淺談直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用型本科理論課程教學(xué)改革

摘 要：針對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中直流伺服系統(tǒng)理論較為復(fù)雜，教學(xué)思路較為混亂，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)質(zhì)量不高等問題，以應(yīng)用型本科的教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，對直流伺服系統(tǒng)理論課程從教學(xué)模式，課程教學(xué)思路，課程教學(xué)重點(diǎn)等進(jìn)行教學(xué)改革，實(shí)踐教學(xué)效果表明課程教學(xué)改革提高了學(xué)生的直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理整體認(rèn)識，思路更加清晰，重點(diǎn)更加明確，增強(qiáng)了理論學(xué)習(xí)的興趣和信心，提高了應(yīng)用型本科的系統(tǒng)理論知識教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：直流伺服系統(tǒng) 應(yīng)用型本科 教學(xué)改革 教學(xué)思路

中圖分類號：G64文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-9082（2019）10-0101-01

引言

直流伺服系統(tǒng)是以直流電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)在教學(xué)過程中涉及電工電子技術(shù)、工程控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)以及信號變換技術(shù)等多門課程，具有課程范圍廣，系統(tǒng)和理論性性較強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。目前，大部分應(yīng)用型本科院校教師在進(jìn)行教學(xué)的過程中，均按照相關(guān)教材照本宣科，沒有理清直流伺服系統(tǒng)的教學(xué)思路和教學(xué)重點(diǎn)，沒有引入生活實(shí)例講解，教學(xué)較為枯燥?？刂萍夹g(shù)理論內(nèi)容較為復(fù)雜，有些教師完全放棄理論的分析，導(dǎo)致學(xué)生對直流電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理完全沒有認(rèn)知，本文就此作研究。

一、直流伺服系統(tǒng)理論課程的教學(xué)改革

1.明確課程主線和重難點(diǎn)

根據(jù)應(yīng)用型本科直流伺服系統(tǒng)理論知識主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主線為直流電機(jī)伺服系統(tǒng)-直流電機(jī)靜態(tài)特性和調(diào)速指標(biāo)-直流電機(jī)PWM調(diào)速-直流電機(jī)動(dòng)態(tài)特性-直流電機(jī)速度單閉環(huán)設(shè)計(jì);課程重點(diǎn)為靜態(tài)特性和調(diào)速指標(biāo)、PWM調(diào)速、速度單閉環(huán)設(shè)計(jì);課程難點(diǎn)為速度單閉環(huán)設(shè)計(jì)。

2.直流電動(dòng)機(jī)的生活實(shí)例引入

直流電動(dòng)機(jī)常應(yīng)用于對啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場合，如賓館高速電梯、城市電車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、等機(jī)械中，可以增加教學(xué)互動(dòng)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.直流伺服系統(tǒng)的基本原理

以鑒幅型直流伺服系統(tǒng)為例闡述伺服工作原理。介紹位置檢測信號與相敏放大器和位置調(diào)節(jié)器構(gòu)成位移信號的反饋和調(diào)節(jié)，速度檢測與速度調(diào)節(jié)構(gòu)成速度信號反饋和調(diào)節(jié)，使學(xué)生對直流伺服系統(tǒng)的基本工作原理有初步的了解。

4.直流電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)特性和調(diào)速指標(biāo)

由直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程、感應(yīng)電動(dòng)勢方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。在最終轉(zhuǎn)速公式中分別就轉(zhuǎn)速對電阻、電樞電壓和磁通的值變化進(jìn)行研究，得到穩(wěn)態(tài)特性和調(diào)速指標(biāo)，使學(xué)生掌握靜態(tài)特性和調(diào)速指標(biāo)的分析方法。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在電機(jī)調(diào)速中調(diào)節(jié)電壓較為方便，為后續(xù)PWM調(diào)速做好鋪墊。

5.直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速

PWM調(diào)速實(shí)質(zhì)是一種有效電壓值調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中，PWM波相當(dāng)于是一個(gè)開關(guān)信號，PWM信號通過電子開關(guān)將直流按要求進(jìn)行斬波，通過控制有效電壓控制轉(zhuǎn)速。由于PWM的參數(shù)可以間接控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以就引申出如何進(jìn)行PWM調(diào)制。因?yàn)镻WM電壓信號較低不能快速通斷電子開關(guān)，所以需要基極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行信號處理。由電子開關(guān)布局電路可知只能一側(cè)導(dǎo)通，所以PWM需要設(shè)計(jì)邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。最終學(xué)生能夠掌握PWM調(diào)速的原理和過程。

6.直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過程

直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過程簡而言之就是研究轉(zhuǎn)速、電流隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過電動(dòng)力學(xué)方程和電樞的暫態(tài)方程進(jìn)行拉氏變換得到轉(zhuǎn)速、電流對電壓的傳遞函數(shù)，然后經(jīng)過反拉氏變換可以求出對階躍電壓信號的響應(yīng)，也就得到了轉(zhuǎn)速、電流隨時(shí)間的變化規(guī)律。最后使學(xué)生了解直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程，為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)做好鋪墊。

7.直流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在理解了直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程之后，進(jìn)行直流伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。針對應(yīng)用型本科教學(xué)重點(diǎn)是理解原理和熟悉方法的特點(diǎn)，側(cè)重講解如何設(shè)計(jì)速度單閉環(huán)，對復(fù)雜的電流、速度雙閉環(huán)，電流、速度和位置閉環(huán)進(jìn)行了簡述。針對速度單閉環(huán)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，首先需簡述為什么PWM調(diào)速環(huán)節(jié)是滯后環(huán)節(jié)以及可以簡化為一階慣性環(huán)節(jié);其次簡述由電樞的暫態(tài)方程、感應(yīng)電動(dòng)勢方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和電動(dòng)力學(xué)方程和經(jīng)過傳遞函數(shù)簡化可得到0型系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)，所以速度單閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)存在穩(wěn)態(tài)誤差，需要進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，將其校正為Ⅰ型系統(tǒng)。最后按照工程二階最佳系統(tǒng)參數(shù)來確定速度閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)參數(shù)，并對速度閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，響應(yīng)快速性等指標(biāo)進(jìn)行簡要分析。最后總結(jié)，經(jīng)過校正的速度單閉環(huán)系統(tǒng)不僅符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，還具有精度高，快速響應(yīng)特點(diǎn)。簡化過程推導(dǎo)，使學(xué)生從繁瑣的理論中解放出來，重點(diǎn)熟悉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法。

二、結(jié)束語

根據(jù)應(yīng)用型本科生特點(diǎn)，以應(yīng)用型本科教學(xué)要求和教學(xué)目的為基礎(chǔ)，對直流伺服系統(tǒng)理論課程進(jìn)行了如上所述教學(xué)改革。實(shí)踐教學(xué)反饋表明，學(xué)生對直流伺服系統(tǒng)原理和概念認(rèn)識更加清晰，對課程的主線更加明確，對課程重點(diǎn)更加熟悉，對課程重點(diǎn)更加了解。學(xué)生不僅對基礎(chǔ)理論有比較好的掌握，又避開了繁瑣的公式推導(dǎo)，對直流伺服系統(tǒng)的分析方法、設(shè)計(jì)思路、調(diào)節(jié)方法都有較好的掌握，對后續(xù)課程充滿興趣和信心，達(dá)到了應(yīng)用型本科的教學(xué)要求和目的。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇再軍，黃艷香.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探討[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2017（10）：169-171.

[2]陳成軍，李東年. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例教學(xué)研究與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2017（9）：54-57.

作者簡介：何政洋（1991.7-），男，漢族，四川宜賓，碩士研究生，助教，研究方向：工程機(jī)械、機(jī)電控制。