光机电一体化实训项目的设计与实践

李玉芹 李会英

【摘要】在一个单一的情况下电子产品的培训课程，设计了可以用四种方法实现的一套方法，促进了直流电机的调速控制培训项目的整合，项目设计主要包括功率驱动、单片机、速度测量、保护电路和传动机构6部分组成，每个部分都可以用多种方案来实施，激发了学生的兴趣和热情，提高学生的解决工程问题的能力和工程设计能力，起到了举一反三的作用。

引言

高等教育的一个重要内容是工程训练，可以提高学生的专业技能，创造思维以及工程方面的实践能力，只是训练的内容存在照本宣科单的现象，大部分情况下，课程进行到哪，学生练习到哪，学生个人的直觉思维和想象力未得到充分发挥，僵化了学生的思维，让学生缺少了一种批判性思维[1]。要主动跟随社会发展的潮流，了解社会所需，以饱满的热情投身对工程师的培训工作中，以多年的教学经验为基础，把对电子工程的培训作为入手的内容，与社会对工程类专业的需求相结合设计了一套光电、机电一体化技术在直流电机调速控制项目中的应用。该项目具有丰富的内容、合理的逻辑关系、结合经典与先进性，具有良好的可扩展性和灵活性，培养学生的工程意识和工程专业提供了一个综合能力的有效平台。

1、基本原理

1.1PWM的调速原理

在这里U是电枢端电压，R为电枢电路总电阻，I为电枢电流，k为电动机结构参数，φ为各级的磁通量。

从（1）中可得出，电机调速可通过改变U、φ、R的值，通过改变电压来达到调速的目的，我们使用常用的脉宽调制直流控制技术，通过晶体管的开关特性来改变电压，固定周期，连接和断开电源晶体管通过附加控制信号来控制一个周期“断开”和“接通”的时间长短，改变电机电枢电压占空比，即通过控制两端的平均电压，从而实现控制信号的目的[2]。

1.2整体结构与设计

把P87LPC768作为核心部件来阐述直流电机的工作原理如图1所示。

（1）单片机

采用了内部复位和片内振荡的方法来缓解I/O口线紧张的问题。I/O口线紧张的原因是是单片机的20个引脚，不能同时做到控制电机转速，显示速度和连接开关的原因导致的。I/O口线需要3个引脚来起到相应的作用。PWM输出口是由单片机的PWM0（P0.1）口起作用的。

（2）转速检测电路

光电传感器输出的是电压信号以此来测量电路，具体方法是：在电机的轴上装有一个绕在一个圆孔板上的钻头，再通过光电传感器。当电机带动圆盘转动，通过盘孔光发射光单元式光电传感器，或者根据接收单元，实现光电转换，通过连续的脉冲放大整形可以有相同的频率的脉冲信号，T1为CPU计数器到脉冲信号的时间，从而计算出实际的高速电机。

（3）功率驱动电路

功率开关器件的桥式电路是指一种功率驱动的采用单电源可逆控制的器件。有几个选项：A.使用开关性能良好的好功率场效应管，但是比较贵；B.功率晶体管，大的驱动功率才能驱动电路由于HFE直流放大系数太小造成的难以驱动；C，达林顿结构的中、小功率三极管、hFE放大、小的驱动功率就可以达到目的，可以通过单片机直接驱动，价格较低。

（4）LED显示电路

数码管显示电路设计通过四数码管来显示动态速度和设制的速度，通过使用扫描软件和动态扫描显示模式，占具了11条I/O口线。七个线程是用于段代码，选择4根供选择，由常用的阴极连接。

2、教学实践

2.1教学思路

在教学过程中，我们紧跟大纲的思路，坚持基础的理论，基础技能，基础知识，把基础与前沿、集成光直流电机调速控制训练课程作为可由学生选择自己的知识覆盖率的一个综合项目，学生会利用这一培训项目的模拟和数字电路的综合应用、接口技术和主线的单片机原理、电气驱动控制技术、传感器技术、机械设计等课程的知识，全面的展示，设计，组装和调试，培养学生的创新能力和综合设计能力的教学指导思想[3]。

2.2教学安排和实施过程

教师把这个培训项目的学生分成若干组，3～4人一组，人员分配要做到每组都有优生和差生，以此来达到共同进步的效果。项目分为2个部分必需和选修，作为必修部分的是速度检测电路和电机转速闭环控制和功率驱动电路，其他的为选修部分。

培训过程中，注重学生使用基本专业课程知识的电子元器件的情况，并结合参阅相关文献来完成设计，尽一切努力拓展学生的视野，教师的工作是尝试和促进学生从知识积累转变到学生的综合能力。必修也好，选修也罢，都可以尝试不同的方法来设计功能电路，把学生的兴趣放在第一的位置，让学生自己动手动脑，互相学习，互相促进，为自己的未来职场打下基础。就当前阶段来看，也可以让学生自由发展，找到适合自己的部分。

把做出功能电路数量作为学生成绩的评定依据设计是否具有创新性，是否具有先进性是否具有合理性，要做到电路布置的完整协调性，精确的测试数据和波形，全面认真的实习报告，先让学生自评互评，得出初步的一个成绩，最终的成绩由老师来确定。

2.3解决问题实例

部分学生采用H可逆双极性控制方式来设计功率驱动电路，利用图中电路，只是在调试过程中，三极管被击穿冒烟反复发生，我们认真帮助学生分析了原因，三极管处于开关状态时，集电极电流转换滞后于标准电压的变化，以及三极管内部结电容的影响。我们鼓励学生学会独立思考，让他们考虑当上面的三极管截止时，怎样保证下面的三极管导通，反过来也需要这样[4]。

结束语

实习中的培训方案不应是一成不变的、僵硬的、单一的，应该做到举一反三。条条大路通罗马，解决问题的办法也不只一个，让学生能通过这次实习已达到拓宽视野，积极思考，启发了思想的目的，形成了认真的工作作风，实事求是的态度，勇与面对失败和挫折，不断进取的精神，实现学生的全面发展和提高创新能力。实践的内容应随着社会科技水平的发展，不断更新，动态调整，适应教育教学改革，培养优秀工程师，适应国民经济发展和技术进步的需要。

参考文献

[1]浦龙梅，杨增强.单片机控制的PWM调速装置的研究[J].电子技术，2012，（2）：37-39.

[2]包松，鲍可进，余景华，基于单片机PID算法的直流电机测控系统[J].微机发展，2013，13（8）：72-74.

[3]曹琳琳，曹巧媛.单片机原理及接口技术[M].长沙：国防科技大学出版社，2014.

[4]项俊等.生物学实验室课程创新体系的探索[J].实验室研究与[4]郑清春等，基于乐高机器人系统的创新设计实验室开放实践探索[J].实验室研究与探索，2010，27（10）：22-

作者简介

李玉芹：女，（1964.1），籍贯：河北保定，学历：大本，副教授，研究方向：教育教学。

李会英，女，（1980—03），石家莊市灵寿县人，本科，高讲，研究方向：机电一体化方向。