直流电机调速控制实训项目的设计

直流电机调速控制实训项目的设计

电子工程实训项目设计工程培训课程是高等教育的重要组成部分。在学生的工程实践技能、综合专业技能和创新能力方面，它可以取代其他课程。但实训内容较为单一刻板存在着照本宣科,依葫芦画瓢的现象,多数情况下学生只是跟着教学进度进行练习而已,学生个人的想象力和直觉思维没有开发出来,不善于质疑、批判并超越教师和书本。为主动适应当代社会对人才的需求,主动衔接“卓越工程师教育培养计划”,本文通过多年教学实践,试图从电子工程实训项目的内容出发,设计了一种集光、机、电技术于一体的直流电机调速控制实训项目。项目内容丰富,合理并具有层次性,注重经典与先进性相结合,有较好的灵活性和拓展性,为培养学生的工程意识和工程综合能力提供了一个行之有效的载体。1项目的基本工作原则和设计1.1dm直流控制主要参数设计我们知道直流电动机转速n可表示如下:式(1)中U为电枢端电压,I为电枢电流,R为电枢电路总电阻,φ为每级磁通量,k为电动机结构参数。从式中可知,改变U、φ、R等变量都可达到电机调速的目的,但最方便有效的调速方法是对电枢电压U进行控制。本文采用经典的脉宽调制PWM直流控制技术,利用晶体管的开关特性对电压进行调制,按一个固定的周期来接通与断开功率晶体管,并根据外加控制信号来改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短,使加在电动机电枢的电压占空比改变,即改变电枢两端平均电压大小,从而达到控制PWM信号。在实训过程中,产生PWM信号有4种方法可供学生选择:a、分立元件组成的PWM信号发生器。成本低、原理清晰,但电路复杂、调试难度大。b、采用专用PWM集成电路,电路简单、性能好,但成本较高。c、软件模拟法,利用8051单片机的I/O口,通过软件对该引脚输出高低电平来实现PWM波。这种方法需占用CPU的大量资源,编程复杂,使得单片机的工作效率大为降低。d、利用新一代单片机自带的PWM口,通过控制单片机的初始化设置,使其自动产生占空比可变的PWM,只有在改变脉冲宽度时,CPU才进行干预,该方法控制直流电动机转速简单、可靠。2.2项目的全球结构和设计我们以自带PWM口的P87LPC768单片机为核心部件进行阐述,光机电一体化直流电动机调速控制实训项目的整体结构如图1所示。(1)tm输出口设计选用P87LPC768,由于单片机只有20个引脚,既要控制电机的速度,又要显示转速,还要连接四个按钮开关。I/O口线比较紧张,因此采用了片内振荡和内部复位,使其对应的3个引脚可作为I/O口线使用。单片机的PWM0(P0.1)口作为PWM输出口。本实训项目主要采用P87LPC768的一路PWM输出,PWM输出主要由一个10位的输出频率相关寄存器CNSW及一个10位的脉冲宽度寄存器CPSW组成。根据需要设置CNSW的值,可得到PWM的输出频率:设置CPSW的值,可得到PWM的脉冲宽度。对运行的电机而言,各种不同的CPSW值就是各种不等的电压。(2)射型光电传感器采用光电传感器测速电路。即在电机的转轴上加装一个圆盘,沿圆盘周边均匀开一圈小孔,再通过对射型光电传感器。当电机带动圆盘转动时,对射型光电传感器上的发射单元发射的光线通过圆盘上的透光孔,交替地照射到接收单元,完成光电转换,经放大整形可得相同频率的连续脉冲,将脉冲信号送到CPU的计数器T1,计算出电机的实际转速。(3)功率特性分析功率驱动采用单电源可逆控制方式,一般采用由功率开关器件组成的H型桥式电路。有以下几种选择:a.采用功率场效应管,开关性能好,但价格较高;b.采用大功率三极管,但因直流放大系数hFE太小,需驱动的功率较大;c.采用中、小功率的三极管连接成达林顿结构,hFE较大,驱动功率较小,可由单片机直接驱动,且价格适中。电路如图2所示,其特点是在一个周期内V12、V13与V23、V24和V21、V22与V15、V16两组达林顿管交替导通,改变一个周期内两组达林顿管导通时间的长短,就可实现对电机转速和转动方向的控制,开关频率可调至25kHz左右。(4)动态扫描显示方式数码管显示电路设计4位数码管来显示设定转速和动态转速,采用动态扫描显示方式,主要采用软件扫描,占用了11条I/O口线。其中7根线用于段码的选择,4根用于位选择,LED采用共阴极接法。(3)机械模型及机构电机的运行根据需要由四个按钮开关进行控制,单片机采用中断扫描方法读取按钮信号,它们的功能分别是启动/停止键、正转/反转键、定时键、转向键。其中转向键还可以使电机循环定时转向。本项目采用乐高(LEGO)机器人传动结构组件构建减速齿轮,曲柄连杆等机械机构安装在电机转轴上进行动态演示。至于对过电压、欠电压和过电流保护电路的实现方法,相关文献介绍较多,在此不作赘述。3教育实践3.1课外与课内的有机结合根据电子实训课程教学大纲的要求,我们在教学实践中始终坚持重基础知识,重基本理论,重基本技能的教育,实现了基础与前沿,经典与现代,课外与课内的有机结合(4)。光机电一体化直流电机调速控制实训项目是可供学生自主选择的知识覆盖面较全面的项目之一,学生利用这一实训项目综合运用模拟和数字电路,单片机原理及接口技术,传感器技术和电力传动控制技术,机械机构设计等课程的知识,对其进行综合论证、设计、组装和调试,达到培养学生的综合设计和创新能力为主线的教学指导思想。3.2作用电路的设计学习学生选择本实训项目后,老师把学生分成若干个小组,每组人数3~4人,若发现优生和差生有扎堆现象,需做出适当调整,以促进学生互相学习和项目的完成。项目分为必修和选修两部分,必修部分是电机转速闭环PWM控制和功率驱动电路以及转速检测电路,其它为选修部分。对于必修部分,老师从电动机转速闭环PWM控制原理入手,从转速检测(FG),频率/电压转换器(f/v),基准三角波发生器,PWM调速以及功率驱动电路的组成、工作原理和设计思想进行详尽的讲解和解剖,电路组成如图3所示。实训过程中,着重启发学生利用基础专业课程中学过的元器件知识,并结合查阅相关资料完成设计,力求拓展学生的视野,教师的工作是努力促成学生从知识积累向综合能力的转化。无论是必修部分还是选修部分,每一个功能电路都可以用不同的方案去进行设计,把学生的兴趣爱好置于核心地位,鼓励主动探究,为其个性发展创造条件,使得不同层次,不同基础的学生都可以找到自己的角色。学生实训成绩评定,主要依据在设计和制作本项目的过程中,能做出多少功能电路,方案设计的先进性及合理性,是否具有独到创新之处,电路布局规范程度,测试数据和波形的准确性,实习报告是否全面完整,先由各组学生自评和互评,最终由老师综合考评确定实训成绩。3.3导通时,学生因结电容效应造成的错误,也开始出现导通在设计功率驱动电路时有的学生决定采用H型可逆双极性控制方案,使用了如图2所示的电路,但在通电调试过程中,屡屡发生三极管被击穿冒烟的情况,这是由于三极管工作在开关状态,集电极电流的变换滞后于基极电压的变化,三极管内部存在结电容效应而造成的。我们启发学生,在上面三极管导通时,如何保证下面三极管截止,反之亦然。大家开动脑筋,反复琢磨,终于有了方案,引入如图2所示的XY和NM两条导线,其原理是,当三极管V12和V15的基极为高电平时,V12和V13饱和导通,V15和V16截止,V15的发射极电位比基极高0.7V,反之亦然,从而保证了在同一时刻上下两组三极管只能有一组导通,相当于自锁。问题解决后,电机运行始终正常,使学生对三极管的特性有了更加深刻的理解。领悟到了基础理论的重要性。整个教学过程中我们始终强调工程设计,处理方法以及工程实践中实际问题的解决。同学们感悟颇深,从课堂上学来的知识往往不是很深刻,只有从实践中带着问题学到的东西才说得上记忆深刻,真知灼见。提升综合素质和创新能力,提高综合素质和创新能力全面提高工程训练实践教学中的实训项目不应是固定的、单一的、封闭