機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計案例教學設(shè)計與實踐*

摘" 要" 新工科建設(shè)對機電專業(yè)人才培養(yǎng)提出更高的目標和要求。機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計對培養(yǎng)機電專業(yè)復(fù)合型人才具有重要意義，但也存在教學難度大、教學效果欠佳等問題。課題組通過研究案例教學的設(shè)計策略，選取矢量控制器作為教學案例，采用TI公司的開發(fā)套件作為教具，實現(xiàn)理論教學和實踐教學一體化，達到較好的教學效果。

關(guān)鍵詞" 新工科；機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計；案例教學；矢量控制器

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0101-03

0" 引言

隨著智能制造、人工智能等新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)以及新工科建設(shè)的提出，培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力、具備國際競爭力的復(fù)合型人才，已成為工科專業(yè)人才培養(yǎng)的共識[1-2]。在此背景下，江蘇大學機械電子工程專業(yè)新開設(shè)機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計課程，將先前的機電一體化設(shè)計和機電伺服技術(shù)的核心內(nèi)容進行綜合與拓展，強調(diào)從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械和電子技術(shù)有機結(jié)合，構(gòu)造機電控制系統(tǒng)，其技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、智能制造、人工智能等領(lǐng)域。

機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計課程需要系統(tǒng)學習機械、傳感與檢測、伺服控制等多學科知識，熟悉機、電、液、氣一體化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，掌握一體化控制系統(tǒng)的接口、精度設(shè)計和可靠性等系統(tǒng)總體技術(shù)。該課程內(nèi)容豐富、學科交叉多、理論和實踐性強、創(chuàng)新要求高，如何不斷提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的理論和實踐能力，是該課程教師一直努力研究的課題[3]。

結(jié)合該課程特點，授課教師大多采用案例教學法。但以往的案例教學更多的是針對單個獨立的知識點，很難做到系統(tǒng)運用，教學效果不佳。為此，課題組針對現(xiàn)有問題，對該課程案例教學策略進行研究，設(shè)計一套可供拓展并具有很強實踐性的教學案例及教學方法，達到較好的教學效果。

1" 以往案例教學存在的問題

案例教學法是通過設(shè)計合理的教學案例，把理論知識傳授、分析設(shè)計能力與實踐能力培養(yǎng)等教學內(nèi)容融入其中，引導(dǎo)學生自主探索、分析、解決案例中包含的科學和技術(shù)相關(guān)問題，從而掌握相應(yīng)的理論知識和實踐能力。由于課程的特點，在以往案例教學過程中存在諸多問題，導(dǎo)致教學效果不佳，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1" 案例單一，系統(tǒng)性不足

機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容涉及多個學科，講課時往往分章節(jié)講授，針對不同內(nèi)容選取對應(yīng)的案例教學。例如：講授傳感器時，會選取旋轉(zhuǎn)變壓器相關(guān)的案例；講授電機控制時，會選取直流電機調(diào)速系統(tǒng)的案例。這種方式將各個知識點進行人為分割，不能建立系統(tǒng)聯(lián)系，教學效果不佳。

1.2" 案例理論性不強

電梯是機電一體化案例教學時常用的案例[4]，其具有一定的系統(tǒng)性，而且學生喜聞樂見，易于接受。但由于電梯行業(yè)的多樣化和自身商業(yè)屬性，電梯案例過于工程化和模塊化，許多理論知識無法深入展開。例如：曳引機采用的是異步電機還是同步電機？是電勵磁還是永磁？電機采用何種控制策略？由于行業(yè)細分太多，很難給學生一個統(tǒng)一的答案，一定程度上使案例流于表面化，對核心知識涉獵不夠。

1.3" 案例創(chuàng)新性不夠

直線一級倒立擺也是機電一體化課程教學中經(jīng)常推薦使用的案例[5]，它把機械模型、控制理論和計算機技術(shù)有機地結(jié)合在一起，能很好地反映機電一體化的特征，但在新工科建設(shè)背景下，該案例的新穎性和創(chuàng)新性略顯不足。因此，有教師提出采用機器人的案例[6]，該案例固然體現(xiàn)出創(chuàng)新性，但由于內(nèi)容過多、硬件成本高等問題，在教學中的推廣受到限制。

2" 案例設(shè)計策略

針對上述問題，授課教師對該課程的教學案例設(shè)計策略進行研究，分別從內(nèi)容選取、教學實施、拓展創(chuàng)新等方面給予明確規(guī)劃。

2.1" 內(nèi)容選取

案例內(nèi)容的選取是開展案例教學的第一步，以高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)為目標，在知識的理論性上，案例必須賦能人工智能、智能制造等新一代信息技術(shù)知識結(jié)構(gòu)，而且具有較強的系統(tǒng)性，不能是單一的應(yīng)用案例；在實踐性上，案例必須有較好的工程價值和可操作性，方便在教學過程中培養(yǎng)學生的實踐能力、協(xié)作能力以及專業(yè)工具的使用能力；在創(chuàng)新性上，要求所選案例能培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力以及國際競爭力。

綜合上述思路，梳理課程教學內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)矢量控制器是很好的教學案例，目前工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用的變頻器、伺服控制器等產(chǎn)品，其核心就是矢量控制技術(shù)，而此類技術(shù)和產(chǎn)品長期以來被ABB、西門子等國際大廠壟斷，國內(nèi)人才相對缺乏。

2.2" 教學實施

在確定好案例內(nèi)容后，還需要充分考慮案例的教學實施：

1）該案例要盡可能地覆蓋該課程的知識點，便于理論知識的講授；

2）案例還需要有很好的工程實踐性，能設(shè)計動手實踐環(huán)節(jié)，方便學生參與其中。

構(gòu)建案例教學流程：提出問題—分析問題—學習知識理論—設(shè)計求解模型—實踐檢驗—明確結(jié)論。在這一過程中，學生通過學習知識去解決實際問題，并在實踐中強化知識和訓練能力。在矢量控制的案例教學中，可開發(fā)相應(yīng)的實驗教具，讓學生參與實踐，目前市面上此類教學工具或開發(fā)套件比較豐富，可選性大。案例教學使學生會采用矢量變換的方法解決控制問題，通過編程和仿真增強對矢量控制的理解并得到實踐鍛煉。

2.3" 拓展創(chuàng)新

案例的教學不能僅限于案例本身，要能夠舉一反三，讓學生把該案例的解決方法用于其他問題，這就需要在設(shè)計教學案例時充分考慮案例的可拓展性和創(chuàng)新性。仍以矢量控制為例，學生在掌握矢量變換的原理后，需要進一步運用該理論實現(xiàn)異步電機的矢量控制、同步電機矢量控制、最佳轉(zhuǎn)矩電流比控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等；在實踐拓展方面，學生可自主開發(fā)矢量控制的軟、硬件系統(tǒng)，甚至開發(fā)專用的矢量控制器，工程能力得到極大的訓練。

3" 矢量控制器案例教學實踐

基于上述分析，教師在教學實踐中采用矢量控制器作為教學案例，該案例很好地將知識點進行串聯(lián)，理論知識豐富，工程實踐性強，便于后期拓展。

為配套案例教學，筆者教學中選取TI公司官方推出的TMDSHVMTRPFCKIT開發(fā)套件作為教具，該套件提供一套完整的電機控制軟硬件，包含DSP控制電路、功率驅(qū)動電路、控制程序以及開發(fā)軟件，還可以選配對應(yīng)的電動機，技術(shù)資料豐富，直接面向應(yīng)用，對培養(yǎng)學生的工程實踐能力很有幫助。

3.1" 理論教學

矢量控制技術(shù)的知識體系涵蓋電機原理、自動控制技術(shù)、電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、矢量控制技術(shù)、電力電子與電力驅(qū)動技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)，基本覆蓋全部教學要求，在理論教學時可以逐一講解，最后集中歸納，具有很好的系統(tǒng)性。借助TMDSHVMTRPFCKIT開發(fā)套件中的技術(shù)資料，學生進一步加強對永磁電機與同步電機運行原理、磁場定向控制、矢量控制基本配置、數(shù)字信號處理器在電機控制上的應(yīng)用等理論知識的認識，其中大量直接面向應(yīng)用的圖文解釋，如電動機的工作原理、矢量控制原理及仿真框圖等，可有效增強學生對理論知識的理解和掌握。在教學實踐中，作為對理論知識的檢測，采用課后作業(yè)的形式，要求學生對相關(guān)的控制策略進行仿真，通過仿真結(jié)果來檢驗學習效果。

3.2" 實踐教學

借助開發(fā)套件，在進行理論教學的同時，靈活開展實踐教學，教學內(nèi)容包含電機的開環(huán)控制、閉環(huán)控制、磁場定向控制、位置伺服控制等。該開發(fā)套件提供開環(huán)和閉環(huán)控制時的軟件框圖與代碼，只需設(shè)置相應(yīng)的外部電路和軟件模塊，就可實踐操作，并通過輸出端口在線觀測控制結(jié)果。

3.3" 拓展訓練

矢量控制器開發(fā)套件是一個開放的軟、硬件系統(tǒng)，針對教學內(nèi)容進行知識講授和實踐能力培養(yǎng)的同時，還可以借助該系統(tǒng)對學生進行拓展訓練。利用該系統(tǒng)平臺，不僅可以開發(fā)電機驅(qū)動器、伺服控制器、機電液伺服系統(tǒng)等，還可以開發(fā)配套的上位機通信和檢測軟件，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的在線監(jiān)測與控制。結(jié)合教學案例和開發(fā)套件，在實踐教學過程中，組織學生開發(fā)永磁同步電機通用矢量控制器以及上位機調(diào)試和監(jiān)測軟件，如圖1所示。

該永磁同步電機通用矢量控制器及調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)成完整的電機驅(qū)動和測試平臺，也是創(chuàng)新、開放的教學平臺。學生通過修改電機及控制參數(shù)實現(xiàn)對不同電機的矢量控制，也可基于該硬件平臺，開發(fā)新的控制策略，如力矩控制、位置伺服控制等，方便二次開發(fā)和系統(tǒng)升級。通過以上實踐，學生基本具備面向該行業(yè)應(yīng)用的自主開發(fā)能力。

4" 結(jié)束語

機電一體化技術(shù)作為我國先進制造技術(shù)的重要支撐，也是推動智能制造、人工智能發(fā)展的重要力量。在新工科建設(shè)背景下，機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計以培養(yǎng)具有國際競爭力的復(fù)合型機電人才為目標，意義重大。該課程既要講授多學科的理論知識，又要重點培養(yǎng)學生的實踐動手能力，適合采用案例教學。本課題組教師通過經(jīng)驗總結(jié)、內(nèi)容梳理、精心策劃，設(shè)計一套可供拓展并具有很強實踐性的教學案例及教學方法，實踐表明，其具有良好的教學效果，有一定的借鑒與推廣意義。

參考文獻

[1] 戴敏，曾勵，周建華.機電一體化課程案例教學研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（14）：58-59，64.

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[3] 許宇翔，郝利峰，鄭慧萌，等.“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”混合式教學模式改革[J].教育教學論壇，2020（17）：210-211.

[4] 趙月靜，李紅彥，任有志，等.電梯案例教學在《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程中的應(yīng)用[J].教育教學論壇，2017（35）：175-176.

[5] 徐洋，盛曉偉，孫志軍，等.基于案例教學的機電系統(tǒng)控制實驗探討[J].當代教育實踐與教學研究，2019（5）：188-189.

[6] 徐洋，孫志軍，孫志宏，等.基于案例的《機電系統(tǒng)設(shè)計與控制》課程教學探討[J].當代教育實踐與教學研究，2019（8）：85-86.

*項目來源：2021年度江蘇大學教改項目“新工科、學科交叉背景下機電專業(yè)學生多元化創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系研究”（2021JGYB008）。

作者：黃平林，江蘇大學機械學院，高級工程師，研究方向為機電控制技術(shù)；錢鵬飛，江蘇大學機械學院，副教授，研究方向為液壓技術(shù)（212013）。