么不良原因，都會使空載電流或堵轉電流發生變化。如卡磁、機殼軸承與端蓋不同心、機殼內小粒異物都會使電機電流偏高，磁鐵沒磁性、銅線沾錫、電刷針變形短路都會使電機短路，空載電流無窮大。至于為什么要測堵轉電流，是因為電機轉子在斷線或虛焊時，電機空載電流和合格電機電流沒有區別，但是其負載能力會大大降低，所以檢測堵轉電流相當于加了一個無窮大的負載。電機在虛焊或是斷線時，其堵轉電流會偏小。即當電機被堵住，內部轉子，3個繞組首尾相接呈三角形，連接方式如圖1。

當電機堵轉時，電刷針接觸換向器中任意兩點（ab或ac或bc），電路等效如圖2所示。

1.如果轉子完好，電阻值為R//2R，等于2/3R，I=U/（2/3R）=1.5U/R；

2.如果R1斷線，電阻為2R，I=U/（2R）=0.5U/R；

3.如果R2或R3斷線，電阻值為R，I=U/R。

由此我們不難得出結論，電機轉子有斷線現象，會使其堵轉電流偏小。

（三）方案的確定

由上述分析，確定測試系統的實現方法。選擇一個大功率電源給電機供電，待空載電流穩定后，采集其空載電流，然后堵住電機，采集堵轉電流，將兩次采集的信號經運算放大后進行處理、比較、判斷。

方案一：控制器選用AT89s51，信號的采集部分選用AD0809，顯示部分由數碼管顯示。

方案二：控制器選用AT89s51，信號的采集部分選用AD0809，顯示部分由LCD顯示。

考慮到LED只能顯示數字，不能顯示文字單，無法實現智能檢測后的全部測試信息。AT89S51單片機功能強大，但是片內沒有AD轉換，這就需要AD模塊電路，選擇AD0809為AD轉換器，8位的AD轉換精度有點偏低，若要求高精度的測試，不容易實現。

方案三：選擇Atmeage48作為核心控制器，其自帶AD性能，減少實際電路中AD轉換部分電路的設計。顯示部分選用LCD，可以實現文字和數字信息的顯示，實現微處理器控制及人機交互。

三、系統原理及總體設計

（一）系統原理

本系統采用單片機Atmeage48為控制核心，充分利用單片機內部資源，減少外部組件達到簡化電路，尤其體現在處理器自帶AD性能，減少實際電路中AD轉換部分電路的設計。整機電路包括電源模塊、信號采樣模塊，信號保持模塊，單片機處理模塊，漏電模塊，鍵盤模塊和LCD顯示模塊，如圖3所示。

（二）模塊電路原理及設計

1.單片機ATmega48原理

ATmega48是基于AVR增強型RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集及單時鐘周期指令執行時間，ATmega48的數據吞吐率高達1MIPS/MHz。

（1）先進的RISC結構

（2）非易失性的程序和數據存儲器

（3）外設特點

兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數器

一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器 /計數器

具有獨立振蕩器的實時計數器RTC

六通道PWM

6路 10 位ADC（ PDIP 封裝）

可編程的串行USART 接口

可工作于主機/從機模式的 SPI串行接口

面向字節的兩線串行接口

具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器

片內模擬比較器

引腳電平變化可引發中斷及喚醒MCU

（4）微控制器的特點

上電復位以及可編程的掉電檢測

經過標定的片內振蕩器

片內/外中斷源

五種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和 Standby模式

（5）I/O口與封裝如圖4所示

23 個可編程的I/O 口線

28 引腳PDIP， 32引腳TQFP與 32 引腳MLF封裝

2.電源電路

整機電路采用的是5V直流電和正負12V直流電。直流穩壓電源一般是由電源變壓器，整流濾波電路和穩壓電路構成。本電路的電壓變壓器是把較大的交流電變成較小的交流電。整流電路作用是把交流電變成直流電。最后經過濾波電路和穩壓電路輸出穩定的直流電。本設計中直流電電路主要采用變壓，整流，濾波，穩壓過程將220V的交流電轉換為穩定的直流電。（如圖5）

3.采樣放大電路

采樣放大電路如圖六所示：P1為外接電源接口，用于給電機供電，一般選擇30W可調電源， P5為測試針接口，第2腳接電機外殼，用于檢測是否漏電，3、4腳接電機兩個引腳，R4為采樣電阻，阻值越小對測試影響越小，后面接同向放大電路， 電壓的放大倍數由R17和R8決定。放大后的信號接入單片機.由于LM324具有四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，價格低廉等優點，因此本設計中運算放大器的核心器件選為LM324。（如圖6）

4.漏電檢測模塊

如電機漏電，外殼為高電平，三極管導通，信號交由單片機處理。如圖7所示：

5.LCD顯示電路

考慮到實用性和通用型的結合，本系統設計選用漢字型液晶模塊，它是一種用中文圖形控制芯片，內置128×64漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。該芯片共內置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符的ASCII字符庫（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）。為了能夠簡單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內部設計有2MB的中文字型CGROM和64×256點陣的GDRAM繪圖區域；同時，該模塊還提供有4組可編程控制的16×16點陣造字空間；除此之外，為了適應多種微處理器和單片機接口的需要，該模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行以及3線串行等多種接口方式。（如圖8所示）

四、程序設計

五、總結

經過大量的測試驗證，該系統能高效準確的檢測微型直流電機的好壞，提高了檢測效率，而且操作簡單易用，不用專業檢測人員進行操作，普通工人就能完成，對于電機生產廠家，降低了勞動成本。但是，本設計只是重點說明了會影響電機電流變化的不良原因，對于電機的不良原因還會有其他一些情況，如：電刷針變形或油少會產生噪音；搭配不好 或磁石移位或繞線三槽不對稱、打結會使電機振動量變大；這些因素在電機出廠前也是也是要檢測的。可我們只要理解了前面對電機電流的檢測方法，后面的問題也就迎刃而解了，我們只需要加裝相應的傳感器，再將傳感器的信號傳遞給微處理器，優良產品和不良產品的參數就一目了然了。

參考文獻

[1] 朱月秀.單片機原理及應用[M]. 電子工業出版社，2012，8-1.

[2] 陳其純.電子線路[M]. 高等教育出版社，2010，9-1.