直流電機調(diào)速系統(tǒng)探究性實驗設(shè)計

曾海妮，鄒琦萍

（河池學(xué)院人工智能與制造學(xué)院，廣西 河池 546300）

0 引言

微處理器綜合設(shè)計性實驗在高校的電子信息工程、電氣自動化和建筑智能化等多個工科專業(yè)學(xué)生的實踐操作能力培養(yǎng)方面起著至關(guān)重要的作用。本文依據(jù)高等工程教育培養(yǎng)電類課程學(xué)生目標(biāo)，針對現(xiàn)有基礎(chǔ)驗證實驗性實驗上，充分利用現(xiàn)有的實驗資源，融入與微處理器有關(guān)綜合性質(zhì)實驗，切實提升工科實驗的工程教育質(zhì)量。為了幫助學(xué)生更好地理解微處理器類課程的理論知識、培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的工程實踐能力，同時考慮到高校實驗逐漸趨于綜合設(shè)計性實驗，本文采用具有工程實踐性質(zhì)的直流電機調(diào)速實驗。

本文旨在通過直流電機調(diào)速案例，讓學(xué)生在項目的實踐過程中掌握設(shè)計直流電機方法，實現(xiàn)方法的多樣性及根據(jù)工程需求比較選擇技術(shù)方案；引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要設(shè)計電路、選擇元器件，軟硬件設(shè)計與調(diào)試，并通過測試與分析對項目給出技術(shù)評價。為不同能力的學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識、夯實基礎(chǔ)和開拓視野，進而培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，本文設(shè)計實驗內(nèi)容分層次、模塊化和方案多樣化的直流電機調(diào)速實驗項目。

1 直流電機調(diào)速方案

自然界的機械運轉(zhuǎn)動力大多是由電機提供的，它主要包括直流電機和交流電機[1-4]。直流電機啟動、制動性能良好。在很多工業(yè)領(lǐng)域中需要電機調(diào)速和快速正反向地進行電力拖動。直流電機調(diào)速主要是通過調(diào)壓調(diào)速方式實現(xiàn)，調(diào)節(jié)電樞電壓依賴于可控直流電源[5]。

本次實驗項目分別從核心處理器、電源模塊、顯示模塊、直流電機驅(qū)動模塊、控制模塊、測速模塊，項目應(yīng)用等幾方面介紹直流電機調(diào)速系統(tǒng)各功能模塊實現(xiàn)方案多樣性。系統(tǒng)實驗項目方案見圖1。

圖1 直流電機調(diào)速項目方案

（1）核心處理器可以選用STC 單片機、STM32 單片機和ARM 處理器等；

（2）電源模塊可以選用移動電源供電，5 V 穩(wěn)壓電源電路為系統(tǒng)供電。

（3）顯示模塊可以選用數(shù)碼管、點陣或者LCD 顯示直流電機的各種工作狀態(tài)、傳感器采集信息以及控制信息等。

（4）直流電機驅(qū)動模塊是采用PWM 信號加電機驅(qū)動電路方式驅(qū)動直流電機；驅(qū)動電路可以采用三極管搭建的H 橋式電路實現(xiàn)，也可以采用專用芯片驅(qū)動，如采用L9110S、L298N 等芯片進行驅(qū)動。

（5）控制模塊可采用按鍵，紅外遙控、藍牙模塊、WIFI 模塊等無線通信方式控制電機各種運行狀態(tài)；

（6）測速模塊可采用霍爾傳感器、光電編碼器、槽型光耦合等傳感器對電機進行測速。

2 實驗教學(xué)實踐設(shè)計

理想的實驗教學(xué)效果應(yīng)具備“多樣+開放”的教學(xué)設(shè)計、縮放自如的教學(xué)過程[6]。實踐教學(xué)既要實現(xiàn)學(xué)生對理論知識的熟練掌握及學(xué)以致用，又要體現(xiàn)“因材施教”的理念，使不同層次的學(xué)生能夠選擇合適的實踐項目模式，從而鍛煉學(xué)生的操作能力，探究能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實驗教學(xué)設(shè)計依據(jù)高等工程教育認(rèn)證為準(zhǔn)，以學(xué)生為中心，將實際的工程中的直流電機調(diào)速設(shè)計融入實驗，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實驗教學(xué)實施過程中，分為基礎(chǔ)型實驗、設(shè)計型實驗和探究性實驗。

（1）基礎(chǔ)型實驗教學(xué)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)積極性和自主探究能力的不可或缺的環(huán)節(jié)之一。為了提高實驗教學(xué)效果，提出層次化教學(xué)內(nèi)容。層次化教學(xué)內(nèi)容又分為基礎(chǔ)型、自主設(shè)計型和探索研究型。它顛覆了傳統(tǒng)的驗證性實驗教學(xué)，符合學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)型實驗主要培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能和認(rèn)知能力的驗證實驗，幫助學(xué)生迅速掌握基本理論知識，為設(shè)計型實驗提供研究基礎(chǔ)。設(shè)計型實驗要求學(xué)生依據(jù)實驗任務(wù)要求自主設(shè)計實驗方案，實現(xiàn)相關(guān)模塊的擴展功能。

（2）設(shè)計型實驗需要學(xué)生自主查閱相關(guān)文獻，深入思考，分析并調(diào)試才可以完成。這一階段以學(xué)生為主體，以問題為導(dǎo)向的模式，教師不再為學(xué)生提供實驗方案和實驗步驟。教師有針對性的根據(jù)每個學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和遇到的問題進行指導(dǎo)、提示和啟發(fā)學(xué)生如何從各個知識點找出問題的解決方案。該階段學(xué)生通過設(shè)計方案，啟發(fā)式教學(xué)將完成功能多樣的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

（3）探究型實驗要求學(xué)生綜合運用多門課程的知識，設(shè)計多功能系統(tǒng)。它是實驗教學(xué)的最高要求，為學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生提供探索研究平臺，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，研究設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。該階段是學(xué)生在完成基礎(chǔ)型實驗和設(shè)計型實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的能力和興趣選擇是否進行探索研究型實驗。該階段項目的選題需依據(jù)科學(xué)性、創(chuàng)新性和實用性的原則，結(jié)合專業(yè)和研究方向，進行交叉滲透選題。探究型實驗階段提供具有一定研究價值的課題，也可由學(xué)生自主選題。確定選題后，學(xué)生開始進行文獻閱讀調(diào)研和方案設(shè)計工作、設(shè)計和調(diào)試。表1 展示了直流電機實驗的層次化教學(xué)內(nèi)容。

表1 直流電機實驗層次化教學(xué)內(nèi)容

2.2 實驗教學(xué)過程設(shè)計

實驗教學(xué)依據(jù)工程專業(yè)實踐教育專業(yè)提出的工程理論知識、問題分析和探究三個方面，著力培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際能力。本文將實驗教學(xué)分為課前預(yù)習(xí)自學(xué)、課上實驗教學(xué)和課下探究總結(jié)。

（1）課前預(yù)習(xí)自學(xué)。該階段主要培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)老師布置的任務(wù)，查閱相關(guān)材料，自主學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)知識且能熟悉應(yīng)用相關(guān)“工程知識”的能力，具體分配的任務(wù)為：

①教師依據(jù)學(xué)生的興趣愛好以及綜合能力的不同，針對不同層次的學(xué)生提出不同的任務(wù)要求。

②深入學(xué)習(xí)直流電機的原理，電機的調(diào)速和測速原理。

③根據(jù)各模塊的功能，讓學(xué)生分組討論，確定各個模塊的實現(xiàn)方案，提出盡可能多的方案，對方案進行分析/討論、比較，制定最佳實現(xiàn)方案，調(diào)動學(xué)生的積極主動性，培養(yǎng)學(xué)生善于思考、解決問題的能力和學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

④根據(jù)所選的方案，選擇電路元件，根據(jù)所選的微處理器，相關(guān)元件下載元件數(shù)據(jù)手冊，了解該元件的參數(shù)，說明選擇此元件的原因。

⑤學(xué)習(xí)相關(guān)軟件的操作方法，如學(xué)習(xí)Altium Designer 繪圖軟件，Keil C 編程軟件、Proteus 等仿真軟件的使用方法。

（2）課上實驗教學(xué)。該階段側(cè)重于學(xué)生的實際工程操作與解決實際工程的問題分析能力。主要包括以下內(nèi)容：

①學(xué)生根據(jù)所選的直流電機測速方案，選擇元器件，在相應(yīng)的仿真軟件上設(shè)計電路原理圖和軟件編程，并進行仿真驗證。

②制作電路板焊接元器件并進行調(diào)試；教師做統(tǒng)一監(jiān)督指導(dǎo)，此環(huán)節(jié)注重學(xué)生動手能力和綜合實踐能力的培養(yǎng)，盡量保證所有學(xué)生都能參與。

③在電路設(shè)計、搭試、調(diào)試完成后，必須要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行檢測，進行誤差分析、校正和記錄調(diào)試結(jié)果。

（3）課后探究總結(jié)。通過課前，課上所產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象和實驗問題，需要學(xué)生在課后針對實驗中所產(chǎn)生的現(xiàn)象和問題，需要學(xué)生深入探究其背后蘊含的工程技術(shù)知識和理論問題，在此階段形成具有實踐意義的指導(dǎo)性方法。該階段主要包括以下兩方面：

①分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，要注意工作電源、參考電源品質(zhì)對系統(tǒng)指標(biāo)的影響，電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測試分析中，要分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗證。

②撰寫實驗報告，并總結(jié)實驗收獲，參加實驗總結(jié)演講，培養(yǎng)學(xué)生的語言表達能力；教師對此次課程總體表現(xiàn)情況做總結(jié)，與學(xué)生交流分享。

2.3 實驗教學(xué)效果

本文以直流電機調(diào)速系統(tǒng)為例，層次化實驗教學(xué)內(nèi)容、引導(dǎo)性實驗指導(dǎo)教學(xué)和探究性的實驗擴展取得一定的效果。通過層次化實驗教學(xué)內(nèi)容，不同層次的學(xué)生均能設(shè)計實現(xiàn)一個完整的基于直流電機調(diào)速系統(tǒng)的電子產(chǎn)品。每個班級的學(xué)生約有80%的學(xué)生可以完成基礎(chǔ)型實驗和設(shè)計型實驗，設(shè)計20%的學(xué)生也都完成了探究性的實驗。通過層次化教學(xué)滿足不同能力的學(xué)生需求，讓學(xué)生既有可操作性，又可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，挑戰(zhàn)更高層次的任務(wù)。實驗結(jié)束后，學(xué)生實驗作品豐富多樣，部分作品見圖2 所示。

圖2 部分學(xué)生作品

3 結(jié)論

本文以直流電機調(diào)速項目為例，秉著“差異化培養(yǎng)、因材施教”的原則，將“以學(xué)生為中心”的理念，加入到傳統(tǒng)實驗教學(xué)和項目實踐教學(xué)中。本文提出了滿足不同層次學(xué)生的實踐能力、思考能力的基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計型實驗和探究性實驗；探究性實驗主要是為了滿足學(xué)有余力的學(xué)生進行知識擴展。綜合設(shè)計型實驗實施項目實驗內(nèi)容層次化、項目功能模塊化和多樣化，方便學(xué)生根據(jù)自己的能力和喜好選擇完成相應(yīng)實驗項目。新知識的擴展學(xué)習(xí)，開拓了思路，提高了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，增強分析與解決問題的能力。