專(zhuān)題式“電氣傳動(dòng)控制”課程教學(xué)方法探討

摘要：針對(duì)“電氣傳動(dòng)控制”課程涉及到多學(xué)科融合、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，以及采用傳統(tǒng)理論教學(xué)方式教學(xué)效果不佳的問(wèn)題，提出了一種基于不同類(lèi)型電機(jī)和調(diào)速控制策略的專(zhuān)題式教學(xué)方法，通過(guò)以傳動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為核心的相關(guān)支撐知識(shí)講授和應(yīng)用，比較好地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：電氣傳動(dòng)控制；教學(xué)方法；專(zhuān)題式教學(xué)；系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）17-0075-02

“電氣傳動(dòng)控制”課程是電氣工程專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課程，主要講述電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)代控制方法，如基于電力電子變流器的直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制方法，交流電動(dòng)機(jī)的變頻器調(diào)速控制、伺服系統(tǒng)的控制方法等，目的是使學(xué)生掌握現(xiàn)在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、原理及實(shí)現(xiàn)方法，為電氣傳動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。該課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，涉及到電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)等多門(mén)學(xué)科。[1，2]傳統(tǒng)的教學(xué)方式是從支撐傳動(dòng)控制的基礎(chǔ)理論入手，在介紹完相關(guān)的電機(jī)模型、變流器調(diào)制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信號(hào)檢測(cè)技術(shù)之后再介紹傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，最后以仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種講授方法在前期灌輸了大量、復(fù)雜的理論知識(shí)，學(xué)生一時(shí)體會(huì)不到其應(yīng)用性，很容易造成學(xué)習(xí)疲勞。一些學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題提出了一些教學(xué)方式改革，如文獻(xiàn)[3]、[4]提出了以實(shí)踐設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的教學(xué)方法，通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)“電氣傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程等方式，促使學(xué)生把所掌握的知識(shí)系統(tǒng)化、實(shí)踐化。文獻(xiàn)[5]提出采用現(xiàn)場(chǎng)直觀教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、知識(shí)回顧等方式來(lái)提高教學(xué)效果。

實(shí)際上“電氣傳動(dòng)控制”課程最終目標(biāo)是解決各種類(lèi)型電機(jī)的控制問(wèn)題，因此，直接以電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)為核心來(lái)組織課程學(xué)習(xí)，會(huì)有更強(qiáng)的針對(duì)性，構(gòu)建系統(tǒng)所需的理論直接用于解決實(shí)際問(wèn)題，可使學(xué)生體會(huì)到學(xué)以致用的好處，也容易激發(fā)學(xué)生的興趣。當(dāng)一個(gè)個(gè)調(diào)速控制被實(shí)現(xiàn)之后，學(xué)生也會(huì)很有成就感。因此，采用基于調(diào)速控制系統(tǒng)專(zhuān)題的教學(xué)方法不失為一種高效易行的“電氣傳動(dòng)控制”課程教學(xué)方法。

一、“電氣傳動(dòng)控制”課程的主要內(nèi)容

各個(gè)高校的“電氣傳動(dòng)控制”課程講授內(nèi)容會(huì)結(jié)合各學(xué)校自身的培養(yǎng)要求和目標(biāo)定位而有所不同，課程設(shè)置的課時(shí)也不盡相同。個(gè)人認(rèn)為，以培養(yǎng)具有“熟知”（即熟練掌握典型電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和特性）、“設(shè)計(jì)”（即能針對(duì)控制對(duì)象特點(diǎn)和要求完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）和“實(shí)現(xiàn)”（即根據(jù)設(shè)計(jì)好的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠選擇相應(yīng)的硬件和軟件，完成系統(tǒng)構(gòu)建）三個(gè)層次能力的高素質(zhì)電氣工程師而言，“電氣傳動(dòng)控制”課程的主要內(nèi)容應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：第一，電氣傳動(dòng)控制技術(shù)概述。介紹電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，現(xiàn)代電氣傳動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢(shì)。第二，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。介紹調(diào)速范圍、調(diào)差率、超調(diào)量、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降、等穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)。第三，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。重點(diǎn)介紹交流電動(dòng)機(jī)在abc坐標(biāo)系、αβ坐標(biāo)系、dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及各個(gè)坐標(biāo)系間的變換關(guān)系。第四，調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括調(diào)速系統(tǒng)建模、控制結(jié)構(gòu)選擇、調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)等。第五，調(diào)速控制策略。介紹交直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速控制方法，如直流電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速控制、異步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比調(diào)速控制、交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。第六，變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其PWM控制。介紹變流器的結(jié)構(gòu)形式及其PWM控制和實(shí)現(xiàn)方法。第七，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真。基于MATLAB/Simulink、Simplore等軟件的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的模型建立及其調(diào)速特性仿真。第八，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。介紹電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的模擬及數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方法、電機(jī)角位置/轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、電壓及電流反饋信號(hào)的獲取，完成軟、硬件系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)。

二、“電氣傳動(dòng)控制”課程的專(zhuān)題劃分

根據(jù)前面的分析可知，“電氣傳動(dòng)控制”課程的講授內(nèi)容主要是圍繞傳動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，講授了系統(tǒng)模型、控制指標(biāo)、控制策略、傳動(dòng)控制閉環(huán)設(shè)計(jì)、變流器PWM技術(shù)、系統(tǒng)性能分析等。其最終目的是在理解傳動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)某一給定控制對(duì)象特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過(guò)軟、硬件實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。因此，“電氣傳動(dòng)控制”課程的講授，可以根據(jù)控制電機(jī)類(lèi)型和控制策略的不同劃分為幾種傳動(dòng)控制系統(tǒng)專(zhuān)題，每一個(gè)專(zhuān)題只圍繞一種電機(jī)的控制方法，介紹其構(gòu)成、原理、模型、控制、實(shí)現(xiàn)（包括仿真和實(shí)驗(yàn)）以及特性，還可以介紹該類(lèi)型電機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，開(kāi)闊學(xué)生視野。每一個(gè)專(zhuān)題都可構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，以系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)出來(lái)的知識(shí)點(diǎn)都是緊緊圍繞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)，便于學(xué)生感受其實(shí)用性。當(dāng)學(xué)生掌握一個(gè)系統(tǒng)并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)之后會(huì)有深深的成就感，自然會(huì)增加學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和趣味性。

專(zhuān)題的劃分一般要求要有典型性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。根據(jù)“電氣傳動(dòng)控制”課程的總體教學(xué)內(nèi)容，可以劃分為以下幾個(gè)專(zhuān)題進(jìn)行講授：第一，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的模型和控制機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可以作為第一個(gè)專(zhuān)題進(jìn)行講授。該部分的知識(shí)點(diǎn)包括：調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)、調(diào)節(jié)器（PI控制器）的設(shè)計(jì)方法、直流調(diào)速系統(tǒng)的建模及性能分析。其中調(diào)速性能指標(biāo)和PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法是電氣傳動(dòng)的共性內(nèi)容，需要學(xué)生熟練掌握。第二，異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)及矢量控制是現(xiàn)代電氣傳動(dòng)控制的主流，是“電氣傳動(dòng)控制”課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。該部分的知識(shí)點(diǎn)包括：交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、坐標(biāo)變換方法、矢量控制的基本原理及實(shí)現(xiàn)。第三，永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。永磁電動(dòng)機(jī)因?yàn)槠潴w積小、效率高而在中小功率的傳動(dòng)控制領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。直接轉(zhuǎn)矩控制是現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)中的另一個(gè)先進(jìn)控制技術(shù)。該部分的知識(shí)點(diǎn)包括：同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、空間電壓矢量及其對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響、SVPWM技術(shù)、磁通和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)方法、直接轉(zhuǎn)矩控制的原理及實(shí)現(xiàn)。第四，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是永磁電機(jī)的一種，其反電動(dòng)勢(shì)是梯形波，和三相變頻器及位置傳感器配合起來(lái)控制可以得到類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)的特性，可用于伺服傳動(dòng)領(lǐng)域。本專(zhuān)題的知識(shí)點(diǎn)：梯形波永磁電機(jī)的建模方法、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制方法、位置傳感器的使用。

上述四個(gè)專(zhuān)題的選取基本涵蓋了現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域里的常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制策略、調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法、建模方法、PWM控制方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。滿足了所提出的典型性、系統(tǒng)性和實(shí)用性的要求。

三、“電氣傳動(dòng)控制”課程的專(zhuān)題講授方法

上節(jié)講到專(zhuān)題的劃分要求具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，但是通過(guò)分析各個(gè)專(zhuān)題的內(nèi)容來(lái)看，各個(gè)專(zhuān)題之間又有較強(qiáng)的相關(guān)性。例如，調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)、閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法、反饋信號(hào)的檢測(cè)方法等對(duì)于所有的傳動(dòng)系統(tǒng)都適用；交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型的建立方法和坐標(biāo)變換方法等對(duì)各種交流電動(dòng)機(jī)也基本適用。這樣，對(duì)于各個(gè)專(zhuān)題的共性理論（知識(shí)點(diǎn)）部分，可以有側(cè)重地分散在各個(gè)專(zhuān)題中講授，每一個(gè)理論在一個(gè)專(zhuān)題中可以直接應(yīng)用解決一個(gè)問(wèn)題，這樣可以避免集中、大量地講授理論知識(shí)，造成學(xué)生乏味的感覺(jué)。當(dāng)一種理論在一種專(zhuān)題中講授并應(yīng)用過(guò)之后，在另一專(zhuān)題中就可以直接拿來(lái)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)幾次應(yīng)用，學(xué)生基本就可以透徹地掌握該知識(shí)了。

當(dāng)然，專(zhuān)題的講授最終要圍繞系統(tǒng)性來(lái)講授，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)都是為傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的，下面以“異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)”專(zhuān)題為例來(lái)說(shuō)明專(zhuān)題的講授方法。

圖1是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的原理框圖，該框圖中包含了異步電機(jī)矢量控制的所有知識(shí)點(diǎn)。講授時(shí)，首先通過(guò)原理框圖闡述系統(tǒng)的各部分組成、功能，然后類(lèi)比直流電動(dòng)機(jī)的控制機(jī)理得出異步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制的基本思想和原理，再結(jié)合坐標(biāo)變換、異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、磁鏈觀測(cè)方法三個(gè)知識(shí)點(diǎn)講授支撐矢量控制系統(tǒng)的基本要素，最后再回到系統(tǒng)的概念，分析如何結(jié)合變頻器PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制策略，完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，最后通過(guò)Simulink完成對(duì)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的特性仿真分析，在條件允許的情況下搭建硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)?？驁D中的坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)模型兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)是交流電機(jī)電氣傳動(dòng)的公用理論，需要詳細(xì)介紹，調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)是直流調(diào)速專(zhuān)題中的講授內(nèi)容，此處只需對(duì)得到的結(jié)論進(jìn)行應(yīng)用。

四、結(jié)語(yǔ)

“電氣傳動(dòng)控制”課程是電氣工程專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課程，涉及到多學(xué)科交叉融合，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。采用按部就班的集中式理論授課方法，學(xué)生不易于掌握，教學(xué)效果不理想。本文針對(duì)“電氣傳動(dòng)控制”課程的特點(diǎn)建議了一種專(zhuān)題式授課方式，選取幾種典型的傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為專(zhuān)題，圍繞系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，講授系統(tǒng)的構(gòu)成、控制策略、支撐理論和功能實(shí)現(xiàn)等，便于學(xué)生即學(xué)即用，提高學(xué)習(xí)興趣和效率。通過(guò)海軍工程大學(xué)兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)方式取得了令人滿意的教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：王意琴）