“運動控制系統(tǒng)”課程實踐教學(xué)模式的探討

李新德，孫家明

(東南大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096)

“運動控制系統(tǒng)”課程是自動化專業(yè)學(xué)生本科階段的一門主要專業(yè)課。這門課程可以讓學(xué)生對“數(shù)字電路”、“模擬電路”、“單片機”、“自動控制原理”和“電機學(xué)”等課程進行一次很好的整合和升華，從而真正建立起系統(tǒng)的概念。

為了改進其教學(xué)效果可以采用改變課堂的授課方式，通過引入多媒體教學(xué)及Matlab等仿真工具。如對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，讓學(xué)生看到不同的PID參數(shù)時電機轉(zhuǎn)速和電流的變化曲線[1]。

本文以“運動控制系統(tǒng)”課程的課外實踐環(huán)節(jié)為切入點，結(jié)合我院的實踐教學(xué)經(jīng)驗，對學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式進行探討。

1 實踐內(nèi)容選擇

“運動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容主要分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩個部分。直流調(diào)速部分主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和以全控型功率器件為主的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等內(nèi)容;交流調(diào)速部分主要包括基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型的調(diào)速系統(tǒng)，以及串級調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且?guī)缀醢艘粋€控制系統(tǒng)所有的要素，所以一直是本科學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗的經(jīng)典對象[2]。本文探討的教學(xué)實踐模式主要以運動控制實驗室的多功能教學(xué)實驗系統(tǒng)為平臺，讓學(xué)生自己動手設(shè)計和制作一套全數(shù)字直流電機雙閉環(huán)調(diào)速裝置。

圖1是由微處理器控制的直流電機雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖[3]。要想完成這樣一個系統(tǒng)，學(xué)生需要掌握以下知識:微處理器(單片機)系統(tǒng)的制作和編程;直流電動機的工作原理和PWM控制方法;整流電路和驅(qū)動橋的制作。此外，學(xué)生還需要掌握電壓、電流傳感器的使用和故障處理方面的知識。這么多的專業(yè)基礎(chǔ)知識要能結(jié)合起來應(yīng)用，最終構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)并能正常工作。為此要對系統(tǒng)進行分割，以各個相對獨立的模塊分配給多名學(xué)生來共同完成。

圖1 直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將圖1所示的直流調(diào)速系統(tǒng)分為三大部分:①以單片機為核心的數(shù)字控制電路;②三相整流和H型橋電路;③驅(qū)動和保護電路。其中，驅(qū)動和保護電路涉及問題多，難度較高，因此需要兩名硬件基礎(chǔ)較好的學(xué)生來完成;單片機數(shù)字控制電路，由于涉及到硬件設(shè)計和軟件編程，同樣需要兩名學(xué)生配合完成。

基于上述分工要求，可以將選擇“運動控制系統(tǒng)”課程的學(xué)生以5～6人為單位分組，各小組長負(fù)責(zé)組員之間的協(xié)調(diào)和交流。實驗室教師負(fù)責(zé)制定課題和要求，以及把握各個小組完成目標(biāo)的進度[4]。

2 實踐環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)

全數(shù)字直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以AT89S52單片機為控制核心，配合外圍電路，包括液晶顯示電路、轉(zhuǎn)速和電流檢測電路和看門狗電路等共同組成控制電路。控制電路根據(jù)產(chǎn)生PWM波形控制H型橋電路，控制直流電動機的電樞電壓，實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速的目的。H型橋驅(qū)動電路主要由驅(qū)動芯片IR2110和4個IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)組成，并有過流保護的功能。整個系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)連接圖

每個小組內(nèi)的學(xué)生通過分工協(xié)作，完成直流調(diào)速系統(tǒng)中的各個功能模塊。他們對各個模塊進行單獨調(diào)試，最后完成整個直流調(diào)速系統(tǒng)的搭建和調(diào)試。在這個過程中，容易出現(xiàn)信號匹配等問題。學(xué)生應(yīng)盡可能通過自己研究和相互討論加以解決，對于難以解決的問題向教師尋求幫助。

學(xué)生在完成實踐環(huán)節(jié)之后，以小組為單位進行成果展示和交流，作為最后的考核。每個小組的學(xué)生都要上臺介紹自己在小組中承擔(dān)的任務(wù)和完成的情況。教師以答辯的形式對各個小組進行考察，綜合每個學(xué)生的完成情況和答辯表現(xiàn)給出成績。

3 總結(jié)

本文對“運動控制系統(tǒng)”課程的實踐環(huán)節(jié)進行了教學(xué)模式方面的探討，主要針對本課程的特點重新設(shè)計了課外實踐的方案和實現(xiàn)方法，使學(xué)生擺脫了在實驗中只能看不能動的現(xiàn)狀。這種實踐教學(xué)模式的實施和不斷完善能夠真正提升學(xué)生的學(xué)科綜合能力，也使得“運動控制系統(tǒng)”課程的價值得到了充分的發(fā)揮。

[1]韓谷靜，吳雨川，秦 亮，胡 釙.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)模式研究[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33:125-127

[2]李新德，郝立，孟正大，戴先中.“電力拖動與運動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探討[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(6):94-95

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].上海:機械工業(yè)出版社，2008:40-155

[4]陳桂，汪木蘭.《電力拖動控制系統(tǒng)》教改探索和實踐[J].北京:中國現(xiàn)代教育裝備，2005，7:23-26