光機電一體化實訓項目的設計與實踐

李玉芹 李會英

【摘要】在一個單一的情況下電子產品的培訓課程，設計了可以用四種方法實現的一套方法，促進了直流電機的調速控制培訓項目的整合，項目設計主要包括功率驅動、單片機、速度測量、保護電路和傳動機構6部分組成，每個部分都可以用多種方案來實施，激發了學生的興趣和熱情，提高學生的解決工程問題的能力和工程設計能力，起到了舉一反三的作用。

引言

高等教育的一個重要內容是工程訓練，可以提高學生的專業技能，創造思維以及工程方面的實踐能力，只是訓練的內容存在照本宣科單的現象，大部分情況下，課程進行到哪，學生練習到哪，學生個人的直覺思維和想象力未得到充分發揮，僵化了學生的思維，讓學生缺少了一種批判性思維[1]。要主動跟隨社會發展的潮流，了解社會所需，以飽滿的熱情投身對工程師的培訓工作中，以多年的教學經驗為基礎，把對電子工程的培訓作為入手的內容，與社會對工程類專業的需求相結合設計了一套光電、機電一體化技術在直流電機調速控制項目中的應用。該項目具有豐富的內容、合理的邏輯關系、結合經典與先進性，具有良好的可擴展性和靈活性，培養學生的工程意識和工程專業提供了一個綜合能力的有效平臺。

1、基本原理

1.1PWM的調速原理

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為電動機結構參數，φ為各級的磁通量。

從（1）中可得出，電機調速可通過改變U、φ、R的值，通過改變電壓來達到調速的目的，我們使用常用的脈寬調制直流控制技術，通過晶體管的開關特性來改變電壓，固定周期，連接和斷開電源晶體管通過附加控制信號來控制一個周期“斷開”和“接通”的時間長短，改變電機電樞電壓占空比，即通過控制兩端的平均電壓，從而實現控制信號的目的[2]。

1.2整體結構與設計

把P87LPC768作為核心部件來闡述直流電機的工作原理如圖1所示。

（1）單片機

采用了內部復位和片內振蕩的方法來緩解I/O口線緊張的問題。I/O口線緊張的原因是是單片機的20個引腳，不能同時做到控制電機轉速，顯示速度和連接開關的原因導致的。I/O口線需要3個引腳來起到相應的作用。PWM輸出口是由單片機的PWM0（P0.1）口起作用的。

（2）轉速檢測電路

光電傳感器輸出的是電壓信號以此來測量電路，具體方法是：在電機的軸上裝有一個繞在一個圓孔板上的鉆頭，再通過光電傳感器。當電機帶動圓盤轉動，通過盤孔光發射光單元式光電傳感器，或者根據接收單元，實現光電轉換，通過連續的脈沖放大整形可以有相同的頻率的脈沖信號，T1為CPU計數器到脈沖信號的時間，從而計算出實際的高速電機。

（3）功率驅動電路

功率開關器件的橋式電路是指一種功率驅動的采用單電源可逆控制的器件。有幾個選項：A.使用開關性能良好的好功率場效應管，但是比較貴；B.功率晶體管，大的驅動功率才能驅動電路由于HFE直流放大系數太小造成的難以驅動；C，達林頓結構的中、小功率三極管、hFE放大、小的驅動功率就可以達到目的，可以通過單片機直接驅動，價格較低。

（4）LED顯示電路

數碼管顯示電路設計通過四數碼管來顯示動態速度和設制的速度，通過使用掃描軟件和動態掃描顯示模式，占具了11條I/O口線。七個線程是用于段代碼，選擇4根供選擇，由常用的陰極連接。

2、教學實踐

2.1教學思路

在教學過程中，我們緊跟大綱的思路，堅持基礎的理論，基礎技能，基礎知識，把基礎與前沿、集成光直流電機調速控制訓練課程作為可由學生選擇自己的知識覆蓋率的一個綜合項目，學生會利用這一培訓項目的模擬和數字電路的綜合應用、接口技術和主線的單片機原理、電氣驅動控制技術、傳感器技術、機械設計等課程的知識，全面的展示，設計，組裝和調試，培養學生的創新能力和綜合設計能力的教學指導思想[3]。

2.2教學安排和實施過程

教師把這個培訓項目的學生分成若干組，3～4人一組，人員分配要做到每組都有優生和差生，以此來達到共同進步的效果。項目分為2個部分必需和選修，作為必修部分的是速度檢測電路和電機轉速閉環控制和功率驅動電路，其他的為選修部分。

培訓過程中，注重學生使用基本專業課程知識的電子元器件的情況，并結合參閱相關文獻來完成設計，盡一切努力拓展學生的視野，教師的工作是嘗試和促進學生從知識積累轉變到學生的綜合能力。必修也好，選修也罷，都可以嘗試不同的方法來設計功能電路，把學生的興趣放在第一的位置，讓學生自己動手動腦，互相學習，互相促進，為自己的未來職場打下基礎。就當前階段來看，也可以讓學生自由發展，找到適合自己的部分。

把做出功能電路數量作為學生成績的評定依據設計是否具有創新性，是否具有先進性是否具有合理性，要做到電路布置的完整協調性，精確的測試數據和波形，全面認真的實習報告，先讓學生自評互評，得出初步的一個成績，最終的成績由老師來確定。

2.3解決問題實例

部分學生采用H可逆雙極性控制方式來設計功率驅動電路，利用圖中電路，只是在調試過程中，三極管被擊穿冒煙反復發生，我們認真幫助學生分析了原因，三極管處于開關狀態時，集電極電流轉換滯后于標準電壓的變化，以及三極管內部結電容的影響。我們鼓勵學生學會獨立思考，讓他們考慮當上面的三極管截止時，怎樣保證下面的三極管導通，反過來也需要這樣[4]。

結束語

實習中的培訓方案不應是一成不變的、僵硬的、單一的，應該做到舉一反三。條條大路通羅馬，解決問題的辦法也不只一個，讓學生能通過這次實習已達到拓寬視野，積極思考，啟發了思想的目的，形成了認真的工作作風，實事求是的態度，勇與面對失敗和挫折，不斷進取的精神，實現學生的全面發展和提高創新能力。實踐的內容應隨著社會科技水平的發展，不斷更新，動態調整，適應教育教學改革，培養優秀工程師，適應國民經濟發展和技術進步的需要。

參考文獻

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

[2]包松，鮑可進，余景華，基于單片機PID算法的直流電機測控系統[J].微機發展，2013，13（8）：72-74.

[3]曹琳琳，曹巧媛.單片機原理及接口技術[M].長沙：國防科技大學出版社，2014.

[4]項俊等.生物學實驗室課程創新體系的探索[J].實驗室研究與[4]鄭清春等，基于樂高機器人系統的創新設計實驗室開放實踐探索[J].實驗室研究與探索，2010，27（10）：22-

作者簡介

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

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