基于項目的DSP原理及應(yīng)用與電力電子技術(shù)課程融合教學(xué)探討

李春杰 李洪美 趙明偉

摘要：文章在分析DSP原理及應(yīng)用課程與電力電子技術(shù)課程教學(xué)過程中存在的現(xiàn)實問題基礎(chǔ)上提出了基于項目的課程融合教學(xué)改革思路。在實際教學(xué)中，以項目化為導(dǎo)向，采用企業(yè)規(guī)范的項目開發(fā)流程完成DSP與電力電子技術(shù)課程的項目式教學(xué)。通過課程融合教學(xué)，使學(xué)生將學(xué)到的零散知識系統(tǒng)化，做到學(xué)以致用，融會貫通。

關(guān)鍵詞：DSP原理及應(yīng)用;電力電子技術(shù);課程融合;項目開發(fā)

中圖分類號：G642? ?? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）16-0085-04

Abstract： Based on the analysis of the practical problems existing in the teaching process of DSP principle and application course and power electronics course， the reform idea of the integration teaching course based on the project is put forward in the paper. In the actual teaching， taking project as the orientation， the project development process of enterprise standard is adopted to complete the project teaching of DSP and power electronics courses. Through the course integration teaching， the students make the scattered knowledge learned systematize， practice what you have learned and achieve mastery through a comprehensive study of the subjects.

Keywords： DSP principle and application; power electronics; integration teaching; project development

引言

隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理器 （Digital Signal Processing，DSP）的研究與應(yīng)用均日益成熟。DSP已成為眾多科學(xué)研究和工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用已遍布各個領(lǐng)域，如家用設(shè)備類、消費電子類、航空航天、軍事國防等[1-2]。

電力電子技術(shù)是一門新興的電子技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅應(yīng)用在交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等新型領(lǐng)域中，而且在節(jié)能照明、家用電器、一般工業(yè)領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用。由此可見，學(xué)院開設(shè)這門課程的必要性，以及學(xué)生掌握這門課程的重要性。

本文涉及的兩門課程是電氣工程及自動化專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。目前的教學(xué)方式傾向于傳統(tǒng)教學(xué)，由于受實驗條件限制注重理論教學(xué)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。為了使學(xué)生更好地理解、掌握它們，有必要進(jìn)行教學(xué)改革。關(guān)于電力電子技術(shù)教學(xué)改革的文獻(xiàn)有很多，一部分電力電子技術(shù)教學(xué)改革方案傾向于利用仿真軟件[3-5]，但仿真軟件不能鍛煉學(xué)生的動手能力;一部分注重項目式教學(xué)[6-7]。DSP教學(xué)改革的文獻(xiàn)也有很多[1-2，8-9]，大多數(shù)是從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段進(jìn)行改革。從目前教學(xué)改革文獻(xiàn)來看，兩門課程獨立教學(xué)改革，沒有課程融合教學(xué)改革。本文將兩門課程融合教學(xué)進(jìn)行了探索。采用多課程融合教學(xué)既可改善傳統(tǒng)教學(xué)存在的一些問題，又可突顯項目化專業(yè)知識的連貫性。一個實驗裝置可以完成多門課程的實驗課，既避免了實驗室重復(fù)建設(shè)，又節(jié)省了成本。一個實驗裝置就是一個簡單的項目，與企業(yè)項目接軌，使學(xué)生一開始就以實際項目鍛煉自己，為以后就業(yè)打下基礎(chǔ)，不至于從課堂所學(xué)的知識與企業(yè)實踐嚴(yán)重脫軌。

一、電力電子技術(shù)和DSP原理及應(yīng)用教學(xué)中存在的問題

（一）課程內(nèi)容偏重理論知識

我院開設(shè)了40學(xué)時的“DSP原理及應(yīng)用”課程，其中，8學(xué)時的實驗課程。該課程的理論知識主要包含了DSP的硬件結(jié)構(gòu)、存儲器配置、尋址方式、指令系統(tǒng)以及通信模式等基礎(chǔ)知識;實驗課程則要求學(xué)生掌握DSP的開發(fā)流程及仿真調(diào)試技術(shù)驗證所編的程序是否正確。該課程的目的是使學(xué)生掌握DSP芯片原理與應(yīng)用。鑒于DSP課程難度較大，并且在教學(xué)過程中存在著教學(xué)學(xué)時有限而知識點繁多、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法單一等多種問題，一定程度限制了DSP課程的教學(xué)效果。而且學(xué)生普遍反映這門課難懂，限制了DSP應(yīng)用化。

對于電力電子技術(shù)課程，我院安排了48學(xué)時的理論教學(xué)和8學(xué)時的實驗課。教學(xué)內(nèi)容包含了各種器件、整流電路、斬波電力、逆變電路和交流調(diào)壓變頻電路、PWM控制技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)等。教學(xué)內(nèi)容較多，原理分析較多。教學(xué)中采用的仍然是傳統(tǒng)的授課方式（PPT幻燈片+板書）。這種授課方式比較單一，導(dǎo)致所傳授的知識有限以及學(xué)生所掌握的知識也有限。實驗教學(xué)也存在缺陷，受實驗設(shè)備和實驗時間的限制，學(xué)生分組做實驗，很多學(xué)生不能親自動手做實驗。而且做實驗也是按照接線圖，插幾根線，看下實驗現(xiàn)象就結(jié)束了，也沒有留給學(xué)生一定的發(fā)揮空間。直到畢業(yè)設(shè)計或者參加競賽，學(xué)生的綜合分析問題、解決問題的缺陷顯現(xiàn)出來。在課堂上學(xué)生學(xué)到的是零散的知識，沒有一個完整的知識架構(gòu)與整體性的概念，所以在后期畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，教師指導(dǎo)學(xué)生很辛苦，簡直就是手把手教。學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識最終還是要轉(zhuǎn)化為實際工程應(yīng)用，所以教師在教授課程知識時應(yīng)舉實例說明，先整體后局部，采用項目式模塊化教學(xué)。另外，市場上涌現(xiàn)出各種各樣的仿真軟件，而且學(xué)生每人都會有一臺筆記本電腦，學(xué)生可以借助于仿真軟件進(jìn)行課下鞏固學(xué)習(xí)。教師采用多種教學(xué)手段替代單一課堂教學(xué)，可以使學(xué)生加深對本課程專業(yè)知識的理解。

（二）兩門課程相互獨立

由于講授電力電子技術(shù)課程和DSP課程的教師并非同一人，教師專業(yè)背景、教學(xué)計劃也會有所不同，使得兩門課程獨立，無關(guān)聯(lián)，不能對兩門課程融合教學(xué)。比如器件的開通、關(guān)斷需要DSP 控制器發(fā)出驅(qū)動信號控制。所以，在授課時要加強DSP與電力電子技術(shù)的緊密聯(lián)系，使學(xué)生能夠?qū)W以致用并做到理論聯(lián)系實踐。因此，DSP與電力電子技術(shù)課程的融合教學(xué)是十分必要的。在一個完整的電源產(chǎn)品中，控制器、采集調(diào)理、保護(hù)電路、主電路是缺一不可的。DSP控制器的輸入是靠傳感器采集信息，調(diào)理電路和保護(hù)電路對采集的信息進(jìn)行處理滿足DSP輸入電平的要求。DSP控制器的PWM引腳輸出的是PWM脈沖信號，用來控制電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。主電路則是由電力電子器件構(gòu)成的各種變換器。調(diào)理保護(hù)電路則由數(shù)字電子電路課程中的運算放大器等構(gòu)成。所以，一個項目所涉及的專業(yè)技術(shù)知識是由大學(xué)時期所開設(shè)的專業(yè)課多門課程聯(lián)合構(gòu)成。

目前，多門課程學(xué)完之后，學(xué)生不能系統(tǒng)地將多門課程的內(nèi)容知識結(jié)合起來使用，知識零散。學(xué)生也困惑學(xué)的知識不知道怎么用，其實是學(xué)生缺乏不同課程之間的融合訓(xùn)練。項目式教學(xué)可以融合各門課程知識，做到學(xué)以致用、融會貫通，是教師教學(xué)生的最終目的。

二、基于項目的課程教學(xué)融合實施

我院模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及傳感器與測量技術(shù)課程開課安排在大二上學(xué)期。而大二下學(xué)期開設(shè)了電力電子技術(shù)（56學(xué)時）和DSP原理與應(yīng)用（40學(xué)時）課程。依據(jù)項目化的DSP技術(shù)與電力電子技術(shù)融合教學(xué)的要求，授課學(xué)時需要調(diào)整。兩門專業(yè)課的應(yīng)用性較強，需要加入課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。為了使兩門課程相互銜接，承擔(dān)這兩門課程的教師盡量專業(yè)相同，且在開課前需要共同制定教案、教學(xué)計劃等。理論教學(xué)與基礎(chǔ)實驗由各任課教師單獨組織，課程設(shè)計需由兩門任課教師共同指導(dǎo)完成?；A(chǔ)實驗和課程設(shè)計都可在融合實踐平臺上完成。

三、基于項目的課程融合實踐平臺的實施

（一）項目實例確定

根據(jù)電力電子技術(shù)課程的教學(xué)計劃，選取典型且簡單實用的變換器為例，使實踐教學(xué)平臺適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。預(yù)選取buck、boost電路， 三相橋式PWM整流器和單相橋式PWM逆變器這幾個項目實踐平臺，讓學(xué)生掌握DSP是如何控制電力電子器件以及加深理解各種變換原理，學(xué)生通過動手操作這幾個項目，系統(tǒng)地將所學(xué)知識聯(lián)系起來，訓(xùn)練了他們的電力電子科研實踐的基本技能，拓寬了專業(yè)視野。該實踐平臺既可用于兩門課程的實驗課以及課程設(shè)計也可用于各種電力電子設(shè)計大賽訓(xùn)練。

（二）實踐平臺構(gòu)建

實踐平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，如圖1所示，可滿足實驗教學(xué)和研發(fā)需要。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主電路、控制電路、信號調(diào)理＼保護(hù)電路、驅(qū)動電路、傳感器等功能模塊組成。實踐平臺開發(fā)的主電路有buck電路模塊、boost電路模塊、 三相橋式PWM整流器模塊和單相橋式PWM 逆變器模塊。學(xué)生做哪個項目調(diào)換相應(yīng)的主電路模塊，根據(jù)電氣原理圖，連接相應(yīng)的接口構(gòu)成一個簡單的項目系統(tǒng)。在該平臺上，學(xué)生可自由發(fā)揮，比如改進(jìn)控制算法，自己編程、調(diào)試等。該平臺配有每個模塊的使用說明書，以及文字介紹說明各個模塊功能，強化學(xué)生對相關(guān)知識的認(rèn)識與理解。該平臺是個通用版，可自由開發(fā)，適合做各類電源產(chǎn)品、電機驅(qū)動實驗等。

圖1中實踐平臺系統(tǒng)的控制器采用了DSP與CPLD/FPGA相結(jié)合的方式來實現(xiàn)。DSP控制器的主要功能是為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制算法和軟件保護(hù)的工作，而CPLD則是完成對系統(tǒng)硬件保護(hù)的工作。整個控制系統(tǒng)中的硬件電路還包括采樣調(diào)理電路、保護(hù)電路和IGBT器件的驅(qū)動電路等。交流信號采樣調(diào)理電路的原理圖如圖2所示。由于負(fù)的電壓信號不能作為DSP控制器的輸入信號，因此有必要對交流信號的零位進(jìn)行電平抬升，使其最小值也能保持在0V之上。如果采集的信號是直流信號，則不需要這么復(fù)雜，只需要將電平控制在0～3.3V即可。控制系統(tǒng)在實際運行中，難免會出現(xiàn)一些故障。為了防止系統(tǒng)被破壞，需要加保護(hù)電路。保護(hù)電路的工作原理就是將實時檢測的信號與設(shè)定的信號閥值相比較，當(dāng)輸入信號超過閥值時，輸出電平翻轉(zhuǎn)，輸入給可編程邏輯器件CPLDM4A5-128，通過CPLD內(nèi)部邏輯電路，產(chǎn)生一個高電平信號，送到74F245的使能端和DSP，兩者同時封鎖PWM波輸出，斷開控制電路和主功率電路，做到軟硬件雙重保護(hù)。交流信號過流保護(hù)電路原理圖如圖3所示。由于CPLD 不接受交流信號，需要將輸入的交流信號變成直流信號，這就需要絕對值電路。圖中標(biāo)注的絕對值電路是通過附加了2個二極管將交流信號變成直流信號的。如果輸入的是直流信號，去掉這2個二極管即可。圖4為故障顯示電路，可以查看系統(tǒng)發(fā)生了什么故障，不同的LED燈對應(yīng)不同的故障信號。

圖1中的DSP控制板和調(diào)理保護(hù)電路PCB板是按照虛線框中的電路原理圖制作而成，其中，采樣調(diào)理接口留有余量，根據(jù)設(shè)計情況選擇使用。為了讓程序調(diào)試方便、直觀，實現(xiàn)控制指令的傳遞和反饋，需實現(xiàn)上位機和硬件電路的通訊，它利用了DSP片內(nèi)集成的串口通訊模塊SCI，采用了標(biāo)準(zhǔn)串行通信RS232。整個實驗平臺的接口如圖5所示， 包含了系統(tǒng)電源接口、系統(tǒng)信號接口和SCI通信接口。其中，系統(tǒng)電源接口包含了單相＼三相電源接口、輔助電源接口;系統(tǒng)信號接口包含了驅(qū)動信號輸入、輸出接口和信號檢測輸入、輸出接口。

四、結(jié)束語

本文探討了DSP和電力電子技術(shù)兩門課程融合教學(xué)，建立了項目化的教學(xué)科研實驗平臺。它不僅豐富了教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，而且學(xué)生通過實驗平臺可以加深對所學(xué)專業(yè)知識的理解，實現(xiàn)專業(yè)理論知識和實踐相結(jié)合。該教學(xué)實驗改革方案可以拓寬學(xué)生的專業(yè)視野，提高學(xué)生對兩門課程的認(rèn)知和興趣，以及訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“基于碳化硅功率器件的三相高功率因數(shù)AC-DC諧振變換器研究”（編號：51707085）;江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+和‘VR+的《電力系統(tǒng)分析》課題建設(shè)”（編號：2019-R-69276）;江蘇省高校實驗室研究會“基于國家級實驗教學(xué)示范中心科學(xué)構(gòu)建電氣類創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺的研究”（編號：GS2019YB37）

作者簡介：李春杰（1985-），女，漢族，山東聊城人，博士，講師，研究方向：電力電子變換技術(shù)。