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(xiàn)象種類繁多，五花八門，但是不同不良因素可能出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，例如：卡磁、機殼軸承與端蓋不同心、機殼內(nèi)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(jù)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(zhuǎn)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(shù)進行比較，判斷電機的好壞，并且把判斷結(jié)果通過液晶顯示器顯示，實現(xiàn)智能判斷的人機交互界面。

關(guān)鍵詞：微型直流電機；空載電流；堵轉(zhuǎn)電流；ATmeager48

一、引言

微型直流電機應(yīng)用廣泛，在電動玩具、電動工具、汽車電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，微電機行業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，從原來的手工作坊升級到了幾乎完全自動化的生產(chǎn)模式，產(chǎn)量大增。然而對于一個微電機生產(chǎn)廠來說，產(chǎn)品的質(zhì)量是最為總要的，這就使得最后的質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)成為重中之重。如果能合理地應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，解決生產(chǎn)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(chǎn)的電機數(shù)量少則幾萬，多則幾十萬不等，微電機質(zhì)量檢測對于很多電機廠都是一件頭疼的事情，傳統(tǒng)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(jīng)驗的專業(yè)人員才能從細微的波形變化中看出電機的問題，隨著產(chǎn)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(jié)假日導(dǎo)致工人的短缺現(xiàn)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(chǎn)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(diào)高微電機檢測的效率，更要提高微電機檢測的準(zhǔn)確率，從而提高產(chǎn)品合格率。如果微電機檢測實現(xiàn)智能化將會大大提高檢測效率和準(zhǔn)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(shè)計整機電路框圖

4.模塊化介紹電路，實現(xiàn)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(zhuǎn)電機。在電動玩具、電動工具、汽車電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。直流電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大基本結(jié)構(gòu)部件組成，定子用來固定磁極和作為電機的機械支撐。轉(zhuǎn)子用來感應(yīng)電動墊而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，內(nèi)置換向器和電刷結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時鐵芯中磁通方向不斷變化，而產(chǎn)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(dǎo)體繞成線圈嵌放在電樞鐵芯槽內(nèi)，每一線圈有兩個端頭，按一定規(guī)律連接相應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娝㈤g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(nèi)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(shù)不一樣；機殼內(nèi)有絲、小粒等異物；換向器插偏；間隙??；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(nèi)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(fēng)沙片錯位；匝間短路；磁鐵沒磁性

根據(jù)前面介紹電機的不良原因，我們不難發(fā)現(xiàn)，無論電機是什么不良原因，都會使空載電流或堵轉(zhuǎn)電流發(fā)生變化。如卡磁、機殼軸承與端蓋不同心、機殼內(nèi)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(zhuǎn)電流，是因為電機轉(zhuǎn)子在斷線或虛焊時，電機空載電流和合格電機電流沒有區(qū)別，但是其負載能力會大大降低，所以檢測堵轉(zhuǎn)電流相當(dāng)于加了一個無窮大的負載。電機在虛焊或是斷線時，其堵轉(zhuǎn)電流會偏小。即當(dāng)電機被堵住，內(nèi)部轉(zhuǎn)子，3個繞組首尾相接呈三角形，連接方式如圖1。

當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)論，電機轉(zhuǎn)子有斷線現(xiàn)象，會使其堵轉(zhuǎn)電流偏小。

（三）方案的確定

由上述分析，確定測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。選擇一個大功率電源給電機供電，待空載電流穩(wěn)定后，采集其空載電流，然后堵住電機，采集堵轉(zhuǎn)電流，將兩次采集的信號經(jīng)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(shù)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(shù)字，不能顯示文字單，無法實現(xiàn)智能檢測后的全部測試信息。AT89S51單片機功能強大，但是片內(nèi)沒有AD轉(zhuǎn)換，這就需要AD模塊電路，選擇AD0809為AD轉(zhuǎn)換器，8位的AD轉(zhuǎn)換精度有點偏低，若要求高精度的測試，不容易實現(xiàn)。

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(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計。顯示部分選用LCD，可以實現(xiàn)文字和數(shù)字信息的顯示，實現(xiàn)微處理器控制及人機交互。

三、系統(tǒng)原理及總體設(shè)計

（一）系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)采用單片機Atmeage48為控制核心，充分利用單片機內(nèi)部資源，減少外部組件達到簡化電路，尤其體現(xiàn)在處理器自帶AD性能，減少實際電路中AD轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)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(shè)計

1.單片機ATmega48原理

ATmega48是基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)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(zhí)行時間，ATmega48的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz。

（1）先進的RISC結(jié)構(gòu)

（2）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器

（3）外設(shè)特點

兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器

一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器 /計數(shù)器

具有獨立振蕩器的實時計數(shù)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(jié)的兩線串行接口

具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器

片內(nèi)模擬比較器

引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU

（4）微控制器的特點

上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測

經(jīng)過標(biāo)定的片內(nèi)振蕩器

片內(nèi)/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(wěn)壓電源一般是由電源變壓器，整流濾波電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)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(jīng)過濾波電路和穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電。本設(shè)計中直流電電路主要采用變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓過程將220V的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)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(diào)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(shù)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(tài)功耗小，價格低廉等優(yōu)點，因此本設(shè)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(dǎo)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(jié)合，本系統(tǒng)設(shè)計選用漢字型液晶模塊，它是一種用中文圖形控制芯片，內(nèi)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(nèi)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(nèi)部設(shè)計有2MB的中文字型CGROM和64×256點陣的GDRAM繪圖區(qū)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(yīng)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(shè)計

五、總結(jié)

經(jīng)過大量的測試驗證，該系統(tǒng)能高效準(zhǔn)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(yè)檢測人員進行操作，普通工人就能完成，對于電機生產(chǎn)廠家，降低了勞動成本。但是，本設(shè)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(chǎn)生噪音；搭配不好 或磁石移位或繞線三槽不對稱、打結(jié)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?？晌覀冎灰斫饬饲懊鎸﹄姍C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(yīng)的傳感器，再將傳感器的信號傳遞給微處理器，優(yōu)良產(chǎn)品和不良產(chǎn)品的參數(shù)就一目了然了。

參考文獻

[1] 朱月秀.單片機原理及應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)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.