俞國華 張 珂

（中國計(jì)量學(xué)院工程訓(xùn)練中心，浙江 杭州 310018）

引言

工程訓(xùn)練課程是高等教育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、專業(yè)綜合能力和創(chuàng)新能力等方面有著其它課程不可代替的作用。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)人的想象力和直覺思維沒有開發(fā)出來，不善于質(zhì)疑、批判并超越教師和書本。為主動適應(yīng)當(dāng)代社會對人才的需求，主動銜接“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，本文通過多年教學(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)目內(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)目的基本工作原理與設(shè)計(jì)

1.1 PWM直流調(diào)速原理

我們知道直流電動機(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為每級磁通量，k為電動機(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)，利用晶體管的開關(guān)特性對電壓進(jìn)行調(diào)制，按一個(gè)固定的周期來接通與斷開功率晶體管，并根據(jù)外加控制信號來改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，使加在電動機(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。

在實(shí)訓(xùn)過程中，產(chǎn)生PWM信號有4種方法可供學(xué)生選擇：

a、分立元件組成的PWM信號發(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，通過軟件對該引腳輸出高低電平來實(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，通過控制單片機(jī)的初始化設(shè)置，使其自動產(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機(jī)轉(zhuǎn)速簡單、可靠。

圖1 直流電機(jī)調(diào)速控制原理框圖

2.2 項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)與設(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)單片機(jī)

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)轉(zhuǎn)速檢測電路

采用光電傳感器測速電路。即在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上加裝一個(gè)圓盤，沿圓盤周邊均勻開一圈小孔，再通過對射型光電傳感器。當(dāng)電機(jī)帶動圓盤轉(zhuǎn)動時(shí)，對射型光電傳感器上的發(fā)射單元發(fā)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(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）功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動采用單電源可逆控制方式，一般采用由功率開關(guān)器件組成的H型橋式電路。有以下幾種選擇：a.采用功率場效應(yīng)管，開關(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)動功率較小，可由單片機(jī)直接驅(qū)動，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)間的長短，就可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的控制，開關(guān)頻率可調(diào)至25kHz左右。

圖2 H型PWM功率驅(qū)動電路

(4)LED顯示電路

數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)4位數(shù)碼管來顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和動態(tài)轉(zhuǎn)速，采用動態(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)按鈕開關(guān)

電機(jī)的運(yùn)行根據(jù)需要由四個(gè)按鈕開關(guān)進(jìn)行控制，單片機(jī)采用中斷掃描方法讀取按鈕信號，它們的功能分別是啟動/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)目采用樂高（LEGO）機(jī)器人傳動結(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)行動態(tài)演示。至于對過電壓、欠電壓和過電流保護(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 教學(xué)實(shí)踐

3.1 教學(xué)思路

根據(jù)電子實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)大綱的要求，我們在教學(xué)實(shí)踐中始終堅(jiān)持重基礎(chǔ)知識，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)和電力傳動控制技術(shù)，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等課程的知識，對其進(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 教學(xué)安排和實(shí)施過程

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)動電路以及轉(zhuǎn)速檢測電路，其它為選修部分。對于必修部分，老師從電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)PWM控制原理入手，從轉(zhuǎn)速檢測（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)過程中，著重啟發(fā)學(xué)生利用基礎(chǔ)專業(yè)課程中學(xué)過的元器件知識，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)生從知識積累向綜合能力的轉(zhuǎn)化。無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)生的興趣愛好置于核心地位，鼓勵主動探究，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)成績評定，主要依據(jù)在設(shè)計(jì)和制作本項(xiàng)目的過程中，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)生自評和互評，最終由老師綜合考評確定實(shí)訓(xùn)成績。

3.3 解決問題實(shí)例

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制原理框圖

在設(shè)計(jì)功率驅(qū)動電路時(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。大家開動腦筋，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。問題解決后，電機(jī)運(yùn)行始終正常，使學(xué)生對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)際問題的解決。同學(xué)們感悟頗深，從課堂上學(xué)來的知識往往不是很深刻，只有從實(shí)踐中帶著問題學(xué)到的東西才說得上記憶深刻，真知灼見。

結(jié)語

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、封閉的，而應(yīng)是多元的、開放的。學(xué)生通過實(shí)踐開闊了視野，活躍了思路，激發(fā)了靈感，養(yǎng)成了實(shí)事求是的態(tài)度，一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，勇于面對失敗和挫折，積極進(jìn)取的探索精神，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的全面提高。工程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用水平保持同步，并不斷更新，動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)卓越工程師教育培養(yǎng)的教學(xué)改革，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步的需要。

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