運動控制系統課程教學模式改革研究

劉漢忠 萬 其 溫秀蘭

南京工程學院自動化學院 江蘇南京 211167

隨著國民經濟的發展，培養既懂理論又有實踐能力的人才，已成為高校特別是應用型本科院校教學改革的必由之路。運動控制系統是高等院校自動化專業的一門核心專業課，具有很強的理論性與實踐性。其具有以下幾個特點：(1)專業性。課程的理論性較強，課程主要介紹各類電機的系統控制理論、控制方法。(2)實用性。課程應用觸及工業各個領域，在航空航天、數控機床、機器人控制、軌道交通等各行各業應用廣泛。(3)綜合性。課程以自動控制原理、電力電子、電機與拖動、模電、數電、單片機原理、C語言、檢測技術等專業基礎課為基礎，課程綜合性很強[1-4]。

1 理論教學和實踐教學模式的改進

鑒于課程的實用性，幾乎所有高校自動化專業都會開設這門課，但是由于本課程專業性和綜合性較強，學生普遍反映課程不好學、學不好。經過多年的教學實踐及工程項目經歷，本文認為要讓學生學好這門課，可以從以下幾方面做改變。

1.1 MatLab仿真應用到課堂教學

將MatLab控制系統仿真引入課堂，可以在課上隨時演示理論設計相對應的MatLab仿真模型，增強學生對抽象理論知識的理解能力，改善教學效果。

在講授直流調速系統時，利用MatLab仿真可以驗證說明眾多問題，比如P調節系統為什么總是存在靜差？PI調節為什么可以實現無靜差？P，I分別起什么作用？利用MatLab可以很方便地建立控制系統模型，輕而易舉地得到振蕩、有靜差、無靜差、超調大或者啟動快等不同的轉速曲線。經過比較可以發現，系統的穩定性和快速性是一對矛盾，必須根據工程的要求，選擇一個合適的PI參數，通過MatLab仿真，使學生很直觀地理解雙閉環啟動過程的三個階段：電流上升、恒流升速、轉速調節。

在講授交流變頻調速時，通過在MatLab建立SPWM或者SVPWM交流變頻調速系統模型，通過仿真分析電壓、頻率、磁通的關系，可以看到磁鏈運行的軌跡，幫助學生了解異步電機運行原理，驗證VVVF變頻控制的特點，有助于學生掌握變頻調速控制方法；同樣通過建立異步電機、同步電機的矢量控制仿真模型，使學生直觀了解矢量控制各功能模塊，掌握較復雜、抽象的矢量控制原理。

在講授位置控制時，通過對位置系統進行MatLab仿真，使學生直觀了解、掌握跟隨誤差與開環增益、跟隨誤差與前饋補償、開環增益與穩定性以及兩軸合成運動時位置給定信號形式，了解直線插補和圓弧插補時影響輪廓誤差的因素等，所有這些抽象、不好解釋的結論都可以通過MatLab說明。

MatLab仿真有助于學生增強課程理論知識與實際應用之間聯系，將仿真研究引入課堂理論教學，可促進學生對課程基本理論的理解和掌握。

1.2 工程實際項目融入理論課堂教學

運動控制系統理論內容講授時，可以通過MatLab解釋、了解、驗證一些結論，但是僅僅通過仿真還是無法培養學生的工程實踐能力，必須結合工程實際項目來增加學生對工程實踐的感性認識，培養學生理論、實際相結合的能力，因此以項目為導向是本課程教學方法改革上的重點，具體如下。

(1)在講授直流調速時，可以把有刷直流電機、無刷直流電機結合到一起介紹，并以電動自行車控制器的設計為項目案例，首先，讓學生了解一下電動自行車的發展歷史及其國內外研究現狀，制作一些形象生動的視頻，增加學生的感性認識；其次，講解該系統設計的總體框架和思路，根據總體框圖介紹各部分硬件功能模塊的具體實現，重點介紹驅動放大電路、電流采樣電路、欠壓過流保護電路，霍爾信號檢測處理電路等設計；再次，介紹軟件設計，如如何避免上下橋直通、速度如何計算，電流調節器、速度調節器PI控制算法如何實現，無刷直流電機如何實現電子換相等。通過具體項目介紹，讓學生直觀掌握直流電機雙閉環數字控制的實現過程。這也使學生充分感受到運動控制系統課程是對電力電子、模電、數電、自控原理、檢測技術、C語言以及單片機等知識的綜合運用，使學生有意識地對這些前期課程進行復習和回顧。

(2)在講授變頻調速時，可以以普通變頻器設計為例，介紹交-直-交變頻器的硬件結構，包括整流及啟動電路、控制電源電路、IPM模塊逆變電路、電流檢測電路等。重點介紹SPWM控制算法、SVPWM控制算法、三次諧波注入SPWM控制算法如何實現，而不是停留于書上的一大堆公式，使學生陷入“云里霧里”。通過項目教學，可使學生較快掌握變頻器的設計與實現過程。

(3)永磁同步電機控制系統和位置控制內容可以交流伺服驅動器的設計為例來介紹，先介紹硬件設計，然后重點介紹如何實現速度采樣、初始定位等，通過實際案例使學生能比較直觀地理解FOC理論知識，并能較好地掌握、應用。

利用項目教學法可以把書本上復雜、抽象的內容直觀、形象、具體地呈現給學生，學生也會更容易接受、掌握這些內容。

1.3 驗證性到設計性實驗實踐教學改革

目前運動控制系統課程實驗主要以驗證性實驗為主，基于本課程實用性以及培養學生工程應用能力的考慮，要求學生盡可能參與到實踐中，培養工程應用能力，包括硬件設計能力、軟件編程能力、調試能力等，因此驗證性實驗對學生掌握電機控制原理和控制方法作用不大。本課程另一實踐性環節—課程設計，主要內容是伺服系統的MatLab仿真，但仍然無法培養學生電機控制的實戰能力。因此考慮把8學時的實驗和一周的課程設計合并起來，進行為期兩周的課程實習，課程實習主要基于自制的電機控制實驗板做控制程序設計，將當前無刷直流電機換相驗證性實驗、VF變頻驗證性實驗、直流調速PI控制驗證性實驗全部變成設計性實驗，即自行設計程序實現無刷直流電機換相、自行設計SPWM，SVPWM程序實現VF變頻調速、自行設計PID程序實現電機閉環控制。

電機控制實驗板提供硬件原理圖，實習開始后，首先給學生介紹硬件原理圖、元器件的焊裝工作，有興趣的學生可以利用課余時間完成，電機控制實驗板采用程序開源模式，即嵌入式程序外設配置以及一些接口函數都已經做好，學生主要參與純C語言的控制算法設計，例如，學生自行編寫無刷直流電機換相控制程序，通過霍爾指示燈與開關管指示燈驗證程序的對錯；而現有實驗裝置只能單純地通過霍爾指示燈與開關管指示燈的變化驗證換相過程，相比前者，后者無法達到培養學生工程設計能力的目的。再如，由學生編寫SPWM，SVPWM變頻控制程序，利用示波器觀察阻容還原以后的VF波形，這種設計訓練一定會使學生真正掌握電機的變頻控制算法；而現有裝置單純驗證VF關系實驗是無法做到的。另外，為培養學生建立控制系統的概念，讓學生動手編寫速度控制閉環調節程序，包括P程序、PI程序，觀察速度響應及穩態誤差，從而更好地理解有靜差、無靜差系統；而現有實驗裝置無法讓學生自己編程實現速度閉環控制，因此通過這些程序設計性實驗的訓練，一定可以使學生真正掌握電機控制原理和方法，建立“給定—反饋—偏差—調節”的系統概念，達到培養更強的工程設計能力的目的。

2 結語

本文針對運動控制系統課程涉及的專業基礎課多、綜合性較強等特點，結合多年教學情況，對理論教學、實踐環節進行了教學方式的思考和探討，提出了將MatLab仿真融入理論教學，并采用項目教學法把理論知識做進一步詮釋，使學生能較直觀地理解復雜、抽象的運動控制知識，針對實踐性環節，提出以設計性實驗取代只能看、不能真正參與的驗證性實驗，從而更好地培養學生工程設計及應用能力。