全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電源類賽題培訓(xùn)體系建設(shè)

鄒 甲，盧其威，趙 鋒

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100083)

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽歷經(jīng)20多年的發(fā)展和積淀，水平不斷提高，影響力不斷擴(kuò)大，競賽成績已成為衡量學(xué)生創(chuàng)新能力和高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。競賽在引導(dǎo)高等學(xué)校加強(qiáng)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐能力、協(xié)作精神等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。大多數(shù)高校對(duì)競賽的重視程度不斷提高，參賽規(guī)模屢創(chuàng)新高。

實(shí)踐證明，想在電子設(shè)計(jì)大賽中持續(xù)地取得較好成績，并促進(jìn)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升，必須構(gòu)建完善科學(xué)的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組織實(shí)施體系。如南京大學(xué)結(jié)合自身的特點(diǎn)，針對(duì)學(xué)校、教師和學(xué)生3個(gè)層面存在的問題，采取有針對(duì)性的破解舉措，逐步構(gòu)建了完整的電子設(shè)計(jì)競賽組織訓(xùn)練體系[1]。大理大學(xué)工程學(xué)院構(gòu)建了一套適用于普通地方院校的“三級(jí)進(jìn)階、塔式選拔、優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)、點(diǎn)促面型”的競賽培訓(xùn)體系[2]。東華大學(xué)構(gòu)建了“電子設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)”“電子設(shè)計(jì)競賽創(chuàng)新協(xié)會(huì)”“電子設(shè)計(jì)競賽創(chuàng)新基地”和“電子設(shè)計(jì)競賽階梯培訓(xùn)”等四位一體的電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系統(tǒng)[3]。另外還有很多高校結(jié)合自身特點(diǎn)建設(shè)了相應(yīng)的電子競賽賽前培訓(xùn)和組織實(shí)施體系，并實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)競賽與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合[4-6]。

由于競賽題目類型范圍很廣，一般包括電源類、信號(hào)類、高頻類、放大器類、儀器儀表類、數(shù)據(jù)采集處理類和控制類7大類，受師資力量、專業(yè)種類限制，大部分高校很難對(duì)所有類型題目都制定完善的培訓(xùn)內(nèi)容和實(shí)施方案。一般需要結(jié)合學(xué)校專業(yè)特點(diǎn)、課程體系、培養(yǎng)目標(biāo)、師資力量等多種因素，選擇其中幾個(gè)題目類型，開展有針對(duì)性地競賽培訓(xùn)以達(dá)到較好的效果。

近幾年，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)結(jié)合自身特點(diǎn)，不斷探索建設(shè)電源類題目的賽前培訓(xùn)和組織實(shí)施體系，在近三屆的競賽實(shí)踐中取得了很好的效果。電源類題目需要學(xué)生具備較扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、較強(qiáng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力，涉及的專業(yè)課程包括電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、模擬電路、數(shù)字電路、電路、微機(jī)原理(或單片機(jī))、C語言、傳感器等，電源類題目是電氣工程專業(yè)非常優(yōu)秀的綜合實(shí)踐教學(xué)案例，能極大促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高。本文對(duì)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)的上述建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了分析和總結(jié)，希望能對(duì)相關(guān)同行起到一定的參考作用。

1 電源類賽題分析及培訓(xùn)知識(shí)要點(diǎn)

1.1 電源類賽題發(fā)展趨勢(shì)

從2005年開始，每屆競賽至少會(huì)有一道電源類的題目，而且題目內(nèi)容及背景緊跟當(dāng)前電力電子技術(shù)的趨勢(shì)熱點(diǎn)[7]。近5屆競賽電源類題目如表1所示。2009年競賽推出了兩道電源類題目，分別為“光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置”和“電能收集充電器”，涉及并網(wǎng)逆變器及最大功率跟蹤等技術(shù)知識(shí)，當(dāng)時(shí)的背景是我國光伏并網(wǎng)新能源技術(shù)剛剛開始大規(guī)模應(yīng)用。而2015年電動(dòng)汽車開始大規(guī)模推廣，競賽又適時(shí)設(shè)置一道“雙向DC-DC變換器”的相關(guān)電源類題，它是電動(dòng)汽車的電力電子技術(shù)部分的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。2017年推出的競賽電源類題——微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)，與國家未來智能電網(wǎng)的大背景也緊密相關(guān)。通過這些電源類的題目，以小見大，成為學(xué)生了解目前電力電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的熱點(diǎn)及其相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的有效途徑之一。電子競賽電源類題是優(yōu)質(zhì)的綜合教學(xué)案例，具有實(shí)用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、發(fā)揮空間大等特點(diǎn)，也是本科生了解電力電子領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的窗口，非常適合培養(yǎng)鍛煉高年級(jí)電氣工程類專業(yè)學(xué)生。

表1 近年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電源類題

1.2 電源類題目培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

從競賽要求以及電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，電源類題目已不限于設(shè)計(jì)一個(gè)常規(guī)的直流或者交流電源，已經(jīng)從集成芯片模擬控制的開關(guān)電源變成數(shù)字控制的可編程電源?；跀?shù)字控制的可編程電源的基本構(gòu)成框圖如圖1所示，學(xué)生們要想較好實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電源類題目的要求，應(yīng)具備C語言、自動(dòng)控制原理、微機(jī)原理(或單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng))、計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)課程核心知識(shí)，還應(yīng)完成以下14項(xiàng)內(nèi)容的培訓(xùn)以掌握電源類題目所要求的綜合實(shí)踐能力和專業(yè)技能。

1)搭建AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC等變換器主電路拓?fù)?，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)電路的測試分析及調(diào)試；

2)器件的選型包括功率器件、電壓電流傳感器、運(yùn)放驅(qū)動(dòng)芯片等；

3)典型變換器拓?fù)涞尿?qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制作，主要有Buck、Boost、半橋等；

4)直流電流電壓、交流電流電壓的檢測電路及濾波器的設(shè)計(jì)與制作；

5)過流和過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)與制作；

6)高頻變壓器、電感的計(jì)算、設(shè)計(jì)與制作；

7)單片機(jī)、DSP最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)與制作；

8)ADC采樣和PWM輸出；

9)頻率跟蹤鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的閉環(huán)自動(dòng)跟蹤；

10)閉環(huán)控制器的數(shù)字PI技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；

11)外圍電路(顯示鍵盤等)的設(shè)計(jì)與制作；

12)開關(guān)變換器的建模及閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)；

13)變換器的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與研究；

14)電源主要技術(shù)指標(biāo)測試規(guī)范。

圖1 基于數(shù)字控制的電源構(gòu)成框圖

2 競賽培訓(xùn)實(shí)施方案

確定了賽前培訓(xùn)內(nèi)容后，需要就如何實(shí)施培訓(xùn)這些內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)?？紤]到參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電源類題目的一般是電氣專業(yè)三年級(jí)學(xué)生，日常課程非常緊張，而且學(xué)生都到了保研、考研、出國等升學(xué)或就業(yè)選擇階段，真正用于最后的競賽集訓(xùn)有效時(shí)間很短。因此，結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)(北京)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)方案及課程體系，將競賽培訓(xùn)的具體實(shí)施方案安排為兩個(gè)階段。

2.1 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)培訓(xùn)

第一階段將涉及的知識(shí)要點(diǎn)的培訓(xùn)穿插到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，主要涉及課程有：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)。

1)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。它是模擬電子技術(shù)及數(shù)字電子技術(shù)的綜合課程設(shè)計(jì)，而模電及數(shù)電是電子競賽的基礎(chǔ)。此課程設(shè)計(jì)涉及電源類技術(shù)知識(shí)點(diǎn)有：直流電流電壓、交流電流電壓的檢測、運(yùn)放調(diào)理電路設(shè)計(jì)及濾波器的設(shè)計(jì)與制作等。

2)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容主要是單片機(jī)最小系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)檢測及控制。此課程設(shè)計(jì)涉及電源類技術(shù)知識(shí)點(diǎn)有：直流交流信號(hào)采集、PWM/SPWM輸出、PI的數(shù)字實(shí)現(xiàn)、鍵盤顯示等。這些知識(shí)點(diǎn)都是數(shù)字開關(guān)電源的核心底層技術(shù)，為后續(xù)數(shù)字電源控制器奠定程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

3)生產(chǎn)實(shí)習(xí)。生產(chǎn)實(shí)習(xí)作為實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，發(fā)揮著引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、開拓學(xué)生視野、幫助學(xué)生建立工程意識(shí)、提高學(xué)生深入理解相關(guān)理論知識(shí)、提高綜合實(shí)踐能力等作用[8-9]。生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)一般3周時(shí)間，在最后的兩天中安排對(duì)DC-DC電源模塊進(jìn)行測試。讓學(xué)生們了解電源的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及對(duì)應(yīng)的測試方案。通過測試電源模塊，學(xué)生們掌握了DC-DC模塊的主要性能指標(biāo)的測試方法，掌握了電源測試所用到的各種測試儀器儀表，包括：示波器、功率分析儀、高頻電流探頭、差分電壓探頭、可編程電源及電子負(fù)載等，為后續(xù)開展電子競賽電源類調(diào)試打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 競賽集訓(xùn)階段

學(xué)期結(jié)束已經(jīng)是7月份了，距離競賽日期只有最后一個(gè)多月，這個(gè)集訓(xùn)階段主要開展工作有：

1)利用TI、固緯等校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室提供的優(yōu)質(zhì)的電力電子數(shù)字電源技術(shù)教學(xué)案例資源，讓學(xué)生體驗(yàn)一套完整數(shù)字電源設(shè)計(jì)流程。包括方案設(shè)計(jì)—理論分析—仿真驗(yàn)證—電路搭建—軟件調(diào)試—綜合測試等內(nèi)容。其中采用了TI的數(shù)字電源開發(fā)套件讓學(xué)生體驗(yàn)buck/boost等DC-DC變換器案例。利用固緯的電力電子培訓(xùn)系統(tǒng)PTS1000及電力電子仿真PSIM軟件實(shí)踐并網(wǎng)逆變器的教學(xué)案例。通過這些成熟的優(yōu)質(zhì)數(shù)字電源教學(xué)案例，讓學(xué)生們體驗(yàn)并掌握數(shù)字電源設(shè)計(jì)、仿真及調(diào)試全過程，提升了學(xué)生們的綜合實(shí)踐能力并加深了對(duì)數(shù)字電源的理解。

2)安排相關(guān)教師以電力電子開關(guān)變換器的建模及設(shè)計(jì)為教學(xué)案例，講授建立電流連續(xù)模式下Buck電路的小信號(hào)數(shù)學(xué)模型(低頻、小信號(hào)擾動(dòng))，并開展電壓閉環(huán)控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生們用計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB或PSIM建立仿真模型，觀察輸出波形。通過講授這些知識(shí)，學(xué)生們掌握并理解了開關(guān)變換器的數(shù)學(xué)建模，為制作開關(guān)電源打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3)以題代練開展實(shí)質(zhì)性的動(dòng)手設(shè)計(jì)。讓學(xué)生們結(jié)合自己的實(shí)際情況選擇一個(gè)以前的電源類競賽真題進(jìn)行實(shí)踐，并撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。教師嚴(yán)格按照競賽評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)測試，并指出存在的不足。通過這該環(huán)節(jié)的實(shí)踐，學(xué)生們對(duì)DSP的ADC、PWM、數(shù)字PI、鍵盤、顯示等功能的編程能力得到了進(jìn)一步提升。

4)賽前總結(jié)及準(zhǔn)備。專門留出幾天時(shí)間，讓學(xué)生們對(duì)一個(gè)多月的集訓(xùn)進(jìn)行沉淀及思考。包括主電路、檢測、驅(qū)動(dòng)電路的各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比；軟件DSP各個(gè)底層程序的優(yōu)化。再有就是根據(jù)組委會(huì)提供的競賽主要儀器及元器件采購清單提前購買電源類可能用到的器件耗材。

另外，專門建立了1個(gè)全天候開放實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生們?cè)诟傎惣?xùn)階段使用。該實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備除了傳統(tǒng)的示波器信號(hào)源等，還有電源類專業(yè)儀器，如：可編程直流電源、可編程交流電源、直流電子負(fù)載、交流負(fù)載、差分探頭、電流探頭等。除此之外，選拔多名參加過競賽并取得較好成績的研究生作為助教，全程參與競賽集訓(xùn)階段的指導(dǎo)工作，相當(dāng)于構(gòu)建了指導(dǎo)教師+研究生的電子設(shè)計(jì)競賽指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，可大大減輕指導(dǎo)教師在集訓(xùn)階段的工作量，形成了制度化、可持續(xù)、階梯式的競賽組織指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)。

3 競賽培訓(xùn)體系建設(shè)

除了上述實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)以及競賽集訓(xùn)階段的針對(duì)性的培訓(xùn)，實(shí)際上，學(xué)生們要想在競賽的電源類題中取得好成績，扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)是必不可少的。因此，如果將理論教學(xué)考慮進(jìn)去，相當(dāng)于形成了三位一體的電源類題目的競賽培訓(xùn)體系，如圖2所示。主要包括電力電子課程群、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新教學(xué)環(huán)節(jié)等[10]。競賽促進(jìn)了電氣工程專業(yè)課程群及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革建設(shè)。比如，在專業(yè)綜合設(shè)計(jì)課程里，以歷年電子設(shè)計(jì)競賽電源類題目為案例，引導(dǎo)大家對(duì)電力電子開關(guān)變換器的數(shù)學(xué)建模及控制器設(shè)計(jì)，融會(huì)貫通，提高了理論結(jié)合實(shí)踐、課程交叉融合等效果。

圖2 大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)體系

4 實(shí)踐效果

2013年、2015年、2017年中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共組織5組、6組、7組學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(電源類)。2013年獲北京市一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)；2015年獲全國二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，北京市一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、北京市二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)；2017年獲全國一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，北京市一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)。從整體效果來看，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競賽電源類題獲獎(jiǎng)數(shù)量及質(zhì)量穩(wěn)步提升，電源類題參賽學(xué)生獲獎(jiǎng)比例100%。盡管獲獎(jiǎng)隊(duì)伍數(shù)量并不算多，但是由于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)每屆只有3個(gè)班，約100人，獲獎(jiǎng)學(xué)生比例在同類高校處于較高水平。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)生每年有近20個(gè)學(xué)生保送到清華、北大、北航、中科院等名校攻讀碩士研究生，這些學(xué)生大多經(jīng)歷了各種大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽活動(dòng)的鍛煉，許多保送學(xué)生因?yàn)閰⒓与娮釉O(shè)計(jì)競賽而得到老師的認(rèn)可，進(jìn)而選擇電力電子相關(guān)專業(yè)繼續(xù)深造，就此踏上了從事電力電子技術(shù)應(yīng)用的道路。

5 結(jié)束語

結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)(北京)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科特色及電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)際情況，經(jīng)過5年多不斷地摸索及調(diào)整，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)以競賽電源類題為抓手，逐步建立了一套比較完善的電子設(shè)計(jì)競賽組織培訓(xùn)體系和實(shí)施管理機(jī)制，并在連續(xù)幾屆的電子設(shè)計(jì)競賽實(shí)踐中收到了良好的效果。競賽成績提高的背后是電氣工程自動(dòng)化類綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，未來應(yīng)該鼓勵(lì)和吸引更多教師及學(xué)生參加競賽活動(dòng)，最終讓更多的學(xué)生體會(huì)到電子設(shè)計(jì)競賽活動(dòng)帶來的挑戰(zhàn)及收獲。