“電機調(diào)速”課程群啟發(fā)式教學(xué)模式研究

王 宇，秦海鴻，鄧智泉，劉 闖

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016)

“電機調(diào)速”課程群是高校電氣工程及其自動化專業(yè)的一組重要課程。如何在本科教學(xué)中提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維能力，增強學(xué)生對電機調(diào)速系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)的感性認識，是新形勢下提高該專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 目前教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題

“電機調(diào)速”課程群主要包括“現(xiàn)代調(diào)速技術(shù)”、“電機學(xué)”、“電力電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”和“自動控制原理”等課程，具有很強的綜合性和實踐性。我?！半姍C調(diào)速”課程群的教學(xué)存在如下兩個主要問題[1，2]。

(1)理論教學(xué)方式單調(diào)

“電機調(diào)速”課程群教學(xué)如果只通過課堂授課，學(xué)生會感到比較枯燥。不利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和加深理解。比如講到負反饋在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的作用及相對于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性時，學(xué)生可以說出優(yōu)越性要點，并進行推導(dǎo)，但不清楚其在具體系統(tǒng)中的物理本質(zhì)。再比如講到電機電樞電流閉環(huán)的實現(xiàn)時，學(xué)生能講出電流閉環(huán)的基本方式，但對開關(guān)管的具體開關(guān)模式缺乏感性認識。

(2)實踐教學(xué)缺乏發(fā)散性和啟發(fā)性

我校的“電機調(diào)速”課程群實驗教學(xué)與理論教學(xué)是分開進行的。實驗教學(xué)內(nèi)容固定，強調(diào)基本操作，缺乏一定的發(fā)散性和啟發(fā)性。教師在實驗課上詳細講解實驗方法、實驗步驟、操作示范、注意事項和實驗故障處理等。學(xué)生則根據(jù)實驗指導(dǎo)書操作一遍，測量規(guī)定的數(shù)據(jù)，寫上實驗報告，即完成了實驗任務(wù)。這種常規(guī)的實驗教學(xué)在很大程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造思維和解決實際問題能力的提高。

2 電機工程實訓(xùn)平臺的建設(shè)

通過以上分析可見，在這種傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法下，學(xué)生的實踐機會較少，難以將理論與實踐充分聯(lián)系起來。為了解決上述存在的問題，我院擬構(gòu)建貼近產(chǎn)業(yè)實際的電機工程實訓(xùn)平臺。本實訓(xùn)平臺主要完成以下任務(wù)。

(1)教會學(xué)生使用Matlab軟件，引導(dǎo)學(xué)生完成電機轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制算法的Matlab模型，進行仿真調(diào)試并分析結(jié)果[3]。

教會學(xué)生使用DSP軟件，學(xué)會采用C語言將已完成的調(diào)速系統(tǒng)控制算法寫成程序，進行程序調(diào)試及優(yōu)化。培養(yǎng)學(xué)生認識系統(tǒng)—構(gòu)思算法—Matlab仿真驗證—DSP系統(tǒng)實現(xiàn)的一般科研步驟和方法。

(2)驅(qū)動電路設(shè)計是功率變換器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分之一。教會學(xué)生使用PCB軟件，并按照所設(shè)計驅(qū)動電路方案進行設(shè)計和仿真，比較不同驅(qū)動方案的優(yōu)缺點。

教會學(xué)生焊制調(diào)試PCB板，分析并解決調(diào)試過程中遇到的問題。逐步培養(yǎng)學(xué)生了解原理—設(shè)計電路—原理圖繪制—PCB圖設(shè)計—焊接調(diào)制—分析總結(jié)的硬件電路設(shè)計步驟和方法。

(3)教會學(xué)生使用Ansys有限元軟件，仿真得出電機的轉(zhuǎn)矩和空載反電勢波形，并與電機學(xué)和電磁場等理論教學(xué)中教授的磁路分析方法進行分析比較，分析差異，優(yōu)化磁路模型，逐步培養(yǎng)學(xué)生“簡化磁路模型—有限元仿真—樣機測試”的電機本體一般設(shè)計方法。

我們構(gòu)建的電機工程實訓(xùn)平臺，在學(xué)生完成基本實驗內(nèi)容的前提下，由教師提出新的控制目標(biāo)和實現(xiàn)功能，讓學(xué)生自主設(shè)計解決方案和實施方法。教師組織學(xué)生進行小組討論，分析學(xué)生提出的解決方案和實施方法的可行性和正確性，重點啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。最后，指導(dǎo)學(xué)生相對獨立地完成解決方案及軟硬件制作和調(diào)試。

3 創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實例

學(xué)生在完成三相永磁同步電機矢量控制理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在電機工程實訓(xùn)平臺上，獲取如圖1所示的三相永磁同步電機矢量控制波形圖[4]。圖中，Ea為電機A相繞組空載反電勢，Eb為電機B相繞組空載反電勢，Ec為電機C相繞組空載反電勢，ia為電機A相繞組電樞電流，ib為電機B相繞組電樞電流，ic為電機C相繞組電樞電流，Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制的目的是使得電機的電樞電流全部為有功電流，同時使得電機的轉(zhuǎn)矩脈動理論值為0。此時電流表達式為

圖1 三相永磁同步電機矢量控制波形(正常運行)

我們在上述實驗完成的基礎(chǔ)上，拔掉A相繞組接線端，使得電機運行在缺相模式(未補償)，如圖2所示。雖然電機依靠B、C相依然能產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，但是電機存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動。此時電機的電流表達式為

圖2 三相永磁同步電機矢量控制波形(未補償)

我們引導(dǎo)學(xué)生進行如下思考:在故障狀態(tài)下，通過健康相(B、C相)繞組的電流進行幅值和相位變換，其核心思想是保證電機合成轉(zhuǎn)矩電流的恒定，即電機零序電流i0=-0.5sin(ωt)。

那么根據(jù)3/2變換，得到電機電流為

在得出電機補償電流的前提下，將其注入到電機中，得到如圖3所示的波形。通過故障后電流重構(gòu)的解決方法，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

圖3 三相永磁同步電機矢量控制波形(缺相運行，補償)

4 結(jié)語

本文在分析“電機調(diào)速”課程群教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，提出利用搭建電機工程實訓(xùn)平臺培養(yǎng)本科生動手能力和思維能力的教學(xué)模式，充分利用Matlab仿真軟件、DSP軟件以及有限元軟件，指導(dǎo)學(xué)生搭建調(diào)速模型的Simulink電氣模型，編寫并調(diào)試程序，進行仿真、實驗分析，提高學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。

[1]郝雯娟，陳傳德.對“現(xiàn)代調(diào)速技術(shù)”課程改革的幾點思考[J].南京:電氣電子教育學(xué)報，2010，32(1):34-36.

[2]陳艷寧，楊軍.電機實驗室建設(shè)的探索與實踐[J].南京:電氣電子教育學(xué)報，2001，23(1):67-68.

[3]方志，郝麗麗.Matlab/Simulink在電氣工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用[J].秦皇島:教學(xué)研究，2009，32(3):55-58.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.