“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”教學(xué)方法探討

林 立，唐 杰，邱雄邇

(邵陽學(xué)院電氣工程系，湖南 邵陽 422000)

“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”課程的知識(shí)面寬，綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)，如何改革該課程的教學(xué)方法顯得十分必要[1-2]。本課程集成了電力電力技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電力拖動(dòng)、信息電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、程序設(shè)計(jì)、微處理器、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真等基礎(chǔ)學(xué)科課程的內(nèi)容[3-4]。其系統(tǒng)化和綜合化程度比較高，涵蓋了自動(dòng)化專業(yè)最主要的知識(shí)點(diǎn)。

“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”課程分為“電力電子”和“運(yùn)動(dòng)控制”兩個(gè)體系。“電力電子”體系內(nèi)容一般講述電力電子器件、驅(qū)動(dòng)電路、四種基本電力電子電路及其組合應(yīng)用電路和幾種控制技術(shù);“運(yùn)動(dòng)控制”體系內(nèi)容包括直流調(diào)速部分、交流調(diào)速部分和伺服系統(tǒng)部分三大塊。

1 以工程項(xiàng)目應(yīng)用分析課程

實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的有效控制，對(duì)于提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)效益意義重大。現(xiàn)代電梯的控制采用PLC+變頻器+電機(jī)+轎廂系統(tǒng)，用到交、直流調(diào)速的理論知識(shí)和實(shí)用技術(shù);軌道交通都用到了高性能交流調(diào)速的知識(shí);新能源電動(dòng)汽車和電動(dòng)摩托車的推廣使用越來越普遍。新能源風(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)是雙饋電機(jī)的串級(jí)調(diào)速;高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件-主軸電機(jī)和控制器，其核心技術(shù)為電機(jī)的控制;這些工程項(xiàng)目應(yīng)用中涉及到的控制系統(tǒng)其本質(zhì)都是電力電子及運(yùn)動(dòng)控制的具體應(yīng)用。上述的諸多實(shí)例無一不在應(yīng)用著“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”課程的精髓。我們通過對(duì)以上典型系統(tǒng)的分析，可使得學(xué)生清楚意識(shí)到我們生活中廣泛應(yīng)用著電力電子技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的知識(shí)，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知愿望。

2 發(fā)揮Matlab在教學(xué)中的作用

1)課堂上建立仿真模型進(jìn)行仿真分析

我們?cè)谡n堂上利用Matlab/Simulink，搭建基本電力電子電路及其組合電路仿真模型、電機(jī)仿真模型、直流電機(jī)及異步電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型、直流電機(jī)單閉環(huán)及雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型、逆變器或變頻器控制系統(tǒng)仿真模型、異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型等。

然后，運(yùn)行搭建的仿真模型，通過觀察仿真曲線，一方面驗(yàn)證理論分析的正確性，另一方面加深對(duì)理論分析的理解和掌握，同時(shí)也為學(xué)生提供了一種重要的科研方法，也為課后布置大作業(yè)提供了示范。

2)課外布置仿真大作業(yè)

我們根據(jù)課堂上的理論分析、仿真模型建立和運(yùn)行分析，針對(duì)課程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，聯(lián)系工程項(xiàng)目實(shí)際背景提出一些研究專題，以仿真大作業(yè)的形式布置給學(xué)生。通過課上講授與課外研究專題的有機(jī)結(jié)合，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的主動(dòng)性。

3)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)

我們將系統(tǒng)仿真技術(shù)引入到課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中來，不僅可以使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高，而且可以讓學(xué)生檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)結(jié)果是否正確。

4)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

TMS320F2812 DSP是“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”很好的硬件支撐平臺(tái)，但傳統(tǒng)的DSP代碼開發(fā)周期較長，效率不高。Matlab公司的Embedded Target for TI C2000 DSP可解決上述問題。用戶通過使用該模塊，不僅可以進(jìn)行電路的系統(tǒng)級(jí)仿真，還可編譯生成相應(yīng)的C語言代碼，進(jìn)行算法的探索與設(shè)計(jì)思路的驗(yàn)證。我們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合通用型變頻器設(shè)計(jì)，以三相異步電動(dòng)機(jī)的VVVF結(jié)合SVPWM控制算法的開環(huán)控制系統(tǒng)為例，引導(dǎo)學(xué)生掌握Matlab/Simulink平臺(tái)上DSP代碼開發(fā)的設(shè)計(jì)流程。

3 豐富課程教學(xué)體系

很多教材在交流調(diào)速部分只介紹變頻器的算法，很少提及變頻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。我們?cè)诮虒W(xué)過程中介紹了幾種當(dāng)前比較先進(jìn)的變頻器，如ABB、西門子和三菱等公司的應(yīng)用實(shí)例等。變頻器與PLC的有機(jī)結(jié)合，可解決恒壓供水系統(tǒng)、高樓電梯系統(tǒng)的控制難點(diǎn)，PLC也可以和直流電機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，開展直流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器的設(shè)計(jì)，可以擴(kuò)充運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)體系和工程實(shí)際應(yīng)用。

4 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

理論分析使得學(xué)生掌握了基本原理，仿真實(shí)驗(yàn)深化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的的進(jìn)一步了解，但還必須增加實(shí)際硬件裝置實(shí)驗(yàn)，以彌補(bǔ)理論教學(xué)和仿真教學(xué)的不足。通常在高校中采用DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置能按照不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更換附屬的掛件箱，以搭建不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還可與電腦聯(lián)機(jī)方便地觀察各種實(shí)驗(yàn)曲線。學(xué)生在學(xué)過相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)后，便可在實(shí)驗(yàn)裝置上及時(shí)動(dòng)手做與此內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)線路搭建、調(diào)試與故障排查等。

為進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，可以利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，進(jìn)行開放式綜合實(shí)訓(xùn)。在實(shí)訓(xùn)中由教師出題目或者學(xué)生自擬題目，提供學(xué)生一些基本的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生進(jìn)行電力電子技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、Matlab仿真、搭建與調(diào)試相應(yīng)的硬件電路。

4 結(jié)語

本文就“電力電子及運(yùn)動(dòng)控制”課程的特點(diǎn)、知識(shí)體系進(jìn)行了分析，結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際背景和現(xiàn)代教學(xué)手段，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)方法的探討，并在實(shí)際的教學(xué)中不斷改進(jìn)和完善，取得了較好的教學(xué)效果。

[1]李新德，郝立，孟正大，等.電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)方法探討[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(6):94-95

[2]楊靜，黃江平，楊輝，等.“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9):62-64

[3]姬宣德.MATLAB在《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].天津:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(3):156-158

[4]尚麗，淮文軍.基于Matlab/Simulink和GUI的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010.29(6):66-71