計算機控制綜合實驗課的設計與實踐

柏艷紅，李林娟，田 娟，李 虹

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

“運動控制系統”為自動化專業的重要專業課，微機控制直流脈寬調速是該課程的主要內容之一，包括直流PWM變換電路原理、微機控制閉環直流脈寬調速系統的組成、系統硬件結構和軟件框架、數字PI調節器設計、編碼器測速原理、數字濾波等內容[1]。開設“單片機控制閉環直流脈寬調速系統”實驗可以鞏固和提升相關理論知識，但由于該實驗項目還涉及單片機外圍電路設計、程序編寫和調試，是對“運動控制系統”和“微機原理與微控制器技術”兩門課程知識的綜合應用，因此無法在其中一門課程實驗中完成。

跨課程的綜合實驗，是對兩門以上相關專業課知識的大串聯，通常采用項目驅動的教學方式，圍繞項目開展教學活動，將專業知識與項目融合在一起[2-3]。項目驅動的綜合實驗，可以充分調動學生的學習興趣和主動性，提高知識應用和融會貫通的能力，培養創新能力、實踐能力、協作能力和解決復雜工程問題的能力[4-5]。西安交通大學生物工程專業、大連民族大學測控專業、山東科技大學自動化專業等均設置了綜合實驗課[6-8]。

工程教育認證標準明確規定，工程實踐與畢業設計至少占總學分的 20%，標準的 12條畢業要求對知識、能力和素質提出了全面要求，需要理論教學和實踐教學協同支撐[9]。

我校自動化專業以工程教育認證為契機，在2015版課程體系中，設置了以“單片機控制直流脈寬調速系統實現”為主線的“計算機控制綜合實驗”集中實踐環節。針對該課程，開發了實驗裝置，制定了課程目標，設計了教學內容，已在教學中實施。

1 實驗裝置

針對該課程開發了單片機控制直流脈寬調速系統實驗裝置。該裝置組成見圖1，主要由 MSP430單片機開發板DM430-A、全橋IGBT模塊F475R12KS4、四單元IGBT驅動板DA962A4Q、直流電機、電磁制動器、600線數旋轉編碼器、MAX471電流檢測模塊、上位機等組成。直流電機為永磁電機，額定功率200 W，額定電壓220 V，額定電流2 A。上位機采用IAR開發環境。實驗裝置照片見圖2。

圖1 單片機控制直流脈寬調速系統實驗裝置組成

圖2 實驗裝置照片

實驗裝置接線完全開放，單片機端子、PWM 電路形式可以自由選擇，學生可以按自己的設計方案自由接線。圖3為采用H橋PWM電路時的一種硬件電路方案，包括IGBT模塊接線原理、IGBT模塊與驅動板接線原理、驅動板與單片機開發板的接線原理、編碼器與單片機的接線原理等。

圖3 硬件接線方案示例

2 課程目標制定

按照工程教育認證“成果導向”理念和“反向設計”原則，課程目標制定應依據課程支撐的畢業要求[10]。工程教育認證標準規定了 12條畢業要求，包含了 6條專業技術能力和6條非技術性能力，畢業要求不再是傳統的知識要求，而是能力要求[11-12]。

在工程認證理念指導下，本綜合實驗課程培養知識的綜合應用能力和實驗研究能力，同時還培養創新意識、團隊合作精神等綜合素質。具體教學目標為：①了解直流脈寬調速微機控制系統設計的主要環節，掌握硬件方案和設計方法，能夠編寫單片機實現程序，在設計中能夠體現創新意識，主動創新；②了解微機控制直流調速系統設計和實現過程中對用電安全、器件和人身安全的考慮；③能夠針對直流脈寬調速微機控制系統，設計實驗測試方案、進行實驗測試、分析實驗結果，并能推廣應用到其他電機控制系統或微機控制系統；④通過以小組為單位的形式完成實驗項目，認識到團隊的力量和團隊合作的重要性，能夠勝任團隊成員或團隊負責人的角色。

3 教學內容設計

按照分步實施原則將項目劃分為幾個子任務：電機開環運行控制，編碼器測速和開環特性測試，閉環控制。針對子任務的實現設計實驗項目，并針對每個實驗項目制定實驗任務和目的。作為一門獨立課程，安排適量的課堂講授或總結討論環節，講解項目涉及知識。

按照工程教育理念，教學內容設計時考慮對課程目標的全面支撐，保證課程目標的實現。主要教學內容如下。

1）第一講 課程和實驗系統介紹（支撐目標①）

主要內容：課程性質和地位、目標、內容、考核方式等。

2）第二講 直流脈寬調速系統的硬件方案（支撐目標①）

主要內容：單片機控制直流脈寬調速系統的組成；IGBT模塊及驅動板、直流電機驅動模塊、編碼器、單片機及開發板等實驗裝置主要元器件介紹；實驗裝置的硬件方案。

3）第三講 直流脈寬調速系統的基本理論及軟件方案（支撐目標①）

主要內容：PWM 電路原理、編碼器測速原理、開環系統組成原理及軟件方案、閉環系統組成原理及軟件方案。

4）第四講 MSP430單片機與 DM430-A開發板（支撐目標①）

MSP430單片機的特點；DM430-A開發板的組成及接線原理；MSP430的系統時鐘、I/O端口、定時器等功能配置。

5）實驗一 IAR編程環境及開發板使用（支撐目標①）

實驗目的：掌握IAR編程環境及開發板使用；了解端口控制寄存器的定義和配置方法；掌握I/O操作和外部中斷編程思路和方法。

實驗任務：IAR編程環境及開發板使用；按鍵中斷控制LED燈的編程與調試；按鍵掃描控制LED燈的編程與調試。

6）實驗二 基本功能編程實現（支撐目標①）

實驗目的：掌握LCD顯示編程；掌握定時器中斷配置和編程；掌握定時器產生 PWM 信號的配置和編程。

實驗任務：可增減的LCD數值顯示編程與調試；定時中斷產生方波信號編程與調試；PWM 信號輸出編程與調試。

7）實驗三 直流電機開環運行及特性測試系統實現（支撐目標①、②、③、④）

實驗目的：復習鞏固直流電機開環控制系統組成；掌握開環運行和特性測試的程序架構；復習鞏固編碼器測速方法，掌握編程實現M法測速的思路和方法；能夠設計實驗測試分析電機特性。

實驗任務：單片機控制直流脈寬調速系統硬件方案確定；具有起?？刂坪退俣日{節功能的開環系統編程與實驗調試；增加速度檢測顯示功能的開環特性測試系統編程與實驗調試；開環系統控制特性測試與分析。

8）實驗四 閉環直流脈寬調速系統實現（支撐目標①、②、③、④）

實驗目的：復習鞏固直流電機閉環控制系統組成；掌握閉環系統的程序架構；掌握PI算法的編程思路和方法；能夠設計實驗測試分析閉環系統的性能；復習鞏固比例和積分控制的作用，了解PI參數的影響。

實驗任務：能夠顯示速度設定值和實際速度、能夠調節設定速度、采用比例控制的閉環系統編程與實驗調試；測試比例控制系統的性能，觀察比例系數的影響；編寫采用PI的閉環系統程序，實驗研究PI參數的影響。

9）實驗五 拓展創新實驗（支撐目標①）

實驗目的：通過自主擬定實驗，培養發現問題、解決問題的能力，培養勤于思考的習慣以及自主創新的意識。

實驗任務：總結單閉環調速系統實現過程，從需要改進之處、未實現的功能、需要進一步研究內容等方面，擬定拓展實驗內容。

參考實驗項目：單閉環程序優化；單閉環系統各參數對系統性能的影響研究；改進PID算法；可逆直流脈寬調速實現；雙閉環系統實現。

10）第五講 總結討論（支撐目標①、②）

主要內容：總結微機控制直流脈寬調速系統的總體方案、硬件方案和軟件方案；討論實驗中遇到的問題及解決方法；討論直流調速系統設計和實現過程中對用電安全、器件或人身安全的考慮；討論自主創新之處。

4 教學實施

“計算機控制綜合實驗”共32學時，安排在大三第二學期末，已于2018—2019年面向2015級和2016級自動化專業學生順利開設，采用 2人一組的分組形式。

采用五級制計分方式，依據實驗表現及完成情況、實驗總結報告、卷面測驗進行考核。

采用項目驅動的教學方式，促使學生積極分析解決問題，課堂氣氛活躍，大部分學生能夠在規定時間內完成單閉環調速系統實現，個別學生在教師指導和同學的幫助下，通過適當延時，最終也能完成。學生體驗到項目完成后的成就感，激發了學習興趣，獲得良好的教學效果。

但還存在以下問題：還有部分學生不能完成拓展創新實驗選做項目；對相關知識和概念認識不深刻；存在單片機程序生搬硬套的現象。擬重點從考核方式上作如下改進：

（1）改變總結討論課后直接進行卷面測驗的方式，在討論課后留一段時間給學生自行總結，提交總結報告后再進行卷面測試；

（2）利用微助教、學習通等現代網絡工具，進行隨堂測驗，增強過程考核；

（3）明確拓展創新實驗的占分比例。

5 結語

“微機控制直流脈寬調速”是當前直流調速的主要形式，也是“運動控制系統”課程的主要內容之一，設置計算機控制綜合實驗課程，將“運動控制系統”和“微機原理與微控制器技術”兩門課程知識相融合，解決了“微機控制直流調速系統實現”的實踐訓練問題。按照工程教育認證“產出導向”理念，制定了課程目標，設計了教學內容，開發了開放性實驗裝置。該課程不但培養知識的綜合應用能力，還培養學生創新意識、團隊精神和解決工程問題的能力，已面向兩屆學生順利開設，獲得良好的教學效果。