計算機控制綜合實驗課的設(shè)計與實踐

柏艷紅，李林娟，田 娟，李 虹

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

“運動控制系統(tǒng)”為自動化專業(yè)的重要專業(yè)課，微機控制直流脈寬調(diào)速是該課程的主要內(nèi)容之一，包括直流PWM變換電路原理、微機控制閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件框架、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器設(shè)計、編碼器測速原理、數(shù)字濾波等內(nèi)容[1]。開設(shè)“單片機控制閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)”實驗可以鞏固和提升相關(guān)理論知識，但由于該實驗項目還涉及單片機外圍電路設(shè)計、程序編寫和調(diào)試，是對“運動控制系統(tǒng)”和“微機原理與微控制器技術(shù)”兩門課程知識的綜合應用，因此無法在其中一門課程實驗中完成。

跨課程的綜合實驗，是對兩門以上相關(guān)專業(yè)課知識的大串聯(lián)，通常采用項目驅(qū)動的教學方式，圍繞項目開展教學活動，將專業(yè)知識與項目融合在一起[2-3]。項目驅(qū)動的綜合實驗，可以充分調(diào)動學生的學習興趣和主動性，提高知識應用和融會貫通的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實踐能力、協(xié)作能力和解決復雜工程問題的能力[4-5]。西安交通大學生物工程專業(yè)、大連民族大學測控專業(yè)、山東科技大學自動化專業(yè)等均設(shè)置了綜合實驗課[6-8]。

工程教育認證標準明確規(guī)定，工程實踐與畢業(yè)設(shè)計至少占總學分的 20%，標準的 12條畢業(yè)要求對知識、能力和素質(zhì)提出了全面要求，需要理論教學和實踐教學協(xié)同支撐[9]。

我校自動化專業(yè)以工程教育認證為契機，在2015版課程體系中，設(shè)置了以“單片機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)”為主線的“計算機控制綜合實驗”集中實踐環(huán)節(jié)。針對該課程，開發(fā)了實驗裝置，制定了課程目標，設(shè)計了教學內(nèi)容，已在教學中實施。

1 實驗裝置

針對該課程開發(fā)了單片機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實驗裝置。該裝置組成見圖1，主要由 MSP430單片機開發(fā)板DM430-A、全橋IGBT模塊F475R12KS4、四單元IGBT驅(qū)動板DA962A4Q、直流電機、電磁制動器、600線數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器、MAX471電流檢測模塊、上位機等組成。直流電機為永磁電機，額定功率200 W，額定電壓220 V，額定電流2 A。上位機采用IAR開發(fā)環(huán)境。實驗裝置照片見圖2。

圖1 單片機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實驗裝置組成

圖2 實驗裝置照片

實驗裝置接線完全開放，單片機端子、PWM 電路形式可以自由選擇，學生可以按自己的設(shè)計方案自由接線。圖3為采用H橋PWM電路時的一種硬件電路方案，包括IGBT模塊接線原理、IGBT模塊與驅(qū)動板接線原理、驅(qū)動板與單片機開發(fā)板的接線原理、編碼器與單片機的接線原理等。

圖3 硬件接線方案示例

2 課程目標制定

按照工程教育認證“成果導向”理念和“反向設(shè)計”原則，課程目標制定應依據(jù)課程支撐的畢業(yè)要求[10]。工程教育認證標準規(guī)定了 12條畢業(yè)要求，包含了 6條專業(yè)技術(shù)能力和6條非技術(shù)性能力，畢業(yè)要求不再是傳統(tǒng)的知識要求，而是能力要求[11-12]。

在工程認證理念指導下，本綜合實驗課程培養(yǎng)知識的綜合應用能力和實驗研究能力，同時還培養(yǎng)創(chuàng)新意識、團隊合作精神等綜合素質(zhì)。具體教學目標為：①了解直流脈寬調(diào)速微機控制系統(tǒng)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)，掌握硬件方案和設(shè)計方法，能夠編寫單片機實現(xiàn)程序，在設(shè)計中能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識，主動創(chuàng)新；②了解微機控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程中對用電安全、器件和人身安全的考慮；③能夠針對直流脈寬調(diào)速微機控制系統(tǒng)，設(shè)計實驗測試方案、進行實驗測試、分析實驗結(jié)果，并能推廣應用到其他電機控制系統(tǒng)或微機控制系統(tǒng)；④通過以小組為單位的形式完成實驗項目，認識到團隊的力量和團隊合作的重要性，能夠勝任團隊成員或團隊負責人的角色。

3 教學內(nèi)容設(shè)計

按照分步實施原則將項目劃分為幾個子任務(wù)：電機開環(huán)運行控制，編碼器測速和開環(huán)特性測試，閉環(huán)控制。針對子任務(wù)的實現(xiàn)設(shè)計實驗項目，并針對每個實驗項目制定實驗任務(wù)和目的。作為一門獨立課程，安排適量的課堂講授或總結(jié)討論環(huán)節(jié)，講解項目涉及知識。

按照工程教育理念，教學內(nèi)容設(shè)計時考慮對課程目標的全面支撐，保證課程目標的實現(xiàn)。主要教學內(nèi)容如下。

1）第一講 課程和實驗系統(tǒng)介紹（支撐目標①）

主要內(nèi)容：課程性質(zhì)和地位、目標、內(nèi)容、考核方式等。

2）第二講 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件方案（支撐目標①）

主要內(nèi)容：單片機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成；IGBT模塊及驅(qū)動板、直流電機驅(qū)動模塊、編碼器、單片機及開發(fā)板等實驗裝置主要元器件介紹；實驗裝置的硬件方案。

3）第三講 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及軟件方案（支撐目標①）

主要內(nèi)容：PWM 電路原理、編碼器測速原理、開環(huán)系統(tǒng)組成原理及軟件方案、閉環(huán)系統(tǒng)組成原理及軟件方案。

4）第四講 MSP430單片機與 DM430-A開發(fā)板（支撐目標①）

MSP430單片機的特點；DM430-A開發(fā)板的組成及接線原理；MSP430的系統(tǒng)時鐘、I/O端口、定時器等功能配置。

5）實驗一 IAR編程環(huán)境及開發(fā)板使用（支撐目標①）

實驗目的：掌握IAR編程環(huán)境及開發(fā)板使用；了解端口控制寄存器的定義和配置方法；掌握I/O操作和外部中斷編程思路和方法。

實驗任務(wù)：IAR編程環(huán)境及開發(fā)板使用；按鍵中斷控制LED燈的編程與調(diào)試；按鍵掃描控制LED燈的編程與調(diào)試。

6）實驗二 基本功能編程實現(xiàn)（支撐目標①）

實驗目的：掌握LCD顯示編程；掌握定時器中斷配置和編程；掌握定時器產(chǎn)生 PWM 信號的配置和編程。

實驗任務(wù)：可增減的LCD數(shù)值顯示編程與調(diào)試；定時中斷產(chǎn)生方波信號編程與調(diào)試；PWM 信號輸出編程與調(diào)試。

7）實驗三 直流電機開環(huán)運行及特性測試系統(tǒng)實現(xiàn)（支撐目標①、②、③、④）

實驗目的：復習鞏固直流電機開環(huán)控制系統(tǒng)組成；掌握開環(huán)運行和特性測試的程序架構(gòu)；復習鞏固編碼器測速方法，掌握編程實現(xiàn)M法測速的思路和方法；能夠設(shè)計實驗測試分析電機特性。

實驗任務(wù)：單片機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)硬件方案確定；具有起?？刂坪退俣日{(diào)節(jié)功能的開環(huán)系統(tǒng)編程與實驗調(diào)試；增加速度檢測顯示功能的開環(huán)特性測試系統(tǒng)編程與實驗調(diào)試；開環(huán)系統(tǒng)控制特性測試與分析。

8）實驗四 閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)（支撐目標①、②、③、④）

實驗目的：復習鞏固直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)組成；掌握閉環(huán)系統(tǒng)的程序架構(gòu)；掌握PI算法的編程思路和方法；能夠設(shè)計實驗測試分析閉環(huán)系統(tǒng)的性能；復習鞏固比例和積分控制的作用，了解PI參數(shù)的影響。

實驗任務(wù)：能夠顯示速度設(shè)定值和實際速度、能夠調(diào)節(jié)設(shè)定速度、采用比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)編程與實驗調(diào)試；測試比例控制系統(tǒng)的性能，觀察比例系數(shù)的影響；編寫采用PI的閉環(huán)系統(tǒng)程序，實驗研究PI參數(shù)的影響。

9）實驗五 拓展創(chuàng)新實驗（支撐目標①）

實驗目的：通過自主擬定實驗，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)勤于思考的習慣以及自主創(chuàng)新的意識。

實驗任務(wù)：總結(jié)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)過程，從需要改進之處、未實現(xiàn)的功能、需要進一步研究內(nèi)容等方面，擬定拓展實驗內(nèi)容。

參考實驗項目：單閉環(huán)程序優(yōu)化；單閉環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響研究；改進PID算法；可逆直流脈寬調(diào)速實現(xiàn)；雙閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)。

10）第五講 總結(jié)討論（支撐目標①、②）

主要內(nèi)容：總結(jié)微機控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的總體方案、硬件方案和軟件方案；討論實驗中遇到的問題及解決方法；討論直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程中對用電安全、器件或人身安全的考慮；討論自主創(chuàng)新之處。

4 教學實施

“計算機控制綜合實驗”共32學時，安排在大三第二學期末，已于2018—2019年面向2015級和2016級自動化專業(yè)學生順利開設(shè)，采用 2人一組的分組形式。

采用五級制計分方式，依據(jù)實驗表現(xiàn)及完成情況、實驗總結(jié)報告、卷面測驗進行考核。

采用項目驅(qū)動的教學方式，促使學生積極分析解決問題，課堂氣氛活躍，大部分學生能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)，個別學生在教師指導和同學的幫助下，通過適當延時，最終也能完成。學生體驗到項目完成后的成就感，激發(fā)了學習興趣，獲得良好的教學效果。

但還存在以下問題：還有部分學生不能完成拓展創(chuàng)新實驗選做項目；對相關(guān)知識和概念認識不深刻；存在單片機程序生搬硬套的現(xiàn)象。擬重點從考核方式上作如下改進：

（1）改變總結(jié)討論課后直接進行卷面測驗的方式，在討論課后留一段時間給學生自行總結(jié)，提交總結(jié)報告后再進行卷面測試；

（2）利用微助教、學習通等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)工具，進行隨堂測驗，增強過程考核；

（3）明確拓展創(chuàng)新實驗的占分比例。

5 結(jié)語

“微機控制直流脈寬調(diào)速”是當前直流調(diào)速的主要形式，也是“運動控制系統(tǒng)”課程的主要內(nèi)容之一，設(shè)置計算機控制綜合實驗課程，將“運動控制系統(tǒng)”和“微機原理與微控制器技術(shù)”兩門課程知識相融合，解決了“微機控制直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)”的實踐訓練問題。按照工程教育認證“產(chǎn)出導向”理念，制定了課程目標，設(shè)計了教學內(nèi)容，開發(fā)了開放性實驗裝置。該課程不但培養(yǎng)知識的綜合應用能力，還培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、團隊精神和解決工程問題的能力，已面向兩屆學生順利開設(shè)，獲得良好的教學效果。