基于Proteus的汽車電工電子電路設(shè)計與應(yīng)用＊

任志民，魏永武，寧軒

（1．運城職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造與數(shù)智礦山學(xué)院，山西 運城 044000；2．甘肅電氣裝備集團(tuán)有限公司科技管理部，甘肅 蘭州 730050）

近年來，在高職院校的入學(xué)新生中，既有普通高中和中職畢業(yè)生，還有學(xué)校自主招收的復(fù)員轉(zhuǎn)業(yè)軍人和新型農(nóng)民工等。如何針對基礎(chǔ)理論薄弱、學(xué)歷背景復(fù)雜的入學(xué)新生開展汽車電工電子課程的教學(xué)與實訓(xùn)，是授課教師需要研究的問題[1]。隨著新能源汽車和智能汽車技術(shù)的發(fā)展，交通運輸、車輛工程等行業(yè)對高職院校汽車工程類各專業(yè)技術(shù)人才的知識技能和職業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求。如何建設(shè)實訓(xùn)實驗教學(xué)平臺，也是高職院校需要解決的現(xiàn)實問題[2]。為了實現(xiàn)汽車專業(yè)課程標(biāo)準(zhǔn)制定的各項目標(biāo)，對《汽車電工電子課程理實一體化教學(xué)平臺》教研課題進(jìn)行了立項，更新和升級了實訓(xùn)實驗教學(xué)中的設(shè)備儀器儀表及工具，改進(jìn)了教學(xué)計劃與教學(xué)方案。在覆蓋全部內(nèi)容的前提下突出重點環(huán)節(jié)，在課程的理論教學(xué)中補充了仿真教學(xué)項目任務(wù)，在軟件環(huán)境條件下搭建了配置靈活、難易程度可控、可以分解綜合、能夠反復(fù)演示、幾乎沒有耗能耗材的汽車電工電子課程仿真教學(xué)平臺。將正常電路參數(shù)設(shè)置和運行結(jié)果與故障狀態(tài)時的異?，F(xiàn)象進(jìn)行對比，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行故障分析和判別。在實訓(xùn)中制定出相應(yīng)的檢修方案，對理論教學(xué)和實訓(xùn)實驗教學(xué)質(zhì)量的提升起到了事半功倍的效果。

1 仿真教學(xué)平臺建設(shè)

1．1 仿真教學(xué)的支持軟件

為了在仿真教學(xué)中將汽車電工技術(shù)與電子技術(shù)兩部分課程內(nèi)容有機結(jié)合，選擇了Proteus這款產(chǎn)品開發(fā)與仿真工程應(yīng)用軟件作為仿真教學(xué)平臺的支持軟件。因為Lab Center Electronics公司出版的這款EDA工具軟件，實質(zhì)上是電路仿真、PCB設(shè)計和虛擬模型仿真合而為一的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用平臺[3]。Proteus除用于產(chǎn)品開發(fā)和技能考評外，最大的應(yīng)用特點是為教學(xué)提供了強大而豐富的資源，能夠進(jìn)行模擬電路、數(shù)字電路、微控制器與嵌入式系統(tǒng)在教學(xué)中的綜合實驗、研究性實驗以及學(xué)生們的畢業(yè)設(shè)計。

Proteus軟件平臺能夠進(jìn)行互動的電路仿真。用戶可以實時選用電源、熔斷器、繼電器、按鈕、開關(guān)、電機等電工器件和LED、LCD、微處理器的RAM和ROM、鍵盤、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、SPI器件、IIC 器件等電子器件，還可以選用示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表、交流電流表、頻率計／計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端等多種虛擬儀器。仿真系統(tǒng)基于SPICE3F5工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了數(shù)字與模擬電路的混合仿真。Proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。仿真系統(tǒng)含有直流、正弦、脈沖、音頻、指數(shù)信號等多種激勵源，并支持文件形式的信號輸入；用戶能夠配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器、仿真處理器及其外圍電路，仿真51系列、AVR、PIC、ARM等主流單片機；還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，配合顯示及輸出運行結(jié)果。用戶還能夠在Proteus平臺上進(jìn)行智能原理圖設(shè)計，選擇使用多達(dá)27000種的元器件，通過智能模糊搜索快速查找和定位所需要的器件，自動地智能化連線。系統(tǒng)能夠輸出高質(zhì)量BMP圖樣，方便地供Word、Powerpoint等多種文檔使用。仿真平臺基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等多項指標(biāo)，并進(jìn)行一致性分析[4]。Proteus軟件因具有專業(yè)性強、應(yīng)用面寬、元件豐富、結(jié)合性好、擴展性強等這些突出優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用。

1．2 仿真教學(xué)的授課對象與課程標(biāo)準(zhǔn)

在汽車電工電子課程仿真教學(xué)中應(yīng)用的項目選擇上，首先明確了授課的主要對象。對于普通高中和中職畢業(yè)生，課程的理論知識起點是中學(xué)階段物理課程中的電學(xué)部分。對于復(fù)員轉(zhuǎn)業(yè)軍人和新型農(nóng)民工等特殊教學(xué)對象，課程的知識要點從電路歐姆定律開始起講。其次，選取汽車電工電子典型電路，在突出電路定律定理、電路結(jié)構(gòu)型式、元器件與電路應(yīng)用的同時，注重與后續(xù)的汽車發(fā)動機電控技術(shù)、電氣設(shè)備構(gòu)造與維修、汽車故障診斷技術(shù)等課程的內(nèi)容相銜接[5]。再次，將仿真教學(xué)的項目任務(wù)與新能源汽車專業(yè)汽車電工電子課程的知識目標(biāo)、技能目標(biāo)、職業(yè)素養(yǎng)目標(biāo)相銜接，列入教學(xué)計劃和理實一體化教學(xué)整體方案，一并實施并進(jìn)行考核。

2 仿真教學(xué)項目與任務(wù)

2．1 仿真教學(xué)實施項目

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮所有教學(xué)項目中的教學(xué)任務(wù)，合理編排仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計具體的教學(xué)內(nèi)容。在新能源汽車專業(yè)的汽車電工電子課程教學(xué)計劃中納入具體的仿真教學(xué)任務(wù)。主要仿真項目的任務(wù)內(nèi)容如表1所列。

表1 仿真電路或系統(tǒng)與理實一體化教學(xué)項目任務(wù)

2．2 仿真教學(xué)任務(wù)內(nèi)容與仿真電路

作為理論教學(xué)與實訓(xùn)實驗教學(xué)的必要補充，仿真教學(xué)中設(shè)計和的應(yīng)用的電路或系統(tǒng)突破了單一項目單一任務(wù)的限制。選擇和設(shè)計的仿真電路或系統(tǒng)與仿真項目任務(wù)的對應(yīng)關(guān)系如表1所列。

3 仿真電路設(shè)計

3．1 電路定律與定理

為仿真教學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的基爾霍夫電路定律驗證電路如圖1所示[6]。設(shè)置電源E1、E2的內(nèi)阻均為0．1Ω，在節(jié)點B設(shè)置電壓探針進(jìn)行測量和顯示，對三條支路的電流用電流探針測量并顯示。圖2是含有電阻串并聯(lián)支路的全電路歐姆定律驗證電路。設(shè)置電源U1的內(nèi)阻、開關(guān)K1和K2的接觸電阻均為0．1Ω，用電壓探針和電流探針分別測量節(jié)點電壓和支路電流，從而驗證全電路歐姆定律、兩并聯(lián)支路中的電流大小與兩并聯(lián)電阻值的大小成反比這個結(jié)論。

圖1 基爾霍夫電路定律驗證電路

圖2 全電路歐姆定律驗證電路

為仿真教學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的線性電路疊加定理驗證電路如圖3所示。在該電路中，一次性設(shè)計的三個電路處在同一窗體中，在仿真時一鍵式同步運行電路。通過按下暫停仿真按鈕查看電路運行結(jié)果，從而驗證電路一的運行結(jié)果是電路二獨立運行結(jié)果與電路三獨立運行結(jié)果的疊加。

圖3 疊加定理驗證電路

3．2 直流電路與電機調(diào)速控制電路

在仿真教學(xué)中，將直流電路項目與電機項目的內(nèi)容進(jìn)行了綜合，設(shè)計的直流電動汽車汽車模擬系統(tǒng)如圖4所示。該仿真電路首先反映了傳統(tǒng)汽車電源電路的低壓12V直流電源、單線制、負(fù)極“搭鐵”等特點。其次，模擬了汽車前照燈、車廂燈、轉(zhuǎn)向燈、電喇叭的開啟與關(guān)斷情景。在仿真教學(xué)演示中，通過元件參數(shù)隱藏設(shè)置功能，將空調(diào)支路的熔斷器電流設(shè)置在正常工作點以下，仿真中合上K102開關(guān)即發(fā)生空調(diào)熔斷器熔絲開斷現(xiàn)象，模擬了空調(diào)直流電風(fēng)扇電路的開關(guān)閉合、但直流電風(fēng)扇電機不運轉(zhuǎn)的故障狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生識別空調(diào)設(shè)備不工作故障。

圖4 直流電動汽車模擬系統(tǒng)

在直流電動汽車模擬系統(tǒng)的設(shè)計電路中，設(shè)置了兩臺電動機并聯(lián)，共用同一個轉(zhuǎn)換開關(guān)SW100，在電樞回路串聯(lián)多段電阻，每段電阻兩端并聯(lián)一個能將電阻短路切除的并聯(lián)開關(guān)，模擬了直流電動汽車前行／倒車轉(zhuǎn)換、多擋位車速下驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速變化情景，同時用電壓探針和電流探針作為模擬儀表，顯示蓄電池電源的電壓、電流和電動機的電樞電流。

3．3 整流電路與繼電器控制系統(tǒng)

在仿真教學(xué)中，將交流電路項目任務(wù)與繼電控制項目任務(wù)的內(nèi)容相結(jié)合，設(shè)計了單相橋式整流電路及繼電器控制系統(tǒng)。對單相變壓器交流電路的橋式整流、蓄電式充電供電、繼電器控制直流電動機正反轉(zhuǎn)、直流風(fēng)機運轉(zhuǎn)與照明供電進(jìn)行了綜合設(shè)計[7]，如圖5所示。在該仿真電路運行前，設(shè)置了單相變壓器激勵源信號參數(shù)、交流側(cè)過流熔斷器保護(hù)。通過K1、K2、K3三個開關(guān)的開閉組合，模擬了在整流器單獨供電、蓄電池單獨供電、整流器與蓄電式同時供電情況下電動機在繼電器控制下的正反轉(zhuǎn)、風(fēng)機運轉(zhuǎn)、照明、蓄電池充電等情景。

圖5 整流電路與繼電器控制系統(tǒng)

單相橋式整流電路與繼電器控制系統(tǒng)框圖如圖5（a）所示，電壓幅值 25V，頻率 50Hz，初相位為0°。通過虛擬示波器的四通道顯示的變壓器原邊繞組電壓波形、副邊繞組兩端的電壓波形和整流電壓波形如圖5（b）所示。

在繼電器控制直流電動機正反轉(zhuǎn)電路的主回路中，選用了內(nèi)部觸頭接線轉(zhuǎn)換的W172DIP－13型開關(guān)，即使控制回路的FW－BW正反轉(zhuǎn)控制按鈕開關(guān)處于開斷狀態(tài)，電動機仍能持續(xù)運轉(zhuǎn)，因為W172DIP－13轉(zhuǎn)換開關(guān)具有記憶FW－BW按鈕開關(guān)的開閉狀態(tài)功能。通過設(shè)置兩個并聯(lián)發(fā)光二極管的亮和滅，演示了改變直流電動機電樞電壓極性來改變電動機轉(zhuǎn)向的控制方法。該整流電路與繼電器控制系統(tǒng)銜接了新能源汽車專業(yè)的驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)、高壓安全與防護(hù)、能源管理系統(tǒng)、電氣技術(shù)等后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容。

3．4 汽車應(yīng)用電路

在汽車電工電子課程中有較多的電子應(yīng)用電路[8]。選擇的仿真電路中，既要包含了電阻、電容、發(fā)光二極管、三極管等電子元器件，還應(yīng)該含包比較、放大、穩(wěn)壓、運放等基本形式的電路。在三極管應(yīng)用的仿真教學(xué)任務(wù)中，設(shè)計并演示的汽車聲光報警電路如圖6所示，發(fā)光二極管D1和D2輪流閃爍，同時電喇叭發(fā)聲報警。

圖6 汽車聲光報警電路

在比較運算放大器應(yīng)用的仿真教學(xué)任務(wù)中，設(shè)計和演示的汽車蓄電池電壓過低報警電路如圖7所示。其中，應(yīng)用了LM471運算放大器，將12V正常電壓的蓄電池組與電壓為9．8V的電壓過低蓄電池電阻相并聯(lián)，在發(fā)光二極管的兩端設(shè)置了電壓探針，在支路中加入了電流探針。在仿真教學(xué)演示中，通過開關(guān)切換觀察和比較兩種電壓下發(fā)光二極管的滅亮情況，驗證蓄電池電壓過低報警電路設(shè)計的正確性。

圖7 汽車蓄電池電壓過低報警電路

3．5 電路設(shè)計應(yīng)注意事項

在Proteus軟件平臺的仿真電路設(shè)計中，需要注意一些有關(guān)事項。首先，在模擬電路中，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)需要各自獨立設(shè)置接地點。在圖5a中，單相變壓器的原邊繞組與副邊繞組至少要有一側(cè)接地，同時要設(shè)置合理的原邊繞組與副邊繞組的電阻和電感值。否則，變壓器副邊繞組一側(cè)交流母線電流發(fā)生過載，熔斷器的的熔絲就會熔斷。其次，在同一個直流或交流系統(tǒng)中，需要合理設(shè)置接地點并配合電壓探針或電壓表的測量。例如，在圖1所示的基爾霍夫電路定律驗證電路中，如果在D、E、F三點中一個接地點都沒有設(shè)置，則電壓探針不會正確顯示B點電壓為6V，而是3．52459V。在非純電阻電路或者含有電抗元件的電路中，需要對元件參數(shù)合理設(shè)置，否則，在仿真時系統(tǒng)會因為電路時間常數(shù)不合理而中斷運行甚至不能運行。

4 結(jié)論

通過教研項目“汽車電工電子課程理實一體化教學(xué)平臺建設(shè)”的實施，在汽車電工電子課程教學(xué)中開展仿真教學(xué)，解決了實訓(xùn)實驗室不具備條件時如何進(jìn)行教學(xué)的實際問題。在仿真教學(xué)中設(shè)計和應(yīng)用的典型電路與系統(tǒng)，通過教師演示和學(xué)生們的使用，增強了直觀性和趣味性，加強了學(xué)生們對重點難點知識要點的理解和掌握，提高了學(xué)生們對課程的學(xué)習(xí)興趣和積極性。通過對包括農(nóng)民工和復(fù)原專業(yè)軍人等特殊教學(xué)對象在內(nèi)的三屆學(xué)生的教學(xué)實踐，經(jīng)過考核結(jié)果分析與評估，達(dá)到了教改課題預(yù)期目標(biāo)。

本文中很少提及的數(shù)字電路仿真教學(xué)內(nèi)容，在課題實施中主要與C語言程序設(shè)計、汽車單片機應(yīng)用等課程相結(jié)合，設(shè)計和應(yīng)用的單片機應(yīng)用教學(xué)仿真電路與系統(tǒng)更具有新穎性、典型性和趣味性，在教學(xué)中也取得了良好效果。在以后的汽車電工電子課程教學(xué)中，仿真教學(xué)項目任務(wù)和內(nèi)容還要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，以適應(yīng)新能源汽車、智能汽車技術(shù)等專業(yè)發(fā)展的新要求。