多課程共享實驗平臺的探索

霍 凱，楊江天，劉玉琳

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044）

多課程共享實驗平臺的探索

霍 凱，楊江天，劉玉琳

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044）

針對教學實驗資源缺乏、實驗設備使用率較低這一問題，分析了系列課程對教學實驗的需求，提出了改造既有實驗設備、開發新實驗項目、搭建共享實驗平臺的解決方案。結合課程具體實驗內容和要求，明確實驗項目、確定實驗平臺改造方案、編寫實驗指導書并應用于教學。該共享實驗平臺可支撐多門課程教學實驗，實現了跨專業多課程實驗設備共享的目的，為實驗資源共享提出一條新的思路。

多課程；共享實驗平臺；實驗項目

目前，現有實驗設備大多支持單門課程教學實驗任務，個別實驗設備可以完成幾門課程的相近實驗項目。除了一些基礎課實驗室實驗設備利用率較高外，其他類型實驗室及實驗設備利用率不高是當前許多高校實驗室的現狀［1－6］。在資源有限的情況下，提高實驗室房屋及實驗設備的使用效率、通過對原有實驗設備升級改造、為系列課程提供實驗支撐、實現多課程共享實驗平臺是一種有效解決方法。一方面可以緩解實驗設備緊缺的現狀，更主要的是解決了在空間極度緊張的情況下還需增加設備的難題。

1 課程實驗需求

機械工程實驗中心軌道車輛實驗室現有動車牽引、制動、室內環境、受電弓、門控單元及集便系統等實驗設備，能夠實現相應原理演示。其中，動車組傳動實驗臺還能模擬動車組傳動過程，實現傳動控制，示意主要監測參數如電壓、電流、轉速等的測量方法和測點位置，主要開設包括晶閘管直流調速系統參數和直流電動機機械特性測定、雙閉環三相異步電動機調壓調速系統、異步電動機SPWM與電壓空間矢量變頻調速系統、基于DSP的矢量變換控制與直接轉矩控制變頻調速系統等實驗項目。測控技術與儀器專業開設“機電信號分析”及“機械故障診斷”課程多年，因沒有相應實驗設備，該門課程實驗主要通過軟件仿真實現，任課教師一直呼吁購置實驗設備，為離散信號生成與離散卷積計算、快速傅里葉變換及FIR濾波器設計等實驗提供試驗數據。

針對其他專業有需求，軌道車輛實驗室有設備的情況，提出研發改造動車組傳動實驗臺，增加齒輪箱、傳感器等，采用現代檢測技術，開發扭振測試實驗項目等，支持測控技術與儀器專業學科建設，同時也可將該實驗項目應用于“軌道車輛檢測技術”和“軌道車輛檢測綜合實踐”等課程，擴大受益學生面。這些實驗項目可在實驗室更加真實地演示動車組傳動工況，同時為開發扭振測試實驗提供檢測平臺，為動車組工況監測與故障診斷等奠定基礎，也可應用于動車組培訓。

2 實驗平臺設計

在分析“機電信號分析”、“自動檢測技術”及“機械故障診斷”等課程內容和教學大綱基礎上，提出了轉速及相位檢測、電樞電流采集和扭振測試等實驗項目，結合原有實驗設備提出改造方案。

2．1 實驗平臺

在軌道車輛實驗室已經有的動車組傳動實驗臺基礎上，增加了二級齒輪箱、電流互感器、加速度傳感器和轉速傳感器等。實驗臺新增部分如圖1所示。實驗臺中三相異步電機在變頻器的驅動下調整轉速，經二級齒輪箱傳動輸出，輸出軸連接直流發電機，發出的電能由電阻箱轉換成熱能。實驗臺上互感器測量異步電機電樞電流；加速度傳感器測量齒輪箱振動；在電機軸和齒輪箱輸出軸上分別安裝碼盤測量轉速及相位。輸出信號經數據采集卡輸入計算機，計算機通過串行通信接口連接變頻器，控制電機轉速。由于增加了二級齒輪傳動，動態載荷增加，傳動系統的扭轉振動將大大增強，提高了扭振測試的可行性。

圖1 共享實驗平臺新增部分示意圖

2．2 測齒法測量扭振

扭振測量一般采用“測齒法”［79］，借助安裝在軸上的碼盤、齒輪或其他等分機構，通過測量角速度的不均勻性實現扭振測量。當軸旋轉時，裝在軸上的齒形機構在傳感器上感應出鐘形脈沖信號序列，其幅值和相位都攜帶軸的扭振信息，通過檢波、鑒相器解調，去除平穩的轉速信號，剩下的就是扭振信息。本實驗臺采用數據采集卡測量扭振信號，為扭振測試提供基礎信息。

2．3 電樞電流測量扭振

傳動系統扭轉振動也會引起電機定子和轉子間的相對運動，改變定子與轉子間的氣隙。由于異步電機的氣隙原本就很小，氣隙的微小變化也會使定子電流特征發生變化。國內外一些學者已經開始研究將電機電樞作為傳感器，通過分析其電流變化測量傳動系統扭振［10－12］。該方法由于不需要增加新的傳感器，因而更適用于工業現場。在改造中也關注到這種前沿技術和測試方法，增加了電樞電流傳感器，為電流法檢測扭振提供基礎測試數據。

3 實驗項目設計

讓學生了解、掌握和參與一個測控系統從設計、調試到研制等過程是實驗項目設計的目的，為此在該共享實驗平臺上開發了驗證類、綜合類和研究類等逐等級提高的系列實驗，并編寫了實驗指導書。

3．1 原有實驗項目

（1）晶閘管直流調速系統參數和直流電動機機械特性測定實驗。需了解傳動教學實驗臺結構，熟悉晶閘管直流調速系統組成及基本結構，掌握晶閘管直流調速系統參數及反饋環節測定方法，掌握直流電動機機械特性測試方法。

（2）雙閉環三相異步電動機調壓調速系統實驗。要求了解雙閉環三相異步電動機調壓調速系統原理及組成，通過測定系統靜特性和動態特性進一步理解交流調壓系統中電流環和轉速環的作用。

（3）異步電動機SPWM與電壓空間矢量變頻調速系統實驗。能夠掌握異步電動機變壓變頻調速系統組成及工作原理，理解通過單片機生成SPWM波形的工作原理與特點，熟悉空間矢量控制工作原理，掌握異步電動機變壓變頻調速系統的調試方法。

（4）基于DSP的矢量變換控制與直接轉矩控制變頻調速系統實驗。了解以TMS320F2X為核心構成的全數字控制感應電機變頻調速實驗系統的硬件與軟件組成，掌握感應電機開環變壓變頻調速系統的工作原理及應用，掌握采用磁場定向控制與直接轉矩控制的感應電機變頻調速閉環控制系統的工作原理及調速實驗方法。

3．2 新增實驗項目

（1）轉速及相位檢測實驗。轉速和相位是扭振測試中兩個基本參數，對轉數及相位的檢測也是“自動檢測技術”及“傳感器原理及應用”課程中基本實驗要求，可以采用測周法或測頻法實現，需要學生理解測量原理，掌握連接測試系統電路及編寫檢測程序。

（2）溫度和加速度檢測實驗。溫度和加速度在列車軸溫報警中是主要監測參數，在機械故障診斷中也是特征信息的基本來源，學生需要了解傳感器工作原理，掌握標定方法，編寫溫度及加速度信號采集處理程序。

（3）電樞電流采集實驗。電樞電流反映電機工作狀態，是電機故障檢測的主要參數，通過電流互感器及信號調理電路轉換成測量系統能夠接受的信號進入檢測系統，學生需要了解檢測原理及編寫檢測程序。

（4）變頻器原理及使用實驗。變頻器作為電機調速控制的一種常用設備，應用廣泛，學生需了解變頻器工作原理，掌握參數設置、接口方式、連接電路和控制方法，編寫通信控制程序以實現對電機轉速的控制。

（5）扭振測試實驗。扭振測試實驗是綜合設計型實驗，在測得電機轉速、相位、溫度、加速度及電樞電流等參數后，根據扭振測試原理編寫數據處理程序，即可得到電機扭振參數。

4 結束語

本實驗平臺在保留原軌道車輛專業所需實驗項目的基礎上，通過升級改造，新增了轉速及相位檢測、溫度和加速度檢測、電樞電流采集、變頻器原理及使用和扭振測試等實驗項目，既為“軌道車輛檢測技術”等課程提供實驗支持，又為測控技術與儀器專業的“自動檢測技術”、“機電信號分析”等課程提供了實驗平臺，實現了跨專業多課程實驗設備共享的目的。意義在于是跨專業資源整合的探索，是實驗教學平臺多課程共用思想的嘗試，是多年實際需求有效解決的方法，是實驗室資源進行統一調配充實教學服務功能的新思路。

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Exploration of multi curriculum sharing experimental platform

Huo Kai，Yang Jiangtian，Liu Yulin
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Aiming at the problems of lacking teaching experimental resources and low utilization ratio of experimental facilities，this paper analyses the demands of a series of courses for teaching experiment and proposes a solution of transforming present experimental facilities，developing new experimental projects and setting up a sharing experimental platform．Combined with the course experimental contents and demand，defined the experimental project，confirmed the experimental platform transformation scheme，written experimental instruction and apply it to teaching．This sharing experimental platform supports multiple courses，realizes the object of cross－disciplinary multi－curriculum experimental facilities sharing，and puts forward a new idea for experimental resource sharing．

multi－curriculum；sharing experimental platform；experimental project

G482；G642．423

B

1002－4956（2015）3－0037－03

2014－08－08 修改日期：2014－09－28

北京交通大學實驗室研究課題（13060401）

霍凱（1970—），男，黑龍江，碩士，高級工程師，主要從事嵌入式系統及測控技術實驗教學與研究工作．

E－mail：khuo＠bjtu．edu．cn