機電傳動與控制課程實踐環節的研究與改革

雷利 馮嵩 孫楊 陳麗娜 孫雪

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）

一、課程實踐環節研究的必要性

機電傳動與控制是一門理論性非常強的課程，是學生學習的機械電子專業核心課程。由于它在工程應用中的重要性，在實踐應用中非常廣泛，因此機電傳動與控制的實踐環節部分顯得尤為重要。該課程主要以電機、電器、控制等基本理論和基本知識為支撐，本著原理與應用兩頭并重，元件與系統二者緊密結合的理論。通過實踐環節，不斷能消化、理解學生課堂上學到的理論知識，提高動手能力，而且能培養學生分析問題與解決問題的能力，為進一步深造及畢業后從事專業工作打下夯實的基礎。

機械電子工程專業基于0BE 理念建立了新的人才培養方案，理論課教學大綱的教改下，課程理論性強以及學生上課的興趣不足，實踐環節反饋不佳等情況下，課程的實踐環節的研究和改革迫在眉睫。機電傳動與控制的實踐環節的研究和改革，將實踐教學分為三部分，第一部分引進理論教學，第二部分建立獨立的實驗課程，將多課程進融合的實踐教學；第三部分為課外環節；從而提高學生學習該門課程的積極性和有效性。

二、課程實踐環節的研究路徑和研究的內容

（一）研究路徑

如圖1 所示研究的對象，該課程建設是機電傳動與控制實踐環節的研究和改革，是圍繞理論課的，是將理論和實踐相結合。以機械電子工程專業新的人才培養方案中的各個畢業要求的指標點為背景，將實踐教學不僅引進理論教學和建立獨立實驗課的研究方向，也將課程內容引入課外，達到培養具有一定工程實踐能力的機電類應用復合型人才的目的。

（二）研究內容

按照上述的研究路徑，該課程實踐環節的研究內容可以從三個方面展開，一個是“看中學”的理論課環節，一個是“做中學”的實驗課環節，一個是“用中學”的課外環節。

以機電傳動與控制理論課為載體，一方面實踐環節通過“看中學”的方法，將電動機的啟動、調試、制動等驗證性實驗引進理論課堂。例如理論課第一章主要講授知識點的是直流電機的結構、工作原理；他勵式直流電動機的機械特性；以及他勵式直流電動機的啟動、調試和制動。希望同學們通過該理論知識的學習，掌握直流電動機的選擇以及應用。該部分的應用部分主要是以直流電動機的機械特性和運動學基礎相匹配的，為了讓同學們更好的理解直流電動機的固有機械特性和人為機械特性，以及啟動和調速的方式和方法，故設計了直流電動機的運動實驗。該實驗以自制的可移動的機電基礎試驗臺為載體，用改變電壓和電阻的方式驗證直流電動機的人為機械特性曲線的變化方向；用測速工具驗證降低電壓和串聯電阻對直流電動機控制的直線滑臺運行速度的影響。

此外“看中學”課堂實踐項目的研究方向，還可以從電動機的制動進行入手，驗證能耗制動、反接制動以及回饋制動的區別。通過實踐內容引導學生思考以自行車、汽車等電動的設備是如何實現制動的，引導學生通過生產工藝選擇合適的制動方法。

一方面實踐環節的研究內容是建立獨立的實驗課。將其實驗課改革為設計性和綜合性的實驗，主要通過“做中學”的方式，加強學生對機電與控制相結合的系統的理解和學習。例如機電傳動與控制課程的第五章為控制電路與繼電器-接觸器控制電路的設計，為了讓學生充分掌握低壓控制電路的設計方法，對該章的內容研究了設計性實驗，讓同學們在“做中學”中充分掌握電動機、電器元件、電力電子裝置之間的關系。該實驗以機電基礎試驗臺為載體，以實驗指導書為指導進行實踐環節的學習。該實驗為設計性，要求學生根據控制要求，選擇合適的低壓電器元件，完成直流電動機對滑臺的控制要求。該實驗是“一人一題”，不僅要求學生選擇合適的低壓電器元件，完成控制電路圖的設計與布置，還要求學生接線實現控制要求；這個實驗充分鍛煉學生的設計能力、動手能力和綜合應用能力。

獨立實驗課的“做中學”項目也可以進行延伸，例如研究直流電動機的PWM 調速，研究開環控制系統和閉環控制系統在機電傳動與控制中的重要性。在實驗時，不僅僅是要求同學們實現控制要求，更多的需要學生有一定的分析能力和設計能力，明確開環控制系統和閉環控制系統的區別，以及系統組成。

此外，實踐環節的內容能夠延伸至課外，以學校的實驗室和研究中心為載體，鼓勵學生們參加各種學科類競賽，例如工程訓練比賽、機器人比賽、系統集成類比賽等。

（三）進一步研究的方向

實踐環節的研究內容不僅僅圍繞機電傳動與控制本身，而是要將其與其它專業課緊密聯系起來。從機械電子工程專業的課程體系來說，獨立的實驗課可以分成兩部分，一部分主要圍繞機電傳動與控制、傳感器與應用、單片機應用三門課程展開。一部分圍繞機電傳動與控制、電氣控制與PLC應用、現場總線、工業機器人等課程展開。

圍繞機電傳動控制、傳感器應用、單片機應用的這個方向，可以以機電實驗室的機電基礎試驗臺為載體，研究各種設計性和綜合性的實驗項目。例如直線滑臺半閉環控制，該實驗為設計性實驗，結合了機電傳動與控制和單片機應用的知識，要求學生能夠應用編碼器測量步進電動機的轉速。能夠應用PID 控制電機轉速、滑臺位置。例如電機控制及測速實驗，該實驗為綜合性實驗，結合了機電傳動與控制、傳感器應用、單片機應用的知識，要求學生能夠掌握光電編碼器的原理和使用方法，掌握電機驅動器、光電開關、繼電器、接近開關的使用方法。以及結合arduino 開發板搭建正確的測量電路，并進行編程及調試。

圍繞機電傳動控制、傳感器應用、電氣控制與PLC 應用、現場總線的這個方向，可以以工程實踐中心的機電一體化試驗臺和協作機器人智能制造生產線為載體設計實驗項目。例如機電一體化的試驗臺，集成了西門子的S7-1200 的PLC、各種光纖傳感器、直流電動機、異步電動機、步進電動機、伺服電動機，能實現物料的傳送，機械手搬運、物流碼垛入庫等機械活動。其中物料傳送實驗為設計實驗，要求同學們能夠掌握變頻器、交流電動機、可編程邏輯控制、傳感器應用等相關知識。如下圖2 所示。在這個實驗項目中要求學生不僅通過設計控制電路和控制程序，完成物流傳送的實驗，還要明確交流電動機與變頻器的關系，通過變頻器對調節物流傳送的速度；明確使用傳感器的種類、作用以及接線，明確它使用的注意事項，以及使用的必要性。該項目中用到了顏色傳感器，其實就是光學傳感器，利用黑白的折射率不同，從而對物料傳送的顏色進行識別。其次要求學生學會PLC 的編程方法和接線方法，特別是多種編程指令的綜合應用。

圖2 上料傳送檢測結構

此外，該試驗平臺還可以設計直流電動機運動控制的實驗，例如機械臂大臂的反復運動實驗；機械臂旋轉的運動控制實驗；機械手取料入庫實驗。在這里設計的出來點是電動機，根據控制要求，選擇合適的電動機，進行可編程控制程序設計，最后接線和調試，實現控制要求。

三、總結

針對我校學生學情，通過精簡教材的理論教學內容，增加項目、實踐教學來提高學生對理論知識的理解。通過使用多種教學手段增加學生學習興趣。變被動學習為主動學習，提高教學質量。

目前已經改革了部分實踐環節的內容。首先取消了該課課內實驗，然后設計了“看中學”的直流電動機的運動實驗；建立了獨立的實驗課，設計了“做中學的直流電動機的控制實驗，以及與傳感器、單片機、機電一體化等專業綜合實驗。例如直流電機電流檢測實驗，通過掌握PCF8951原理和CS712原理，結合arduino 開發板搭建正確的測量電流電路，并進行編程及調試。

其次也在2021 年指導學生參加各種學科競賽。例如2021 年上半年舉辦的遼寧工程訓練大賽的物流搬運機器人比賽；以及2021 年下半年舉辦的遼寧省機器人比賽等。學生通過比賽，將自己的知識體系進行重新構建。學生通過這個過程，能不斷的提升自己和完善自己的知識框架。

總之，通過實驗課程的綜合實踐教學，融合傳感與檢測技術、單片機應用、可編程控制器技術等多課程的知識，從而將機和電有機結合，去滿足社會發展對人才的需要。