光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李玉芹 李會(huì)英

【摘要】在一個(gè)單一的情況下電子產(chǎn)品的培訓(xùn)課程，設(shè)計(jì)了可以用四種方法實(shí)現(xiàn)的一套方法，促進(jìn)了直流電機(jī)的調(diào)速控制培訓(xùn)項(xiàng)目的整合，項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要包括功率驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)、速度測(cè)量、保護(hù)電路和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6部分組成，每個(gè)部分都可以用多種方案來(lái)實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生的興趣和熱情，提高學(xué)生的解決工程問(wèn)題的能力和工程設(shè)計(jì)能力，起到了舉一反三的作用。

引言

高等教育的一個(gè)重要內(nèi)容是工程訓(xùn)練，可以提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，創(chuàng)造思維以及工程方面的實(shí)踐能力，只是訓(xùn)練的內(nèi)容存在照本宣科單的現(xiàn)象，大部分情況下，課程進(jìn)行到哪，學(xué)生練習(xí)到哪，學(xué)生個(gè)人的直覺(jué)思維和想象力未得到充分發(fā)揮，僵化了學(xué)生的思維，讓學(xué)生缺少了一種批判性思維[1]。要主動(dòng)跟隨社會(huì)發(fā)展的潮流，了解社會(huì)所需，以飽滿的熱情投身對(duì)工程師的培訓(xùn)工作中，以多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，把對(duì)電子工程的培訓(xùn)作為入手的內(nèi)容，與社會(huì)對(duì)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的需求相結(jié)合設(shè)計(jì)了一套光電、機(jī)電一體化技術(shù)在直流電機(jī)調(diào)速控制項(xiàng)目中的應(yīng)用。該項(xiàng)目具有豐富的內(nèi)容、合理的邏輯關(guān)系、結(jié)合經(jīng)典與先進(jìn)性，具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程專(zhuān)業(yè)提供了一個(gè)綜合能力的有效平臺(tái)。

1、基本原理

1.1PWM的調(diào)速原理

在這里U是電樞端電壓，R為電樞電路總電阻，I為電樞電流，k為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，φ為各級(jí)的磁通量。

從（1）中可得出，電機(jī)調(diào)速可通過(guò)改變U、φ、R的值，通過(guò)改變電壓來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的，我們使用常用的脈寬調(diào)制直流控制技術(shù)，通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)改變電壓，固定周期，連接和斷開(kāi)電源晶體管通過(guò)附加控制信號(hào)來(lái)控制一個(gè)周期“斷開(kāi)”和“接通”的時(shí)間長(zhǎng)短，改變電機(jī)電樞電壓占空比，即通過(guò)控制兩端的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的目的[2]。

1.2整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

把P87LPC768作為核心部件來(lái)闡述直流電機(jī)的工作原理如圖1所示。

（1）單片機(jī)

采用了內(nèi)部復(fù)位和片內(nèi)振蕩的方法來(lái)緩解I/O口線緊張的問(wèn)題。I/O口線緊張的原因是是單片機(jī)的20個(gè)引腳，不能同時(shí)做到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，顯示速度和連接開(kāi)關(guān)的原因?qū)е碌?。I/O口線需要3個(gè)引腳來(lái)起到相應(yīng)的作用。PWM輸出口是由單片機(jī)的PWM0（P0.1）口起作用的。

（2）轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

光電傳感器輸出的是電壓信號(hào)以此來(lái)測(cè)量電路，具體方法是：在電機(jī)的軸上裝有一個(gè)繞在一個(gè)圓孔板上的鉆頭，再通過(guò)光電傳感器。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)盤(pán)孔光發(fā)射光單元式光電傳感器，或者根據(jù)接收單元，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)連續(xù)的脈沖放大整形可以有相同的頻率的脈沖信號(hào)，T1為CPU計(jì)數(shù)器到脈沖信號(hào)的時(shí)間，從而計(jì)算出實(shí)際的高速電機(jī)。

（3）功率驅(qū)動(dòng)電路

功率開(kāi)關(guān)器件的橋式電路是指一種功率驅(qū)動(dòng)的采用單電源可逆控制的器件。有幾個(gè)選項(xiàng)：A.使用開(kāi)關(guān)性能良好的好功率場(chǎng)效應(yīng)管，但是比較貴；B.功率晶體管，大的驅(qū)動(dòng)功率才能驅(qū)動(dòng)電路由于HFE直流放大系數(shù)太小造成的難以驅(qū)動(dòng)；C，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的中、小功率三極管、hFE放大、小的驅(qū)動(dòng)功率就可以達(dá)到目的，可以通過(guò)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，價(jià)格較低。

（4）LED顯示電路

數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)通過(guò)四數(shù)碼管來(lái)顯示動(dòng)態(tài)速度和設(shè)制的速度，通過(guò)使用掃描軟件和動(dòng)態(tài)掃描顯示模式，占具了11條I/O口線。七個(gè)線程是用于段代碼，選擇4根供選擇，由常用的陰極連接。

2、教學(xué)實(shí)踐

2.1教學(xué)思路

在教學(xué)過(guò)程中，我們緊跟大綱的思路，堅(jiān)持基礎(chǔ)的理論，基礎(chǔ)技能，基礎(chǔ)知識(shí)，把基礎(chǔ)與前沿、集成光直流電機(jī)調(diào)速控制訓(xùn)練課程作為可由學(xué)生選擇自己的知識(shí)覆蓋率的一個(gè)綜合項(xiàng)目，學(xué)生會(huì)利用這一培訓(xùn)項(xiàng)目的模擬和數(shù)字電路的綜合應(yīng)用、接口技術(shù)和主線的單片機(jī)原理、電氣驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的知識(shí)，全面的展示，設(shè)計(jì)，組裝和調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)能力的教學(xué)指導(dǎo)思想[3]。

2.2教學(xué)安排和實(shí)施過(guò)程

教師把這個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目的學(xué)生分成若干組，3～4人一組，人員分配要做到每組都有優(yōu)生和差生，以此來(lái)達(dá)到共同進(jìn)步的效果。項(xiàng)目分為2個(gè)部分必需和選修，作為必修部分的是速度檢測(cè)電路和電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和功率驅(qū)動(dòng)電路，其他的為選修部分。

培訓(xùn)過(guò)程中，注重學(xué)生使用基本專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)的電子元器件的情況，并結(jié)合參閱相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)完成設(shè)計(jì)，盡一切努力拓展學(xué)生的視野，教師的工作是嘗試和促進(jìn)學(xué)生從知識(shí)積累轉(zhuǎn)變到學(xué)生的綜合能力。必修也好，選修也罷，都可以嘗試不同的方法來(lái)設(shè)計(jì)功能電路，把學(xué)生的興趣放在第一的位置，讓學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦，互相學(xué)習(xí)，互相促進(jìn)，為自己的未來(lái)職場(chǎng)打下基礎(chǔ)。就當(dāng)前階段來(lái)看，也可以讓學(xué)生自由發(fā)展，找到適合自己的部分。

把做出功能電路數(shù)量作為學(xué)生成績(jī)的評(píng)定依據(jù)設(shè)計(jì)是否具有創(chuàng)新性，是否具有先進(jìn)性是否具有合理性，要做到電路布置的完整協(xié)調(diào)性，精確的測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，全面認(rèn)真的實(shí)習(xí)報(bào)告，先讓學(xué)生自評(píng)互評(píng)，得出初步的一個(gè)成績(jī)，最終的成績(jī)由老師來(lái)確定。

2.3解決問(wèn)題實(shí)例

部分學(xué)生采用H可逆雙極性控制方式來(lái)設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)電路，利用圖中電路，只是在調(diào)試過(guò)程中，三極管被擊穿冒煙反復(fù)發(fā)生，我們認(rèn)真幫助學(xué)生分析了原因，三極管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，集電極電流轉(zhuǎn)換滯后于標(biāo)準(zhǔn)電壓的變化，以及三極管內(nèi)部結(jié)電容的影響。我們鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，讓他們考慮當(dāng)上面的三極管截止時(shí)，怎樣保證下面的三極管導(dǎo)通，反過(guò)來(lái)也需要這樣[4]。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)習(xí)中的培訓(xùn)方案不應(yīng)是一成不變的、僵硬的、單一的，應(yīng)該做到舉一反三。條條大路通羅馬，解決問(wèn)題的辦法也不只一個(gè)，讓學(xué)生能通過(guò)這次實(shí)習(xí)已達(dá)到拓寬視野，積極思考，啟發(fā)了思想的目的，形成了認(rèn)真的工作作風(fēng)，實(shí)事求是的態(tài)度，勇與面對(duì)失敗和挫折，不斷進(jìn)取的精神，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展和提高創(chuàng)新能力。實(shí)踐的內(nèi)容應(yīng)隨著社會(huì)科技水平的發(fā)展，不斷更新，動(dòng)態(tài)調(diào)整，適應(yīng)教育教學(xué)改革，培養(yǎng)優(yōu)秀工程師，適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]浦龍梅，楊增強(qiáng).單片機(jī)控制的PWM調(diào)速裝置的研究[J].電子技術(shù)，2012，（2）：37-39.

[2]包松，鮑可進(jìn)，余景華，基于單片機(jī)PID算法的直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)[J].微機(jī)發(fā)展，2013，13（8）：72-74.

[3]曹琳琳，曹巧媛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2014.

[4]項(xiàng)俊等.生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室課程創(chuàng)新體系的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與[4]鄭清春等，基于樂(lè)高機(jī)器人系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放實(shí)踐探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，27（10）：22-

作者簡(jiǎn)介

李玉芹：女，（1964.1），籍貫：河北保定，學(xué)歷：大本，副教授，研究方向：教育教學(xué)。

李會(huì)英，女，（1980—03），石家莊市靈壽縣人，本科，高講，研究方向：機(jī)電一體化方向。