直流拖動控制系統(tǒng)教學(xué)改革探討與實施

高娟娟+史順東+劉福才+朱浩然

[摘要]針對直流拖動控制系統(tǒng)課程傳統(tǒng)教學(xué)偏重于理論教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力不足等問題，提出了教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方案——理論教學(xué)與課程項目相結(jié)合，給出了具體的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)項目實施方案，并通過教學(xué)跟蹤與考核可觀的評價學(xué)生學(xué)習(xí)理解程度、實驗分析能力及系統(tǒng)設(shè)計能力。改革后的教學(xué)方案能更好地培養(yǎng)學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)生運用所學(xué)知識解決工程問題的能力，使學(xué)生具備獨立設(shè)計系統(tǒng)及其安裝調(diào)試的能力。提出一些待改進(jìn)問題，如實訓(xùn)時間規(guī)劃調(diào)整、硬件選型改進(jìn)。

[關(guān)鍵詞]工程實踐；直流調(diào)速；系統(tǒng)設(shè)計；安裝調(diào)試

[中圖分類號]G642[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2017）02006504

0引言

近年來，國家大力支持高等教育的發(fā)展，特別重視提高工科類院校學(xué)生工程實踐能力，教育部組織實施的“質(zhì)量工程”對加強(qiáng)高校的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)提出了新的要求。因此，工科專業(yè)必須把培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力作為教學(xué)計劃的重點來抓。

《直流拖動控制系統(tǒng)》是高等學(xué)校本科電氣自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)限選課。該課程主要講授直流拖動自動控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)以及近年來發(fā)展較快的脈寬調(diào)制（PWM）等系統(tǒng)，是自動化專業(yè)的核心課程，它既有完整的理論體系，又有很強(qiáng)的實踐性，是一門把理論基礎(chǔ)應(yīng)用到工程實踐中去的典型課程，不但能培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)概念，還能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基本理論與方法進(jìn)行工程設(shè)計的能力。該課程的教學(xué)質(zhì)量對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)以及未來就業(yè)起著至關(guān)重要的作用。

本文首先分析了該課程以往教學(xué)的不足，針對具體問題提出了改革方案，給出了具體的實施過程。通過專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計項目，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計與工程能力，對系統(tǒng)分析、測試解決實際工程問題能力。學(xué)院將理論與實踐相結(jié)合，摸索出了一套科學(xué)的、行之有效的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)改革新方案。

1課程現(xiàn)狀

《直流拖動控制系統(tǒng)》課程的教學(xué)目的與任務(wù)是：讓學(xué)生獲得直流拖動控制系統(tǒng)必要的基本理論、基本知識和基本技能，了解直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與國內(nèi)外直流拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，能獨立地應(yīng)用這些基本概念、基本理論和基本方法來分析和計算實際工程中遇到的問題。

許多高校已開設(shè)《直流拖動控制系統(tǒng)》課程，但課程改革相對落后。傳統(tǒng)教學(xué)仍然停留在理論教學(xué)層面，注重培養(yǎng)學(xué)生對直流調(diào)速系統(tǒng)的理解與設(shè)計，教授學(xué)生各類直流系統(tǒng)的工作原理與性能分析，導(dǎo)致很少學(xué)生能做到學(xué)以致用，將所學(xué)知識應(yīng)用到實際系統(tǒng)設(shè)計中，不能夠做到“所學(xué)即所用”。近年來，一些高校陸續(xù)展開了本課程的教學(xué)改革探討。晏永紅認(rèn)為直流電機(jī)調(diào)速教學(xué)為主的電力拖動自動控制系統(tǒng)不能適應(yīng)當(dāng)今交流電機(jī)控制主流趨勢，提出了以計算機(jī)技術(shù)為教學(xué)手段，配合交流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容的理論和實踐改革措施，在教學(xué)實施中收到了良好的效果[1]。馮興田提出了“以工程設(shè)計學(xué)理論、以模型仿真促實踐、以科研案例析應(yīng)用”的教學(xué)改革理念。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法等方面設(shè)計了實施方案，注重培養(yǎng)學(xué)生的理論分析、實踐動手和科研創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)效果[2]。陳梅介紹了一種新型直流調(diào)速實驗裝置，通過HMC面板完成參數(shù)測試，基于PC設(shè)計控制系統(tǒng)并建立Matlab模型，控制電動機(jī)組。改進(jìn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生工程設(shè)計能力，鞏固了對課堂內(nèi)容的理解[3]。

燕山大學(xué)在本文所述課程改革之前，主要教學(xué)手段和方法為：課堂教學(xué)（選用多媒體課件）與課程設(shè)計相結(jié)合，課堂教學(xué)教材使用陳伯時的《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（運動控制系統(tǒng)第3版）[4]，課程設(shè)計有指導(dǎo)教師分發(fā)題目，設(shè)計內(nèi)容往往以理論設(shè)計為主。教學(xué)方式相對單一，加之課程理論深度較高、學(xué)習(xí)難度大以及近些年來課時壓縮等，導(dǎo)致原有教學(xué)方式不能充分培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，因此不適合當(dāng)前的人才培養(yǎng)計劃。筆者就該課程教學(xué)現(xiàn)狀提出以下幾點問題。

1） 理論與實踐脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力偏低，不能夠做到學(xué)以致用。本課程屬高等教育的專業(yè)技術(shù)課程，旨在教授學(xué)生直流拖動控制理論知識的基礎(chǔ)之上，讓學(xué)生具備一定的獨立工程設(shè)計能力。以往的教學(xué)，主要側(cè)重于理論知識的教授，方式只停留在書本內(nèi)容上，學(xué)生工程設(shè)計能力培養(yǎng)則只體現(xiàn)在課程設(shè)計上。以往的課程設(shè)計幾乎全部是模式化理論設(shè)計，并沒有根據(jù)設(shè)計內(nèi)容搭建實際系統(tǒng)，將其應(yīng)用到工程中，進(jìn)而也很難驗證系統(tǒng)的實用性、可靠性。因此，提高教學(xué)效果，提升學(xué)生的實際工程設(shè)計能力的方法對本課程的教學(xué)改革顯得尤為重要。

2） 課時減少，引入多媒體教學(xué)，導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)效率降低。近些年來，一些其他科目的引入等原因，導(dǎo)致本課程教學(xué)課時減少。隨著電腦技術(shù)不斷提高，多媒體教學(xué)使用率增加，大大提升了課堂教學(xué)的內(nèi)容量，解決了課時減少教學(xué)內(nèi)容不能完成的顧慮，也導(dǎo)致學(xué)生課堂內(nèi)用信息量太大，不能有效地將課堂知識化為己用，學(xué)生課堂做筆記的時間是有限的，導(dǎo)致學(xué)生大多數(shù)只是被動地接受知識，注意力不集中，課堂學(xué)習(xí)效率低下。此外，理論基礎(chǔ)不牢固可能導(dǎo)致學(xué)生在實際工程設(shè)計中，不知道如何去開展、設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)，甚至只參照課本或者教師教學(xué)內(nèi)容搭建了系統(tǒng)。

針對上述問題，本文從教學(xué)內(nèi)容上做出了一些調(diào)整。課堂教學(xué)中，有重點的教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對重要知識點的理解與記憶；開設(shè)習(xí)題課，鞏固和深化對課程內(nèi)容的理解，提高控制系統(tǒng)分析能力；增設(shè)實訓(xùn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，通過小組式完成實際系統(tǒng)的設(shè)計，更好地培養(yǎng)自動化專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和綜合素質(zhì)。

2教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

本次教學(xué)改革內(nèi)容的調(diào)整，旨在培養(yǎng)學(xué)生對直流拖動控制系統(tǒng)基本理論、基本知識、基本技能的理解；掌握單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的工作原理；通過實訓(xùn)項目設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力，并培養(yǎng)其分析問題、解決問題的能力及對實際直流拖動控制系統(tǒng)的認(rèn)識能力。

2.1教學(xué)內(nèi)容

針對燕山大學(xué)該課程以往教學(xué)方式上存在的理論與實踐脫節(jié)、課堂學(xué)習(xí)效率低等不足，提出了教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方案：從原先的純理論課堂教學(xué)（56學(xué)時）調(diào)整為課堂理論教學(xué)（40學(xué)時）與課程研究項目（16學(xué)時）相結(jié)合，具體課程學(xué)時分配如表1所示。

實訓(xùn)項目開展，目的是為了使學(xué)生在掌握電力拖動自動控制系統(tǒng)課程理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式單片機(jī)技術(shù)和模擬電路等知識深入了解并掌握電機(jī)控制的相關(guān)知識與設(shè)計，使學(xué)生具備獨立設(shè)計并搭建直流調(diào)速系統(tǒng)及其安裝調(diào)試的基本能力，提高綜合應(yīng)用已有知識解決工程實際問題的能力，更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和綜合素質(zhì)。

2.2項目內(nèi)容

直流拖動控制系統(tǒng)課程教學(xué)調(diào)整的重點是在教學(xué)環(huán)節(jié)過程中加入動手實踐項目環(huán)節(jié)——PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，該項目是《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)的一個重要組成部分。

PWM直流調(diào)速系統(tǒng)項目以小組式展開，2名學(xué)生為1組，從最初的方案制定、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件編程調(diào)試到最終實現(xiàn)控制要求都需要學(xué)生相互協(xié)作、獨立完成，2人分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件設(shè)計；在最終的項目報告中標(biāo)明每人在項目中負(fù)責(zé)的內(nèi)容。項目進(jìn)行整個過程中，配置4名實驗老師對學(xué)生進(jìn)行全程跟蹤輔導(dǎo)，并提供實踐項目所需要的工具及實驗室等。項目內(nèi)容安排見表2，要求實教老師對學(xué)生各階段都要進(jìn)行檢查考核。

3實訓(xùn)環(huán)節(jié)實施

本課程項目的實施，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生以下幾點能力：（1）理解PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計原理及具體實施方案；（2）用一種編程軟件對嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)編程調(diào)試，用軟件繪制系統(tǒng)框圖和系統(tǒng)原理圖；（3）小組式團(tuán)隊分工協(xié)作，培養(yǎng)團(tuán)隊意識，交流表達(dá)及組織管理能力，掌握撰寫系統(tǒng)報告方法。

下面針對上述培養(yǎng)要求給出實訓(xùn)的實施方案，主要包括系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件部分設(shè)計、軟件部分設(shè)計以及項目實施過程中遇到的幾點問題與改進(jìn)方案。

3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

PWM直流調(diào)速系統(tǒng)實訓(xùn)，采用STM32嵌入式單片機(jī)作為控制器，選用PWM直流調(diào)速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過編碼測速做反饋控制調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入部分可以選擇鍵盤或者觸摸屏，輸出顯示部分可以選擇數(shù)碼管或液晶顯示屏。學(xué)生可根據(jù)指導(dǎo)教師給出概要方案自己動手搭建系統(tǒng)，圖1為具體實施范例。

圖1中，選用矩陣鍵盤作為系統(tǒng)控制輸入，液晶屏幕作為系統(tǒng)顯示。PWM控制選用可逆PWM變換器，其主電路形式多樣，最常用的是橋式（亦稱H形）電路。電動機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種。圖1中選用的是單極式PWM驅(qū)動模塊L298N驅(qū)動12V直流電機(jī)。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

1） 電源模塊設(shè)計。實訓(xùn)系統(tǒng)采用220V交流供電，學(xué)生需要根據(jù)原理圖，自己動手設(shè)計整流電路[5]，把220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電。整流電路原理如圖2所示，主要由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓部分組成，交流220V通過變壓器、整流器、電解電容、穩(wěn)壓管LM7812和LM7805輸出12V直流電和5V直流電。

2） 控制部分器件選型。針對首次PWM直流調(diào)速系統(tǒng)項目實施中，控制電路部分讓學(xué)生自主選型采購造成郵費增加、資源浪費、采購無發(fā)票、經(jīng)費范性支出難規(guī)等問題，在第二次實訓(xùn)中，控制部分器件的統(tǒng)一采購，控制部分設(shè)備采購清單如表3所示。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，使用KEIL或IAR軟件程序編寫，主要包括LCD顯示、矩陣鍵盤掃描、PWM電機(jī)驅(qū)動、正交編碼測速、PID調(diào)速等部分。指導(dǎo)教書負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會使用軟件建立工程文件并載入單片機(jī)，實現(xiàn)程序功能；指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)1602 模塊時序圖，編寫LCD顯示程序；教授學(xué)生矩陣鍵盤行列掃描原理，學(xué)生需根據(jù)原理編寫STM32按鍵掃描程序；教授學(xué)生編碼測速資料和數(shù)字式PID公式原理，學(xué)生需自己查閱資料，完成編碼測速程序和通過PID反饋控制實現(xiàn)PWM直流電機(jī)調(diào)速程序的編寫與調(diào)試。STM32單片機(jī)GPIO、TIM等功能程序參考STM32庫函數(shù)開發(fā)實戰(zhàn)指南編寫[6]。

3.4問題及改進(jìn)

1） 本次實訓(xùn)選用的12V直流測速電機(jī)，測速碼盤采用霍爾傳感器，測速碼盤只有13線，即電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周輸出13個周期脈沖，測速精度低。下次采購建議選用精度更高的編碼測速傳感器，如日本萬寶至的385PH16140測速電機(jī)，測速碼盤具有448線，輸出AB兩路正交脈沖信號。

2） 控制部分與電機(jī)動作部分為電源模塊統(tǒng)一供電，變壓器輸出功率僅為2.04W，選用的12V直流電機(jī)額定功率則為4.32W，在電機(jī)低速運行時電源提供功率不足，造成控制系統(tǒng)重啟，下次建議選用8W以上功率的電壓器。

3） STM32主控板選擇，綜合考慮成本、功能實現(xiàn)及端口裕量，下次實訓(xùn)建議選擇108針腳的STM32F103V8T6核心板。

4） 實訓(xùn)工作任務(wù)包括電源制作及控制部分安裝連接、KEIL軟件及STM32庫函數(shù)使用、各模塊程序編寫幾部分。任務(wù)量較重，在規(guī)定時間內(nèi)，只有幾組有STM32編程基礎(chǔ)的學(xué)生獨立完成任務(wù)；其余同學(xué)則是在講解的例程上，一部分進(jìn)行程序修改編寫，一部分甚至不懂如何編寫程序。建議下次實訓(xùn)適當(dāng)增加學(xué)時，最終項目內(nèi)容進(jìn)度表如表4所示。

4教學(xué)跟蹤與考核

1） 教學(xué)跟蹤。課堂教學(xué)和實訓(xùn)項目過程中分別進(jìn)行了階段性測試，客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和進(jìn)度，有針對性地做出適當(dāng)課程調(diào)整，以便達(dá)到更好的教學(xué)效果，讓學(xué)生更多更好地深入理解本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容。項目實訓(xùn)階段分配4名實驗員，給學(xué)生做出宏觀方向指導(dǎo)，分節(jié)點檢查學(xué)生硬件系統(tǒng)搭建、程序調(diào)試情況。在學(xué)生遇到問題不能獨立解決時，實驗員能夠盡快作出指導(dǎo)，以便在實訓(xùn)規(guī)定時間內(nèi)能夠完成實訓(xùn)規(guī)定任務(wù)。

2） 教學(xué)考核。直流拖動控制系統(tǒng)課程最終教學(xué)考核主要由平時測試情況（5%）、作業(yè)完成情況（5%）、出勤率（5%）、項目情況（35%）和卷面考核成績（50%）構(gòu)成。其中，項目情況又包括幾個方面：團(tuán)隊合作情況、項目完成情況、演示匯報情況。卷面考核可以用來評價學(xué)生對本課程的了解及理論學(xué)習(xí)深度；根據(jù)演示匯報和項目完成情況可以看出學(xué)生的實際工程設(shè)計能力；團(tuán)隊合作情況培養(yǎng)學(xué)生良好的團(tuán)隊合作意識，并在團(tuán)隊中發(fā)揮作用。

5結(jié)論

本文首先分析了燕山大學(xué)《直流拖動控制系統(tǒng)》課程以往教學(xué)方式的不足：（1）理論與實踐脫節(jié)導(dǎo)致學(xué)生工程實踐能力偏低，不能夠做到學(xué)以致用；（2）課時減少，引入多媒體教學(xué)，導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)效率降低。提出了教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方案：理論教學(xué)與課程研究項目相結(jié)合。給出了具體的實施過程，并通過兩次PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計實訓(xùn)，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，分析并解決問題，理論結(jié)合實踐，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，提出了一套科學(xué)的、行之有效的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的改革新方案。

改革后的教學(xué)方案，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，運用所學(xué)知識對系統(tǒng)組成及工作原理進(jìn)行分析設(shè)計；使學(xué)生具備獨立設(shè)計系統(tǒng)及其安裝調(diào)試的基本能力，提高綜合應(yīng)用已有知識解決工程實際問題的能力。通過教學(xué)跟蹤與考核，能比較客觀地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)理解程度、實驗分析能力及系統(tǒng)設(shè)計能力，很好地區(qū)分了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。在項目實施過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題待改進(jìn)，如實訓(xùn)時間規(guī)劃調(diào)整、硬件選型改進(jìn)，使學(xué)生更充分地理解學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

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[6]劉火良，楊森.《STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南》[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

AbstractThe traditional teaching of DC drive control system focus on theoretical teaching，it leads to problems such as lower project practice ability of students.According to the problems，teaching content adjustment scheme is proposed about combination of theory teaching and curriculum project in this paper.This paper puts forward the specific project implementation scheme of the PWM DC speed control system，and through the tracking teaching and examination objective evaluation of students′ understanding situation，experimental analysis ability and systematic design ability.The reform teaching scheme can cultivate students′ understanding of course content better，improve students′ability to use knowledge to solve engineering problems，make the students have the ability of independent design system and its installation and debugging.Finally，some problems in need of improvement are put forward，such as planning adjustment to the training time and the improvement of hardware selection.

Keywordsengineering practice；DC speed control；system design；installation and debugging