莫焱珣

摘 要：微型直流電機(jī)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(jī)殼軸承與端蓋不同心、機(jī)殼內(nèi)小粒異物都會(huì)使電機(jī)電流偏高，磁鐵沒磁性、銅線沾錫、電刷針變形短路都會(huì)使電機(jī)短路。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文介紹一種微型直流電機(jī)的檢測(cè)方法，即分別采集電機(jī)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(yùn)算處理，并與同型號(hào)好的電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較，判斷電機(jī)的好壞，并且把判斷結(jié)果通過液晶顯示器顯示，實(shí)現(xiàn)智能判斷的人機(jī)交互界面。

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

一、引言

微型直流電機(jī)應(yīng)用廣泛，在電動(dòng)玩具、電動(dòng)工具、汽車電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，微電機(jī)行業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，從原來的手工作坊升級(jí)到了幾乎完全自動(dòng)化的生產(chǎn)模式，產(chǎn)量大增。然而對(duì)于一個(gè)微電機(jī)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(cè)環(huán)節(jié)成為重中之重。如果能合理地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，解決生產(chǎn)的實(shí)際問題，那么非常具有研究?jī)r(jià)值。

（一）目前工廠中微電機(jī)檢測(cè)存在的問題

電機(jī)廠每天生產(chǎn)的電機(jī)數(shù)量少則幾萬(wàn)，多則幾十萬(wàn)不等，微電機(jī)質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于很多電機(jī)廠都是一件頭疼的事情，傳統(tǒng)的微電機(jī)檢測(cè)是通過萬(wàn)用表或示波器的波形圖來判斷電機(jī)是否合格，測(cè)試麻煩，效率低。只有具有多年檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員才能從細(xì)微的波形變化中看出電機(jī)的問題，隨著產(chǎn)量的增大就會(huì)帶來檢測(cè)工作量的增加，那么工人的成本也會(huì)隨之增加。同時(shí)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(dá)到的目的

通過對(duì)微電機(jī)檢測(cè)的了解，我們知道對(duì)于一個(gè)微電機(jī)廠而言，產(chǎn)品的合格率是一個(gè)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(jī)檢測(cè)的效率，更要提高微電機(jī)檢測(cè)的準(zhǔn)確率，從而提高產(chǎn)品合格率。如果微電機(jī)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)智能化將會(huì)大大提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確率，降低人工成本，具有較高的實(shí)用性和可觀的市場(chǎng)前景。

本論文的主要工作：

1.微型直流電機(jī)的工作原理

2.微型直流電機(jī)不良原因的分析

3.設(shè)計(jì)整機(jī)電路框圖

4.模塊化介紹電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)ATmeage48對(duì)整個(gè)電路的控制

二、微型直流電機(jī)原理及不良原因

（一）微型直流電機(jī)的工作原理

微型直流電機(jī)是指輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在電動(dòng)玩具、電動(dòng)工具、汽車電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。直流電機(jī)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(jī)的機(jī)械支撐。轉(zhuǎn)子用來感應(yīng)電動(dòng)墊而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，內(nèi)置換向器和電刷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交流電變成直流電的換向。直流電機(jī)的定子由主磁極、電刷裝置、機(jī)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(shí)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(gè)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(gè)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(dòng)勢(shì)用機(jī)械換向的方法轉(zhuǎn)變?yōu)殡娝㈤g的直流電動(dòng)勢(shì)。

（二）微型直流電機(jī)不良原因的分析

電機(jī)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(jī)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(jī)殼內(nèi)有絲、小粒等異物；換向器插偏；間隙?。淮攀叩?/p>

3.漏電：漆包線對(duì)鐵芯漏電和換向器對(duì)鐵芯漏電

4.卡死：機(jī)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(jī)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(jī)芯外掛線；銅線沾錫；換向器焊錫處多頭；風(fēng)沙片錯(cuò)位；匝間短路；磁鐵沒磁性

根據(jù)前面介紹電機(jī)的不良原因，我們不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)論電機(jī)是什么不良原因，都會(huì)使空載電流或堵轉(zhuǎn)電流發(fā)生變化。如卡磁、機(jī)殼軸承與端蓋不同心、機(jī)殼內(nèi)小粒異物都會(huì)使電機(jī)電流偏高，磁鐵沒磁性、銅線沾錫、電刷針變形短路都會(huì)使電機(jī)短路，空載電流無(wú)窮大。至于為什么要測(cè)堵轉(zhuǎn)電流，是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子在斷線或虛焊時(shí)，電機(jī)空載電流和合格電機(jī)電流沒有區(qū)別，但是其負(fù)載能力會(huì)大大降低，所以檢測(cè)堵轉(zhuǎn)電流相當(dāng)于加了一個(gè)無(wú)窮大的負(fù)載。電機(jī)在虛焊或是斷線時(shí)，其堵轉(zhuǎn)電流會(huì)偏小。即當(dāng)電機(jī)被堵住，內(nèi)部轉(zhuǎn)子，3個(gè)繞組首尾相接呈三角形，連接方式如圖1。

當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電刷針接觸換向器中任意兩點(diǎn)（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(jī)轉(zhuǎn)子有斷線現(xiàn)象，會(huì)使其堵轉(zhuǎn)電流偏小。

（三）方案的確定

由上述分析，確定測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。選擇一個(gè)大功率電源給電機(jī)供電，待空載電流穩(wěn)定后，采集其空載電流，然后堵住電機(jī)，采集堵轉(zhuǎn)電流，將兩次采集的信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大后進(jìn)行處理、比較、判斷。

方案一：控制器選用AT89s51，信號(hào)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(hào)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(wú)法實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)后的全部測(cè)試信息。AT89S51單片機(jī)功能強(qiáng)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(diǎn)偏低，若要求高精度的測(cè)試，不容易實(shí)現(xiàn)。

方案三：選擇Atmeage48作為核心控制器，其自帶AD性能，減少實(shí)際電路中AD轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計(jì)。顯示部分選用LCD，可以實(shí)現(xiàn)文字和數(shù)字信息的顯示，實(shí)現(xiàn)微處理器控制及人機(jī)交互。

三、系統(tǒng)原理及總體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)采用單片機(jī)Atmeage48為控制核心，充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源，減少外部組件達(dá)到簡(jiǎn)化電路，尤其體現(xiàn)在處理器自帶AD性能，減少實(shí)際電路中AD轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計(jì)。整機(jī)電路包括電源模塊、信號(hào)采樣模塊，信號(hào)保持模塊，單片機(jī)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(jì)

1.單片機(jī)ATmega48原理

ATmega48是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega48的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz。

（1）先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

（2）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

（3）外設(shè)特點(diǎn)

兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器

一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器

具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)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(jī)/從機(jī)模式的 SPI串行接口

面向字節(jié)的兩線串行接口

具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)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(diǎn)

上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)

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(gè)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(jī)電路采用的是5V直流電和正負(fù)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(jì)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(jī)供電，一般選擇30W可調(diào)電源， P5為測(cè)試針接口，第2腳接電機(jī)外殼，用于檢測(cè)是否漏電，3、4腳接電機(jī)兩個(gè)引腳，R4為采樣電阻，阻值越小對(duì)測(cè)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(hào)接入單片機(jī).由于LM324具有四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器的核心器件選為L(zhǎng)M324。（如圖6）

4.漏電檢測(cè)模塊

如電機(jī)漏電，外殼為高電平，三極管導(dǎo)通，信號(hào)交由單片機(jī)處理。如圖7所示：

5.LCD顯示電路

考慮到實(shí)用性和通用型的結(jié)合，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)中文漢字（16×16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符的ASCII字符庫(kù)（8×16點(diǎn)陣）及64×256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。為了能夠簡(jiǎn)單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有2MB的中文字型CGROM和64×256點(diǎn)陣的GDRAM繪圖區(qū)域；同時(shí)，該模塊還提供有4組可編程控制的16×16點(diǎn)陣造字空間；除此之外，為了適應(yīng)多種微處理器和單片機(jī)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(jì)

五、總結(jié)

經(jīng)過大量的測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確的檢測(cè)微型直流電機(jī)的好壞，提高了檢測(cè)效率，而且操作簡(jiǎn)單易用，不用專業(yè)檢測(cè)人員進(jìn)行操作，普通工人就能完成，對(duì)于電機(jī)生產(chǎn)廠家，降低了勞動(dòng)成本。但是，本設(shè)計(jì)只是重點(diǎn)說明了會(huì)影響電機(jī)電流變化的不良原因，對(duì)于電機(jī)的不良原因還會(huì)有其他一些情況，如：電刷針變形或油少會(huì)產(chǎn)生噪音；搭配不好 或磁石移位或繞線三槽不對(duì)稱、打結(jié)會(huì)使電機(jī)振動(dòng)量變大；這些因素在電機(jī)出廠前也是也是要檢測(cè)的?？晌覀冎灰斫饬饲懊鎸?duì)電機(jī)電流的檢測(cè)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(hào)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。

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