課程設(shè)計(jì)在電氣主干課教學(xué)中的橋梁作用

陳 權(quán)，楊喜軍，李國(guó)麗，鄭常寶

(1.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽合肥230601;2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240)

0 引言

“電子技術(shù)(模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù))”、“電力電子技術(shù)”和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的三門主干課程。學(xué)生需要在兩學(xué)年內(nèi)依次學(xué)完這三門課:培養(yǎng)計(jì)劃這樣安排課程次序有一定的科學(xué)性，是沿著由簡(jiǎn)易至繁難、由理論至應(yīng)用、由低級(jí)至高級(jí)的順序安排。但如此安排課程存在一個(gè)問題:盡管學(xué)生順利地通過這些課程的考試(考查)，并取得好的成績(jī)，但是到了畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，由于學(xué)生缺乏系統(tǒng)級(jí)的思考能力，從而很難將過去所學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)[1]。針對(duì)這一問題，很多學(xué)校采取了有益的教改方案，如因材施教、分類培養(yǎng)和拔尖人才培養(yǎng)等，目的是挖掘?qū)W生的潛力[2，3]。然而，大學(xué)教師不應(yīng)僅僅做到傳授每門課程的知識(shí)，還應(yīng)教會(huì)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及知曉所學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性。

本文所介紹的教學(xué)方法，受網(wǎng)絡(luò)電子地圖搜索啟發(fā):在搜索窗口輸入某個(gè)地址，電子地圖將精確地提供位置，衛(wèi)星地圖功能甚至可以看清楚街景。但如果要迅速明確目的地在地圖中的位置。則必須調(diào)整地圖比例，使該目的地“縮小”為一個(gè)小點(diǎn)，如果根據(jù)“放大”方式搜索街景，將無法明確知道如何到達(dá)此地。這三門課的傳統(tǒng)教學(xué)，就如同地圖搜索的“放大”方式，學(xué)生只了解或掌握了各門課程的具體內(nèi)容，等到畢業(yè)時(shí)仍不能知曉如何綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)功能系統(tǒng)，因?yàn)閷W(xué)生沒有將所學(xué)知識(shí)“縮小”，來宏觀把握所學(xué)知識(shí)間的聯(lián)系。

根據(jù)國(guó)家教育部培養(yǎng)高層次人才要求，現(xiàn)階段的本科生培養(yǎng)方案均重視了實(shí)踐教育環(huán)節(jié)，對(duì)于工科專業(yè)，課程設(shè)計(jì)是重要的實(shí)踐教育方式之一[4]。我們可以借助典型的課程設(shè)計(jì)，采用上述教學(xué)方法，使學(xué)生將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。

1 課程間的關(guān)系

圖1給出了“電子技術(shù)”、“電力電子技術(shù)”和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”三門課程之間的關(guān)系。作為系統(tǒng)級(jí)的課程，“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”涉及電機(jī)理論、自動(dòng)控制理論、機(jī)械系統(tǒng)模型、傳感與檢測(cè)、電氣傳動(dòng)理論及電力電子技術(shù)等。作為第2層級(jí)的“電力電子技術(shù)”課程也基于一些知識(shí)，例如電路原理、固態(tài)物理、信號(hào)處理、電磁場(chǎng)和電子技術(shù)?！半娮蛹夹g(shù)”課程是很多后續(xù)課程的基礎(chǔ)，其中包括“電力電子技術(shù)”。這三門課程有一個(gè)清晰的上下層次關(guān)系。在本科生培養(yǎng)計(jì)劃制定及教學(xué)過程中，盡管不能完全顛倒這些課程的次序和內(nèi)容，但如果能夠從開始就向?qū)W生介紹這些課程之間的關(guān)系，通過課程設(shè)計(jì)就能真正認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)的作用及聯(lián)系，那么無論對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)還是專業(yè)培養(yǎng)目的實(shí)現(xiàn)都將有事半功倍的效果。因此，對(duì)于不同課程安排具有代表性的課程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的第一步。

圖1 課程之間的相互關(guān)系

1)電子技術(shù)

在我校“電子技術(shù)”課程教學(xué)中，有一個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目“基于晶閘管的調(diào)光器”，其內(nèi)容涉及晶閘管驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為主電路的變換器電路。該課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 基于晶閘管調(diào)光器的系統(tǒng)圖

圖中，斬波器(電力電子變換器)處理功率流，而SCR驅(qū)動(dòng)電路(電子電路)主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該調(diào)光器所包括的系統(tǒng)模塊如圖3所示。

圖3 基于晶閘管調(diào)光器的系統(tǒng)模塊

電力電子變換器電路包括半導(dǎo)體開關(guān)(此例中為晶閘管)、交流電源和負(fù)載(此例中為燈泡)。晶閘管觸發(fā)電路一般由7個(gè)功能模塊組成，它們分別是鎖相/過零檢測(cè)電路、緩沖器、觸發(fā)角控制單元、振蕩器、數(shù)字邏輯電路、放大器和隔離電路。以上各功能模塊正常工作需提供±5V直流電源。實(shí)際應(yīng)用中盡管可以用數(shù)字或IC電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，但是為了學(xué)生實(shí)踐在“電子技術(shù)”課程中所學(xué)大部分的知識(shí)，要求學(xué)生通過基本邏輯電路實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行該課程設(shè)計(jì)時(shí)，具體要求如下:

(1)學(xué)生3人—組，在3周內(nèi)完成并提交如下的(2)～(5)材料;

(2)帶有系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)方案，各部分完成的時(shí)間表及小組成員分工;

(3)詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔及仿真驗(yàn)證;

(4)最終設(shè)計(jì)的電路及測(cè)試結(jié)果;

(5)最終的項(xiàng)目報(bào)告和演示。

學(xué)生根據(jù)從“電子技術(shù)”所學(xué)的主要知識(shí)完成以下工作:

(1)應(yīng)用二極管整流器和LM7805電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)DC電源;

(2)采用史密斯觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)過零檢測(cè)/鎖相;

(3)采用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)緩沖器;

(4)采用74LS123及電容的充放電特性實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角控制;

(5)采用555定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)振蕩器;

(6)采用7408 TTL與門實(shí)現(xiàn)邏輯電路;

(7)采用BJT實(shí)現(xiàn)電流放大器;

(8)采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)電子電路與功率電路的隔離。

圖4給出了30°觸發(fā)角下在面膜板上搭建上述平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果。

圖4 基于晶閘管調(diào)光電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2)電力電子技術(shù)

“電力電子技術(shù)”課程主要傳授電能變換的技術(shù)，不同類型的變換器是這門課程的重點(diǎn)，也是電能變換的基礎(chǔ)，它包括 DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC等。這門課程假定學(xué)生已具備驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電磁場(chǎng)和控制電路等知識(shí)，因此在教材涉及知識(shí)時(shí)往往僅用箭頭或方框表示，甚至在分析變換器工作原理時(shí)不再提及與其他學(xué)科相關(guān)的知識(shí)。然而，這些基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)際上是經(jīng)常起作用的。例如，學(xué)生已具有“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)“基于晶閘管調(diào)光器”的基礎(chǔ)。不過，在“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生僅僅能夠看到晶閘管的外部接線端口，其內(nèi)部電路只是一個(gè)黑箱，里面內(nèi)容并不清楚。在“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)時(shí)，教師會(huì)講解:若晶閘管實(shí)現(xiàn)電能變換的功能，需要門極控制其開通，而且觸發(fā)角大小需可調(diào);其中晶閘管的開通時(shí)刻由輸入達(dá)林頓接法的雙NPN晶體管的信號(hào)控制，該控制信號(hào)由鋸齒波與觸發(fā)角控制信號(hào)經(jīng)過邏輯電路產(chǎn)生。這與“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)“基于晶閘管調(diào)光器”控制方式一致，而且觸發(fā)控制信號(hào)控制角的產(chǎn)生方式也一致，均主要由電位器與電容實(shí)現(xiàn);為了實(shí)現(xiàn)與輸入交流電源同步，亦采用了類似過零檢測(cè)的方式。與“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)不同的是:一方面，這里的晶閘管具有雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā);另一方面，這里的所有功能模塊均采用集成電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)學(xué)生得知這個(gè)黑箱的主體部分與“電子技術(shù)”中的課程設(shè)計(jì)幾乎一樣時(shí)，便會(huì)知曉所學(xué)知識(shí)之間的聯(lián)系，非常自信且順暢地進(jìn)行新課程的學(xué)習(xí)。

為了與更具綜合性的課程適當(dāng)?shù)亟⒙?lián)系，在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中涉及有關(guān)電力電子技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容，引入一些運(yùn)動(dòng)控制的概念。一般地，與電力電子技術(shù)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示?？梢?，在一個(gè)綜合性的功能系統(tǒng)中，一個(gè)復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的I/O模塊來表示。從而在課程教學(xué)中采用“縮小”方式，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)性。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

3)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

圖5所示的包含電機(jī)的通用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括了功率變換單元、電機(jī)檢測(cè)、負(fù)載和實(shí)現(xiàn)控制策略的控制器。在我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要基于DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn))和DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，從教學(xué)效果來看，這樣的實(shí)踐教育方式并不好。基于學(xué)生已進(jìn)行上述“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)及相關(guān)“電力電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)，我校電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室在授課教師的配合下，于第7學(xué)期后4周設(shè)置了一個(gè)和這門課程相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，該課程設(shè)計(jì)所涉及主要部件如下:

(1)DDSZ-1型電機(jī)及電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);

(2)負(fù)載(異步電動(dòng)機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)對(duì)拖系統(tǒng));

(3)傳感器(測(cè)速電機(jī));

(4)基于MOSFET的三相主電路、驅(qū)動(dòng)板、采樣電路;

(5)基于DSP的控制器及PC機(jī)。

基于DSP的控制器控制程序已由碩士研究生預(yù)先編制并調(diào)試，存于PC機(jī)中，學(xué)生只要按要求下載至DSP控制板運(yùn)行即可。“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)平臺(tái)框圖如圖6所示。這里僅說明“電力電子技術(shù)”課程與“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的結(jié)合。

圖6 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)平臺(tái)框圖

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容是電氣工程及其自動(dòng)化主要課程的系統(tǒng)集成。這門課程是在學(xué)生具有電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感與驅(qū)動(dòng)、控制等知識(shí)的基礎(chǔ)上，主要傳授不同傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與控制。由于在“電力電子技術(shù)”課程中的介紹，學(xué)生很容易想象出圖5的功率變換單元實(shí)際上就是一套三相開關(guān)模式的變換器。盡管一些細(xì)節(jié)被忽略，但通過“縮小”模式，學(xué)生有了整體的概念。當(dāng)需要了解各部分細(xì)節(jié)時(shí)，學(xué)生可以在框圖中“放大”一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)一步了解。對(duì)電力電子技術(shù)的理解，有助于學(xué)生設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如圖6所示的功能模塊。圖7為課程設(shè)計(jì)進(jìn)行過程中測(cè)量異步電機(jī)側(cè)的線電壓和電流波形。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)線電壓、電流波形

2 考核與評(píng)價(jià)

我校2010級(jí)約有120名電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，我們選擇了其中20名學(xué)生(每組4人，5組，)進(jìn)行該課程設(shè)計(jì)，對(duì)這20名學(xué)生和部分沒有進(jìn)行該課程設(shè)計(jì)的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查和比較，結(jié)論是:參與“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)的學(xué)生對(duì)知識(shí)把握的系統(tǒng)性相對(duì)更強(qiáng)。從畢業(yè)論文答辯所回答問題的過程中也有相同的體現(xiàn)。

同時(shí)，20名進(jìn)行該課程設(shè)計(jì)的學(xué)生也提出一些建議，為下屆“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改進(jìn)方向提供了很好的意見。歸納如下:

(1)課程設(shè)計(jì)說明材料進(jìn)一步規(guī)范、完善;

(2)每組人數(shù)2～3人;

(3)專人負(fù)責(zé)并協(xié)調(diào)課程設(shè)計(jì)，儲(chǔ)備常用元器件;

(4)有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在課程設(shè)計(jì)前集中輔導(dǎo);

(5)在提交的報(bào)告中增加仿真與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的比較。

3 結(jié)語(yǔ)

為加強(qiáng)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生對(duì)本科階段所學(xué)知識(shí)的掌握，認(rèn)識(shí)“電子技術(shù)”、“電力電子技術(shù)”和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”等三門專業(yè)主干課程的關(guān)聯(lián)性，本文提出了三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。顯然，這三門課程有一個(gè)自上而下的聯(lián)系，“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”位于頂層(系統(tǒng)級(jí))，“電力電子技術(shù)”

位于中層(專業(yè)核心)，“電子技術(shù)”位于底層(專業(yè)基礎(chǔ))。實(shí)踐證明這三門課程不是相互分離的，位于高層的課程或概念在低層課程中體現(xiàn)并介紹，認(rèn)清這種關(guān)系，學(xué)生對(duì)知識(shí)系統(tǒng)便有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)和把握。這種教學(xué)方式使學(xué)生能知道學(xué)習(xí)每門課程的目的，從而不迷失在繁雜的知識(shí)點(diǎn)之中。

[1]Juan J.Rodriguez-Andina，Luís Gomes，and Seta Bogosyan.Current Trends in Industrial Electronics Education[J].IEEE Trans.On.Industrial Electronics.Vol.57，No.10，Oct.2010，pp 3245-3252.

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[4]教育部.國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年).2010年7月29日頒布