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光机电一体化实训项目设计与实践 　　摘 要：针对电子实训课程中项目单一情况，设计了一套可用4种方法实现的，光机电一体的直流电机调速控制实训项目，项目设计主要包括单片机、功率驱动、转速测量、LED显示保护电路及传动机构6部分，每部分均可用多种方案实现，在教学实践中激发了学生的兴趣和激情，切实提高了学生的工程设计能力和解决工程问题的能力，起到了四两拨千斤的效果。 　　关键词：工程实训；光机电一体化；电机调速 　　中图分类号：TH-39 文献标识码:A 　　 　　引言 　　工程训练课程是高等教育的一个重要环节，在培养学生的工程实践能力、专业综合能力和创新能力等方面有着其它课程不可代替的作用。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 项目的基本工作原理与设计 　　1.1 PWM直流调速原理 　　我们知道直流电动机转速n可表示如下： 　　n=(U-IR)/kφ （1） 　　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项目的整体结构与设计 　　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)单片机 　　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： 　??fPWM=fc/(CNSW+1) （2） 　　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)转速检测电路 　　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）功率驱动电路 　　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，