基于Proteus的汽車電工電子電路設計與應用＊

任志民，魏永武，寧軒

（1．運城職業技術大學智能制造與數智礦山學院，山西 運城 044000；2．甘肅電氣裝備集團有限公司科技管理部，甘肅 蘭州 730050）

近年來，在高職院校的入學新生中，既有普通高中和中職畢業生，還有學校自主招收的復員轉業軍人和新型農民工等。如何針對基礎理論薄弱、學歷背景復雜的入學新生開展汽車電工電子課程的教學與實訓，是授課教師需要研究的問題[1]。隨著新能源汽車和智能汽車技術的發展，交通運輸、車輛工程等行業對高職院校汽車工程類各專業技術人才的知識技能和職業素養提出了更高的要求。如何建設實訓實驗教學平臺，也是高職院校需要解決的現實問題[2]。為了實現汽車專業課程標準制定的各項目標，對《汽車電工電子課程理實一體化教學平臺》教研課題進行了立項，更新和升級了實訓實驗教學中的設備儀器儀表及工具，改進了教學計劃與教學方案。在覆蓋全部內容的前提下突出重點環節，在課程的理論教學中補充了仿真教學項目任務，在軟件環境條件下搭建了配置靈活、難易程度可控、可以分解綜合、能夠反復演示、幾乎沒有耗能耗材的汽車電工電子課程仿真教學平臺。將正常電路參數設置和運行結果與故障狀態時的異常現象進行對比，引導學生進行故障分析和判別。在實訓中制定出相應的檢修方案，對理論教學和實訓實驗教學質量的提升起到了事半功倍的效果。

1 仿真教學平臺建設

1．1 仿真教學的支持軟件

為了在仿真教學中將汽車電工技術與電子技術兩部分課程內容有機結合，選擇了Proteus這款產品開發與仿真工程應用軟件作為仿真教學平臺的支持軟件。因為Lab Center Electronics公司出版的這款EDA工具軟件，實質上是電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真合而為一的設計開發與應用平臺[3]。Proteus除用于產品開發和技能考評外，最大的應用特點是為教學提供了強大而豐富的資源，能夠進行模擬電路、數字電路、微控制器與嵌入式系統在教學中的綜合實驗、研究性實驗以及學生們的畢業設計。

Proteus軟件平臺能夠進行互動的電路仿真。用戶可以實時選用電源、熔斷器、繼電器、按鈕、開關、電機等電工器件和LED、LCD、微處理器的RAM和ROM、鍵盤、A／D和D／A轉換器、SPI器件、IIC 器件等電子器件，還可以選用示波器、邏輯分析儀、信號發生器、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表、交流電流表、頻率計／計數器、邏輯探頭、虛擬終端等多種虛擬儀器。仿真系統基于SPICE3F5工業標準，實現了數字與模擬電路的混合仿真。Proteus建立了完備的電子設計開發環境。仿真系統含有直流、正弦、脈沖、音頻、指數信號等多種激勵源，并支持文件形式的信號輸入；用戶能夠配合系統配置的虛擬儀器、仿真處理器及其外圍電路，仿真51系列、AVR、PIC、ARM等主流單片機；還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，配合顯示及輸出運行結果。用戶還能夠在Proteus平臺上進行智能原理圖設計，選擇使用多達27000種的元器件，通過智能模糊搜索快速查找和定位所需要的器件，自動地智能化連線。系統能夠輸出高質量BMP圖樣，方便地供Word、Powerpoint等多種文檔使用。仿真平臺基于圖標的分析可以精確分析電路的工作點、瞬態特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等多項指標，并進行一致性分析[4]。Proteus軟件因具有專業性強、應用面寬、元件豐富、結合性好、擴展性強等這些突出優勢而得到了廣泛應用。

1．2 仿真教學的授課對象與課程標準

在汽車電工電子課程仿真教學中應用的項目選擇上，首先明確了授課的主要對象。對于普通高中和中職畢業生，課程的理論知識起點是中學階段物理課程中的電學部分。對于復員轉業軍人和新型農民工等特殊教學對象，課程的知識要點從電路歐姆定律開始起講。其次，選取汽車電工電子典型電路，在突出電路定律定理、電路結構型式、元器件與電路應用的同時，注重與后續的汽車發動機電控技術、電氣設備構造與維修、汽車故障診斷技術等課程的內容相銜接[5]。再次，將仿真教學的項目任務與新能源汽車專業汽車電工電子課程的知識目標、技能目標、職業素養目標相銜接，列入教學計劃和理實一體化教學整體方案，一并實施并進行考核。

2 仿真教學項目與任務

2．1 仿真教學實施項目

依據課程標準，綜合考慮所有教學項目中的教學任務，合理編排仿真教學環節，設計具體的教學內容。在新能源汽車專業的汽車電工電子課程教學計劃中納入具體的仿真教學任務。主要仿真項目的任務內容如表1所列。

表1 仿真電路或系統與理實一體化教學項目任務

2．2 仿真教學任務內容與仿真電路

作為理論教學與實訓實驗教學的必要補充，仿真教學中設計和的應用的電路或系統突破了單一項目單一任務的限制。選擇和設計的仿真電路或系統與仿真項目任務的對應關系如表1所列。

3 仿真電路設計

3．1 電路定律與定理

為仿真教學應用而設計的基爾霍夫電路定律驗證電路如圖1所示[6]。設置電源E1、E2的內阻均為0．1Ω，在節點B設置電壓探針進行測量和顯示，對三條支路的電流用電流探針測量并顯示。圖2是含有電阻串并聯支路的全電路歐姆定律驗證電路。設置電源U1的內阻、開關K1和K2的接觸電阻均為0．1Ω，用電壓探針和電流探針分別測量節點電壓和支路電流，從而驗證全電路歐姆定律、兩并聯支路中的電流大小與兩并聯電阻值的大小成反比這個結論。

圖1 基爾霍夫電路定律驗證電路

圖2 全電路歐姆定律驗證電路

為仿真教學應用而設計的線性電路疊加定理驗證電路如圖3所示。在該電路中，一次性設計的三個電路處在同一窗體中，在仿真時一鍵式同步運行電路。通過按下暫停仿真按鈕查看電路運行結果，從而驗證電路一的運行結果是電路二獨立運行結果與電路三獨立運行結果的疊加。

圖3 疊加定理驗證電路

3．2 直流電路與電機調速控制電路

在仿真教學中，將直流電路項目與電機項目的內容進行了綜合，設計的直流電動汽車汽車模擬系統如圖4所示。該仿真電路首先反映了傳統汽車電源電路的低壓12V直流電源、單線制、負極“搭鐵”等特點。其次，模擬了汽車前照燈、車廂燈、轉向燈、電喇叭的開啟與關斷情景。在仿真教學演示中，通過元件參數隱藏設置功能，將空調支路的熔斷器電流設置在正常工作點以下，仿真中合上K102開關即發生空調熔斷器熔絲開斷現象，模擬了空調直流電風扇電路的開關閉合、但直流電風扇電機不運轉的故障狀態，引導學生識別空調設備不工作故障。

圖4 直流電動汽車模擬系統

在直流電動汽車模擬系統的設計電路中，設置了兩臺電動機并聯，共用同一個轉換開關SW100，在電樞回路串聯多段電阻，每段電阻兩端并聯一個能將電阻短路切除的并聯開關，模擬了直流電動汽車前行／倒車轉換、多擋位車速下驅動電機轉速變化情景，同時用電壓探針和電流探針作為模擬儀表，顯示蓄電池電源的電壓、電流和電動機的電樞電流。

3．3 整流電路與繼電器控制系統

在仿真教學中，將交流電路項目任務與繼電控制項目任務的內容相結合，設計了單相橋式整流電路及繼電器控制系統。對單相變壓器交流電路的橋式整流、蓄電式充電供電、繼電器控制直流電動機正反轉、直流風機運轉與照明供電進行了綜合設計[7]，如圖5所示。在該仿真電路運行前，設置了單相變壓器激勵源信號參數、交流側過流熔斷器保護。通過K1、K2、K3三個開關的開閉組合，模擬了在整流器單獨供電、蓄電池單獨供電、整流器與蓄電式同時供電情況下電動機在繼電器控制下的正反轉、風機運轉、照明、蓄電池充電等情景。

圖5 整流電路與繼電器控制系統

單相橋式整流電路與繼電器控制系統框圖如圖5（a）所示，電壓幅值 25V，頻率 50Hz，初相位為0°。通過虛擬示波器的四通道顯示的變壓器原邊繞組電壓波形、副邊繞組兩端的電壓波形和整流電壓波形如圖5（b）所示。

在繼電器控制直流電動機正反轉電路的主回路中，選用了內部觸頭接線轉換的W172DIP－13型開關，即使控制回路的FW－BW正反轉控制按鈕開關處于開斷狀態，電動機仍能持續運轉，因為W172DIP－13轉換開關具有記憶FW－BW按鈕開關的開閉狀態功能。通過設置兩個并聯發光二極管的亮和滅，演示了改變直流電動機電樞電壓極性來改變電動機轉向的控制方法。該整流電路與繼電器控制系統銜接了新能源汽車專業的驅動電機及控制系統、高壓安全與防護、能源管理系統、電氣技術等后續課程的教學內容。

3．4 汽車應用電路

在汽車電工電子課程中有較多的電子應用電路[8]。選擇的仿真電路中，既要包含了電阻、電容、發光二極管、三極管等電子元器件，還應該含包比較、放大、穩壓、運放等基本形式的電路。在三極管應用的仿真教學任務中，設計并演示的汽車聲光報警電路如圖6所示，發光二極管D1和D2輪流閃爍，同時電喇叭發聲報警。

圖6 汽車聲光報警電路

在比較運算放大器應用的仿真教學任務中，設計和演示的汽車蓄電池電壓過低報警電路如圖7所示。其中，應用了LM471運算放大器，將12V正常電壓的蓄電池組與電壓為9．8V的電壓過低蓄電池電阻相并聯，在發光二極管的兩端設置了電壓探針，在支路中加入了電流探針。在仿真教學演示中，通過開關切換觀察和比較兩種電壓下發光二極管的滅亮情況，驗證蓄電池電壓過低報警電路設計的正確性。

圖7 汽車蓄電池電壓過低報警電路

3．5 電路設計應注意事項

在Proteus軟件平臺的仿真電路設計中，需要注意一些有關事項。首先，在模擬電路中，交流系統與直流系統需要各自獨立設置接地點。在圖5a中，單相變壓器的原邊繞組與副邊繞組至少要有一側接地，同時要設置合理的原邊繞組與副邊繞組的電阻和電感值。否則，變壓器副邊繞組一側交流母線電流發生過載，熔斷器的的熔絲就會熔斷。其次，在同一個直流或交流系統中，需要合理設置接地點并配合電壓探針或電壓表的測量。例如，在圖1所示的基爾霍夫電路定律驗證電路中，如果在D、E、F三點中一個接地點都沒有設置，則電壓探針不會正確顯示B點電壓為6V，而是3．52459V。在非純電阻電路或者含有電抗元件的電路中，需要對元件參數合理設置，否則，在仿真時系統會因為電路時間常數不合理而中斷運行甚至不能運行。

4 結論

通過教研項目“汽車電工電子課程理實一體化教學平臺建設”的實施，在汽車電工電子課程教學中開展仿真教學，解決了實訓實驗室不具備條件時如何進行教學的實際問題。在仿真教學中設計和應用的典型電路與系統，通過教師演示和學生們的使用，增強了直觀性和趣味性，加強了學生們對重點難點知識要點的理解和掌握，提高了學生們對課程的學習興趣和積極性。通過對包括農民工和復原專業軍人等特殊教學對象在內的三屆學生的教學實踐，經過考核結果分析與評估，達到了教改課題預期目標。

本文中很少提及的數字電路仿真教學內容，在課題實施中主要與C語言程序設計、汽車單片機應用等課程相結合，設計和應用的單片機應用教學仿真電路與系統更具有新穎性、典型性和趣味性，在教學中也取得了良好效果。在以后的汽車電工電子課程教學中，仿真教學項目任務和內容還要進一步優化和改進，以適應新能源汽車、智能汽車技術等專業發展的新要求。