面向工程實踐的運動控制系統(tǒng)綜合訓練改革

包廣清，吳延明，楊新華

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

“運動控制課程群”是本科電氣自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的課程體系中內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)且獨立完成電力傳動功能的課程集群，由“電機與拖動”、“電力電子技術(shù)”、“電氣控制”以及“交直流調(diào)速系統(tǒng)”等核心課程組成。運動控制綜合訓練是培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用運動控制課程群各專業(yè)基礎(chǔ)理論、解決運動控制系統(tǒng)實際工程問題的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的理論授課和實踐模式不能較好地解決因課程概念公式繁多、理論抽象、信息量大以及綜合性強等因素帶來的學習困難，尤其是造成了綜合訓練教學理論化甚至形式化的尷尬局面。

近年來，針對運動控制綜合訓練教學改革問題，國內(nèi)外大專院校進行了廣泛探討，提出了特色鮮明且卓有成效的改革方案［1－3］，并充分利用仿真軟件，在理論分析之后對運動控制系統(tǒng)進行仿真分析，使學生直觀地看到系統(tǒng)運行結(jié)果，增強學生對教材內(nèi)容的理解度和認知度［4－6］，另外，以學生為主體、以教師為主導的項目教學法也引起廣泛關(guān)注［7］，通過任務(wù)驅(qū)動，激發(fā)學生進行自主探索和互動協(xié)作的學習狀態(tài)。本文提出面向工程實踐的運動控制綜合訓練方法，并以學院教師所承擔科研項目相關(guān)的風電動模（風力發(fā)電動態(tài)模擬）平臺建設(shè)為典型案例，對項目各環(huán)節(jié)設(shè)計、教學組織實施以及學生學習評估等內(nèi)容進行全面介紹。

1 訓練內(nèi)容規(guī)劃

運動控制系統(tǒng)綜合訓練的目的是使艱澀難懂的理論知識直觀化并具可操作性，需要圍繞知行合一的理念來重構(gòu)訓練的各個環(huán)節(jié)。首先，在時間安排上，可以采取集中或分散2種方式進行，即直接在本科三年級第2學期運動控制系統(tǒng)課程結(jié)束之后的2～3周時間內(nèi)集中完成，或者在不影響常規(guī)課堂教學的前提下，在本科四年級第1學期的10周時間內(nèi)，主要利用開放實驗室在課余時間分散進行，目前國外大學多采用此方式。其次，在科研項目的基礎(chǔ)上凝練綜合訓練內(nèi)容。

近年來，可再生能源發(fā)電技術(shù)研究引起了廣泛關(guān)注，根據(jù)承擔國家自然科學基金項目、甘肅省科技支撐計劃項目以及甘肅省電力科學研究院等項目的相關(guān)科研工作積累，并結(jié)合電氣自動化專業(yè)本科生培養(yǎng)目標，設(shè)計了風力發(fā)電動模系統(tǒng)綜合訓練任務(wù)，如表1所示。該系統(tǒng)能夠進行風力機模擬并實現(xiàn)同步發(fā)電機并網(wǎng)運行，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、隔離變壓器、拖動變頻器、直驅(qū)變流器、永磁同步發(fā)電機、三相異步電動機以及相關(guān)電氣開關(guān)等組成。訓練主要包括理論分析、設(shè)計調(diào)試和運行測試3部分內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)包括控制系統(tǒng)、功率驅(qū)動系統(tǒng)和電動機以及負載機械等環(huán)節(jié)的設(shè)計與搭建，具體包括功率單元的拓撲結(jié)構(gòu)與模塊選擇，電流、電壓與速度等信號檢測，觸發(fā)電路和輔助工作電源設(shè)計，電機專用微控制器、嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及相關(guān)軟件編程學習等，幾乎涵蓋了運動控制系統(tǒng)課程群的所有教學內(nèi)容，表1給出了具體的任務(wù)分配表。整個風電機組模擬系統(tǒng)包括4個子系統(tǒng)，即發(fā)電機變流器系統(tǒng)、風力機模擬系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)。考慮到綜合訓練課程的時間和班級人數(shù)限制，將監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計作為備選內(nèi)容，表1沒有明確說明其功能要求，由學有余力的學生自主設(shè)定并完成。另外在分配過程中，突出個性化整合模式［8］，即學生可根據(jù)自身的興趣、特長和未來發(fā)展方向選擇相關(guān)子系統(tǒng)，這樣更能調(diào)動學生學習的積極性，提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

表1 綜合訓練任務(wù)分配

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計

由圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知，該綜合訓練系統(tǒng)主要體現(xiàn)電氣自動化專業(yè)知識的“四結(jié)合”，即電力與電子線路結(jié)合、模擬與數(shù)字控制結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合，從而實現(xiàn)了運動控制課程群核心內(nèi)容的銜接與整合。

圖1 直驅(qū)式風電動模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)

圖2是直驅(qū)式風電動模系統(tǒng)電氣原理圖，通過主控系統(tǒng)給定變頻器轉(zhuǎn)速，變頻器控制拖動電機旋轉(zhuǎn)來模擬風力機。直驅(qū)機組變流器由機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器2部分構(gòu)成，機側(cè)變流器連接發(fā)電機定子，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)，通過全功率逆變器向電網(wǎng)送電。發(fā)電機產(chǎn)生幅值、頻率均不恒定的交流電，通過機側(cè)變流器整流為直流電，經(jīng)直流支撐電容穩(wěn)壓后輸送至網(wǎng)側(cè)變流器，控制系統(tǒng)通過PWM控制技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和幅值穩(wěn)定的交流電饋入電網(wǎng)［9－10］。主控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的啟動、停機以及按照給定的風速曲線控制系統(tǒng)運行，通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)友好的人機交互。系統(tǒng)控制的運行模式分為自動控制和手動控制2種模式，PLC模塊通過RS485與拖動變頻器通信，并通過RS232與變流器和裝有監(jiān)控軟件的PC機通信，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。

圖2 直驅(qū)式風電動模系統(tǒng)電氣原理圖

2.2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)額定容量10kVA，電網(wǎng)頻率允許變化范圍47.5～51.5Hz，電網(wǎng)電壓允許變化范圍380±5%V，電網(wǎng)電壓允許諧波畸變率＜2%，電網(wǎng)電壓允許不對稱度≤2%（負序分量對正序分量的百分比），變流器額定電流15A，最大連續(xù)操作直流電壓750V，額定連續(xù)直流電壓700V，功率模塊電壓等級1 200V，開關(guān)頻率5 kHz，采用強制風冷的冷卻方式。發(fā)電機測速采用線數(shù)為1024的增量型脈沖編碼器，雙絞屏蔽線，通過推挽式差分信號實現(xiàn)碼盤信號傳輸。電機部分技術(shù)參數(shù)為：拖動電機22kW，額定電壓380V，2對極；永磁發(fā)電機12kW，轉(zhuǎn)速范圍：0～200r／min，環(huán)境空氣溫度－5～＋40℃，絕緣等級F級，強制風冷，連續(xù)工作制；齒輪箱變比為8.39∶1。

圖3是樣機實驗系統(tǒng)實物圖，監(jiān)控系統(tǒng)基于Windows平臺開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)拖動電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、有功功率、無功功率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流以及發(fā)電機定子的電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控。

3 運行與測試

圖3 樣機系統(tǒng)實物圖

在完成系統(tǒng)設(shè)計與搭建的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)實驗，主要測試系統(tǒng)在啟動、停機、加載、減載及額定運行條件下的關(guān)鍵參數(shù)波形及系統(tǒng)運行性能，測試儀器主要有：泰克DPO3014示波器、FLUKE i200s電流鉗、泰克P5200差分探頭、FLUKE218c萬用表、CA8335電能質(zhì)量分析儀等。圖4是啟動過程中網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形、發(fā)電機定子電流波形。直流母線電壓波形采用預充電控制，避免了因電壓變化造成的功率元件損壞。圖5是系統(tǒng)額定運行時的網(wǎng)側(cè)電壓、電流和定子電流，具有較好的正弦度，與仿真結(jié)果吻合。在圖5的基礎(chǔ)上圖6中給出定子電壓波形，能夠看出功率元件的調(diào)制作用，同時定子電壓與電流相位一致。通過電能質(zhì)量分析儀對系統(tǒng)饋入電網(wǎng)的能量進行測試，結(jié)果顯示變流器網(wǎng)側(cè)電流THD＝2.8%＜5%，功率因數(shù)0.98，完全符合風電入網(wǎng)要求，說明該模擬系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換功能。

圖4 系統(tǒng)啟動實驗波形

圖5 電網(wǎng)側(cè)額定運行波形

圖6 發(fā)電機側(cè)額定運行波形

由于傳統(tǒng)教學的課程實驗內(nèi)容相對獨立，且以驗證性實驗為主，學生通常很少有機會能夠系統(tǒng)、完整地參與綜合性工程項目的設(shè)計與測試［11］，因此，本系統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)在提高學生動手能力的同時，可以實現(xiàn)與有關(guān)職業(yè)資格考試或未來職業(yè)崗位的有機銜接。

4 學習評估

運動控制系統(tǒng)綜合訓練是電氣自動化專業(yè)的核心課程之一，主要涵蓋了電力電子技術(shù)、自動控制原理、電機學、計算機控制技術(shù)和軟件工程等學科知識，是一門將基礎(chǔ)理論與專業(yè)軟件應(yīng)用于工程實踐的典型課程，既有完整的理論體系，又有很強的實踐性［12－13］。

通過對我校2010級電氣專業(yè)三年級本科生采取分散式教學實踐，在學期末進行綜合訓練教學評估。主要從知識銜接、綜合創(chuàng)新、團隊協(xié)作以及職業(yè)技能提升等幾方面，對一個自然班共計30位學生展開問卷調(diào)查。在表2評估結(jié)果中，評估等級采用五級分制，5分表示完全贊同，0分表示堅決反對。從表2看出，以工程項目為導向，從系統(tǒng)設(shè)計與搭建、綜合創(chuàng)新、仿真分析、運行與測試、成果總結(jié)與提升等幾方面，能夠較好激發(fā)學生的學習熱情。同時，對低年級學生也提出了更高要求，只有在前期課程學習中打下堅實基礎(chǔ)，才能在綜合訓練中取得預期效果。

表2 學生對綜合訓練學習評價調(diào)查

在風電機組動模系統(tǒng)中，風力機模擬與發(fā)電機并網(wǎng)控制是整個系統(tǒng)的核心，其所依托的理論和技術(shù)基礎(chǔ)并不限于運動控制系統(tǒng)，而是形成了機械、電子、材料等多學科滲透、交叉甚至融合的現(xiàn)象，通過本系統(tǒng)綜合訓練，在拓寬專業(yè)知識面的同時，有助于提高學生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)適應(yīng)能力。同時，把科研成果融入訓練過程，推動實踐教學向高、深層次發(fā)展也是大學本科教學發(fā)展的必由之路。

5 結(jié)束語

近年來，國際風電技術(shù)已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展，我國甘肅酒泉風電基地正在向千萬千瓦級邁進。通過基于風電動模系統(tǒng)的綜合訓練過程，有助于學生深入理解風電系統(tǒng)的機電能量轉(zhuǎn)換過程，也為今后更好地利用地區(qū)風能資源、推進風電技術(shù)攻關(guān)以及風電機組運行維護人才培養(yǎng)等奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等多個領(lǐng)域，是現(xiàn)代社會發(fā)展的重要支柱之一。如何合理、有效、經(jīng)濟地利用電能，提高勞動生產(chǎn)率，將對運動控制系統(tǒng)相關(guān)理論的學習繼承和創(chuàng)新設(shè)計提出更高要求。

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