直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

電子工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程培訓(xùn)課程是高等教育的重要組成部分。在學(xué)生的工程實(shí)踐技能、綜合專業(yè)技能和創(chuàng)新能力方面，它可以取代其他課程。但實(shí)訓(xùn)內(nèi)容較為單一刻板存在著照本宣科,依葫蘆畫瓢的現(xiàn)象,多數(shù)情況下學(xué)生只是跟著教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行練習(xí)而已,學(xué)生個(gè)人的想象力和直覺(jué)思維沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái),不善于質(zhì)疑、批判并超越教師和書本。為主動(dòng)適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)對(duì)人才的需求,主動(dòng)銜接“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”,本文通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐,試圖從電子工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的內(nèi)容出發(fā),設(shè)計(jì)了一種集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。項(xiàng)目?jī)?nèi)容豐富,合理并具有層次性,注重經(jīng)典與先進(jìn)性相結(jié)合,有較好的靈活性和拓展性,為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程綜合能力提供了一個(gè)行之有效的載體。1項(xiàng)目的基本工作原則和設(shè)計(jì)1.1dm直流控制主要參數(shù)設(shè)計(jì)我們知道直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jí)磁通量,k為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。從式中可知,改變U、φ、R等變量都可達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的,但最方便有效的調(diào)速方法是對(duì)電樞電壓U進(jìn)行控制。本文采用經(jīng)典的脈寬調(diào)制PWM直流控制技術(shù),利用晶體管的開(kāi)關(guān)特性對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制,按一個(gè)固定的周期來(lái)接通與斷開(kāi)功率晶體管,并根據(jù)外加控制信號(hào)來(lái)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短,使加在電動(dòng)機(jī)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(dá)到控制PWM信號(hào)。在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,產(chǎn)生PWM信號(hào)有4種方法可供學(xué)生選擇:a、分立元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器。成本低、原理清晰,但電路復(fù)雜、調(diào)試難度大。b、采用專用PWM集成電路,電路簡(jiǎn)單、性能好,但成本較高。c、軟件模擬法,利用8051單片機(jī)的I/O口,通過(guò)軟件對(duì)該引腳輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波。這種方法需占用CPU的大量資源,編程復(fù)雜,使得單片機(jī)的工作效率大為降低。d、利用新一代單片機(jī)自帶的PWM口,通過(guò)控制單片機(jī)的初始化設(shè)置,使其自動(dòng)產(chǎn)生占空比可變的PWM,只有在改變脈沖寬度時(shí),CPU才進(jìn)行干預(yù),該方法控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單、可靠。2.2項(xiàng)目的全球結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)我們以自帶PWM口的P87LPC768單片機(jī)為核心部件進(jìn)行闡述,光機(jī)電一體化直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。(1)tm輸出口設(shè)計(jì)選用P87LPC768,由于單片機(jī)只有20個(gè)引腳,既要控制電機(jī)的速度,又要顯示轉(zhuǎn)速,還要連接四個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)。I/O口線比較緊張,因此采用了片內(nèi)振蕩和內(nèi)部復(fù)位,使其對(duì)應(yīng)的3個(gè)引腳可作為I/O口線使用。單片機(jī)的PWM0(P0.1)口作為PWM輸出口。本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要采用P87LPC768的一路PWM輸出,PWM輸出主要由一個(gè)10位的輸出頻率相關(guān)寄存器CNSW及一個(gè)10位的脈沖寬度寄存器CPSW組成。根據(jù)需要設(shè)置CNSW的值,可得到PWM的輸出頻率:設(shè)置CPSW的值,可得到PWM的脈沖寬度。對(duì)運(yùn)行的電機(jī)而言,各種不同的CPSW值就是各種不等的電壓。(2)射型光電傳感器采用光電傳感器測(cè)速電路。即在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上加裝一個(gè)圓盤,沿圓盤周邊均勻開(kāi)一圈小孔,再通過(guò)對(duì)射型光電傳感器。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),對(duì)射型光電傳感器上的發(fā)射單元發(fā)射的光線通過(guò)圓盤上的透光孔,交替地照射到接收單元,完成光電轉(zhuǎn)換,經(jīng)放大整形可得相同頻率的連續(xù)脈沖,將脈沖信號(hào)送到CPU的計(jì)數(shù)器T1,計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。(3)功率特性分析功率驅(qū)動(dòng)采用單電源可逆控制方式,一般采用由功率開(kāi)關(guān)器件組成的H型橋式電路。有以下幾種選擇:a.采用功率場(chǎng)效應(yīng)管,開(kāi)關(guān)性能好,但價(jià)格較高;b.采用大功率三極管,但因直流放大系數(shù)hFE太小,需驅(qū)動(dòng)的功率較大;c.采用中、小功率的三極管連接成達(dá)林頓結(jié)構(gòu),hFE較大,驅(qū)動(dòng)功率較小,可由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng),且價(jià)格適中。電路如圖2所示,其特點(diǎn)是在一個(gè)周期內(nèi)V12、V13與V23、V24和V21、V22與V15、V16兩組達(dá)林頓管交替導(dǎo)通,改變一個(gè)周期內(nèi)兩組達(dá)林頓管導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制,開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)至25kHz左右。(4)動(dòng)態(tài)掃描顯示方式數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)4位數(shù)碼管來(lái)顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速,采用動(dòng)態(tài)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)機(jī)械模型及機(jī)構(gòu)電機(jī)的運(yùn)行根據(jù)需要由四個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制,單片機(jī)采用中斷掃描方法讀取按鈕信號(hào),它們的功能分別是啟動(dòng)/停止鍵、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵、定時(shí)鍵、轉(zhuǎn)向鍵。其中轉(zhuǎn)向鍵還可以使電機(jī)循環(huán)定時(shí)轉(zhuǎn)向。本項(xiàng)目采用樂(lè)高(LEGO)機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組件構(gòu)建減速齒輪,曲柄連桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。至于對(duì)過(guò)電壓、欠電壓和過(guò)電流保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)方法,相關(guān)文獻(xiàn)介紹較多,在此不作贅述。3教育實(shí)踐3.1課外與課內(nèi)的有機(jī)結(jié)合根據(jù)電子實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)大綱的要求,我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中始終堅(jiān)持重基礎(chǔ)知識(shí),重基本理論,重基本技能的教育,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿,經(jīng)典與現(xiàn)代,課外與課內(nèi)的有機(jī)結(jié)合(4)。光機(jī)電一體化直流電機(jī)調(diào)速控制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是可供學(xué)生自主選擇的知識(shí)覆蓋面較全面的項(xiàng)目之一,學(xué)生利用這一實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目綜合運(yùn)用模擬和數(shù)字電路,單片機(jī)原理及接口技術(shù),傳感器技術(shù)和電力傳動(dòng)控制技術(shù),機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等課程的知識(shí),對(duì)其進(jìn)行綜合論證、設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為主線的教學(xué)指導(dǎo)思想。3.2作用電路的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)學(xué)生選擇本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目后,老師把學(xué)生分成若干個(gè)小組,每組人數(shù)3~4人,若發(fā)現(xiàn)優(yōu)生和差生有扎堆現(xiàn)象,需做出適當(dāng)調(diào)整,以促進(jìn)學(xué)生互相學(xué)習(xí)和項(xiàng)目的完成。項(xiàng)目分為必修和選修兩部分,必修部分是電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PWM控制和功率驅(qū)動(dòng)電路以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路,其它為選修部分。對(duì)于必修部分,老師從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PWM控制原理入手,從轉(zhuǎn)速檢測(cè)(FG),頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(f/v),基準(zhǔn)三角波發(fā)生器,PWM調(diào)速以及功率驅(qū)動(dòng)電路的組成、工作原理和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行詳盡的講解和解剖,電路組成如圖3所示。實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,著重啟發(fā)學(xué)生利用基礎(chǔ)專業(yè)課程中學(xué)過(guò)的元器件知識(shí),并結(jié)合查閱相關(guān)資料完成設(shè)計(jì),力求拓展學(xué)生的視野,教師的工作是努力促成學(xué)生從知識(shí)積累向綜合能力的轉(zhuǎn)化。無(wú)論是必修部分還是選修部分,每一個(gè)功能電路都可以用不同的方案去進(jìn)行設(shè)計(jì),把學(xué)生的興趣愛(ài)好置于核心地位,鼓勵(lì)主動(dòng)探究,為其個(gè)性發(fā)展創(chuàng)造條件,使得不同層次,不同基礎(chǔ)的學(xué)生都可以找到自己的角色。學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)?cè)u(píng)定,主要依據(jù)在設(shè)計(jì)和制作本項(xiàng)目的過(guò)程中,能做出多少功能電路,方案設(shè)計(jì)的先進(jìn)性及合理性,是否具有獨(dú)到創(chuàng)新之處,電路布局規(guī)范程度,測(cè)試數(shù)據(jù)和波形的準(zhǔn)確性,實(shí)習(xí)報(bào)告是否全面完整,先由各組學(xué)生自評(píng)和互評(píng),最終由老師綜合考評(píng)確定實(shí)訓(xùn)成績(jī)。3.3導(dǎo)通時(shí),學(xué)生因結(jié)電容效應(yīng)造成的錯(cuò)誤,也開(kāi)始出現(xiàn)導(dǎo)通在設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)電路時(shí)有的學(xué)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(diào)試過(guò)程中,屢屢發(fā)生三極管被擊穿冒煙的情況,這是由于三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),集電極電流的變換滯后于基極電壓的變化,三極管內(nèi)部存在結(jié)電容效應(yīng)而造成的。我們啟發(fā)學(xué)生,在上面三極管導(dǎo)通時(shí),如何保證下面三極管截止,反之亦然。大家開(kāi)動(dòng)腦筋,反復(fù)琢磨,終于有了方案,引入如圖2所示的XY和NM兩條導(dǎo)線,其原理是,當(dāng)三極管V12和V15的基極為高電平時(shí),V12和V13飽和導(dǎo)通,V15和V16截止,V15的發(fā)射極電位比基極高0.7V,反之亦然,從而保證了在同一時(shí)刻上下兩組三極管只能有一組導(dǎo)通,相當(dāng)于自鎖。問(wèn)題解決后,電機(jī)運(yùn)行始終正常,使學(xué)生對(duì)三極管的特性有了更加深刻的理解。領(lǐng)悟到了基礎(chǔ)理論的重要性。整個(gè)教學(xué)過(guò)程中我們始終強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì),處理方法以及工程實(shí)踐中實(shí)際問(wèn)題的解決。同學(xué)們感悟頗深,從課堂上學(xué)來(lái)的知識(shí)往往不是很深刻,只有從實(shí)踐中帶著問(wèn)題學(xué)到的東西才說(shuō)得上記憶深刻,真知灼見(jiàn)。提升綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力,提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力全面提高工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不應(yīng)是固定的、單一的、封閉