基于CDIO 的伺服與變頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施方法

馮凌云，徐月華，郭燦彬，吳迪

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

交流伺服與變頻技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一，在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、造紙機(jī)械、物流機(jī)械及機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4].隨著中國“新基建”時代到來，在傳統(tǒng)制造向智能制造全面轉(zhuǎn)型升級的大趨勢下，伺服系統(tǒng)與工業(yè)變頻器正面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇.為滿足社會發(fā)展的需求，許多高校（特別是高職院校）在機(jī)電類專業(yè)中開設(shè)了交流伺服與變頻技術(shù)相關(guān)課程[5-7].該課程實(shí)踐性和工程性強(qiáng)，其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量和效果的重要環(huán)節(jié)[8].但在多年教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)普遍存在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目脫離工程實(shí)際、內(nèi)容缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性等現(xiàn)象，不僅制約學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力.此外，高職院校生源渠道日趨多元化，學(xué)生水平參差不齊，如何滿足新形勢下學(xué)生差異化訴求已成為教育教學(xué)工作者亟須解決的重要課題.

CDIO 是21 世紀(jì)初由美國麻省理工學(xué)院等4 所世界知名大學(xué)共同研究并提出的新型工程教育理念，其名稱源于構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)行（Operate）4 個英文單詞的縮寫[9].它倡導(dǎo)將教學(xué)融入具體的、接近實(shí)際的工程應(yīng)用之中，以產(chǎn)品生命周期為載體引入項(xiàng)目情境，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生以主動的、實(shí)踐的以及發(fā)現(xiàn)性的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)工程基礎(chǔ)知識、個人能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng).CDIO 在中國經(jīng)過20 余年的實(shí)踐與創(chuàng)新發(fā)展，已成為推進(jìn)高等教育教學(xué)改革的重要手段，具有很強(qiáng)的實(shí)踐可操作性和普遍適應(yīng)性[10-14].因此，將CDIO 理念融入交流伺服與變頻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程，設(shè)計(jì)和實(shí)施基于CDIO 的項(xiàng)目式教學(xué)，是解決教學(xué)現(xiàn)狀諸多問題的有效途徑.

1 實(shí)驗(yàn)平臺及項(xiàng)目簡介

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展依托學(xué)校自主搭建的伺服系統(tǒng)與變頻器實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)備選型貼近工程實(shí)際且兼顧經(jīng)濟(jì)性，主要由PC 機(jī)、PLC、觸摸屏、變頻器、減速電機(jī)M1、伺服系統(tǒng)、外部操作盒及相關(guān)連接線纜組成，整體結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺整體結(jié)構(gòu)

PC 內(nèi)安裝Multisim12，STEP7-MicroWIN SMART，WinCC flexible SMART 等軟件，PLC 選用西門子的S7-200 SMART 小型可編程控制器，觸摸屏采用西門子推出的高性價比觸摸屏SMART 700IE，交換機(jī)將PC機(jī)、PLC 和觸摸屏連接起來組成一個局域網(wǎng)，以便實(shí)驗(yàn)過程中組態(tài)、編程等.外部操作盒（見圖2）是自行設(shè)計(jì)制作的外部手動控制設(shè)備，通過快速插拔接線端口能與PLC 或變頻器的DI/AI 相連.操作盒的撥動開關(guān)和旋鈕可自定義使用，實(shí)現(xiàn)對變頻器或伺服驅(qū)動器的運(yùn)行控制.變頻器選用三菱公司E500 系列高性能、經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品FR-E540，其三相輸出通過功率電纜與4GN-15K 型減速電機(jī)相連，控制回路端子可與PLC或外部操作盒連接.平臺的V80 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是西門子公司推出的一款簡易型伺服產(chǎn)品，包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)M2 兩部分.伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用，其指令脈沖及I/O連接端口X1 可通過專用信號電纜與PLC 的輸入輸出端子連接.此外，還準(zhǔn)備了傳送帶、迷你風(fēng)機(jī)等控制對象，可通過聯(lián)軸器連接電機(jī)，從而模擬變頻器與伺服控制器在工業(yè)現(xiàn)場的控制過程，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中成為工程實(shí)踐者.

圖2 外部操作盒

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡介

交流伺服與變頻技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共5 個，每個項(xiàng)目安排課內(nèi)2 學(xué)時完成，詳見表1.通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握伺服系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用所需的理論知識；能熟練操作、使用通用型變頻器和伺服驅(qū)動器，并初步具備故障的分析與處理能力；能夠根據(jù)不同的控制要求，規(guī)劃問題解決方案，利用變頻器和伺服驅(qū)動器解決工程實(shí)際問題.為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)核心課程、畢業(yè)綜合實(shí)踐及今后走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

表1 交流伺服與變頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2 基于CDIO 的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)是CDIO 工程教育的精髓，也是能否實(shí)現(xiàn)既定教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵.以項(xiàng)目5 為例，按照CDIO理念分構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行4 個環(huán)節(jié)闡述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì).伺服系統(tǒng)是工業(yè)自動化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確定位、精準(zhǔn)運(yùn)動的必要途徑.實(shí)驗(yàn)平臺中V80 伺服系統(tǒng)與S7-200 PLC 可以構(gòu)成簡單經(jīng)濟(jì)的伺服定位系統(tǒng)，在各種需要精密定位的場景中進(jìn)行應(yīng)用[15].

2.1 構(gòu)思：產(chǎn)品構(gòu)思

本環(huán)節(jié)立足項(xiàng)目知識重點(diǎn)，即“伺服定位控制技術(shù)”.通過對相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)的需求挖掘和分析，提出一個具有市場前景的產(chǎn)品，并充分利用實(shí)驗(yàn)平臺軟、硬件資源形成產(chǎn)品的構(gòu)思.以物流快遞行業(yè)為例，近幾年隨著電子商務(wù)的興起飛速發(fā)展.物流快遞整個運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)中，物流分撥環(huán)節(jié)極為重要，需要實(shí)現(xiàn)快遞包裹的準(zhǔn)確分揀和快速輸送.物流分揀傳輸帶的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，有很好的市場前景.它是伺服定位控制技術(shù)的典型應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)平臺能體現(xiàn)該產(chǎn)品的實(shí)際工程環(huán)境.產(chǎn)品構(gòu)思：通過PLC 和伺服系統(tǒng)控制傳送帶將位于初始位置的物料塊運(yùn)送至目標(biāo)位置，模擬物流快遞企業(yè)使用傳送帶將快遞包裹運(yùn)送至指定的分揀道口，以便進(jìn)行后續(xù)堆碼、裝車作業(yè).

2.2 設(shè)計(jì)：方案設(shè)計(jì)

本環(huán)節(jié)根據(jù)產(chǎn)品構(gòu)思進(jìn)行硬件、軟件、控制算法詳細(xì)方案的設(shè)計(jì).

2.2.1 硬件方案 硬件上，以實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的樣品.使用聯(lián)軸器將伺服電機(jī)與傳送帶連接，通過伺服電機(jī)帶動傳送帶運(yùn)行，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動.通過改變伺服驅(qū)動器輸入脈沖的個數(shù)和頻率，實(shí)現(xiàn)傳送帶行程和速度的高精度控制.此外，沿傳送帶方向等間隔設(shè)置若干位置點(diǎn)并做好標(biāo)記（見圖3）.其中，#0 點(diǎn)位為物料塊初始位置，#1～#8 點(diǎn)位為8 個目標(biāo)位置.

圖3 物流分揀傳輸帶

2.2.2 控制算法 為實(shí)現(xiàn)傳送帶精準(zhǔn)定位控制，需要進(jìn)行行程脈沖計(jì)算.實(shí)驗(yàn)平臺中伺服電機(jī)在輸入脈沖數(shù)N時轉(zhuǎn)動1 圈同時帶動傳送帶移動距離d，則脈沖當(dāng)量δ為

人工測得#0～#8 點(diǎn)位間長度為L，于是可得到行程脈沖計(jì)算公式

即將物料塊從#0 點(diǎn)位運(yùn)送至#n點(diǎn)位所需的脈沖總數(shù).式中：1＜n＜8 為目標(biāo)位置編號；N為電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，由伺服驅(qū)動器上指令脈沖旋鈕開關(guān)確定，本例中設(shè)置為1 000.

2.2.3 軟件方案 軟件開發(fā)采用西門子S7-200 SMART 控制器專用軟件STEP7-MicroWIN SMART.首先，建立軟件與控制器間的通信連接；其次，通過軟件中“運(yùn)動向?qū)А惫δ芙M態(tài)運(yùn)動軸；然后，調(diào)用生成的運(yùn)動控制子例程編寫初始化、參考點(diǎn)搜索、傳送帶行走定位等PLC 程序；最后，將程序下載至控制器中進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行.

2.3 實(shí)現(xiàn)：制作實(shí)現(xiàn)

制作實(shí)現(xiàn)是將設(shè)計(jì)方案付諸實(shí)際，形成產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要完成電氣接線、運(yùn)動軸組態(tài)和PLC 程序編寫等任務(wù).

2.3.1 電氣接線 根據(jù)圖1 使用相關(guān)線纜把伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、外部操作盒、PLC 等設(shè)備連接起來，完成產(chǎn)品電氣接線，PLC 的I/O 地址分配使用見表2.

表2 I/O 分配表

2.3.2 組態(tài)運(yùn)動軸 S7-200 SMART 的運(yùn)動軸功能為伺服電機(jī)的速度和位置控制提供了統(tǒng)一的解決方案，可在STEP7-MicroWIN SMART 軟件中使用“運(yùn)動向?qū)А惫δ芙M態(tài)運(yùn)動軸控制伺服電機(jī).本例中關(guān)鍵步驟包括：組態(tài)“軸0”；測量系統(tǒng)選擇“相對脈沖”；脈沖輸出方式設(shè)為單向（2 輸出），Q0.0 為脈沖信號輸出口，Q0.2 為方向控制輸出口；啟用參考點(diǎn)開關(guān)輸入并設(shè)置為I1.0；啟用伺服使能輸出并設(shè)置為Q0.4；存儲器按“建議”方式或根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行分配，詳細(xì)步驟見表3.配置完成后，即可在程序里調(diào)用相關(guān)指令例程用于伺服電機(jī)控制.

表3 運(yùn)動軸組態(tài)步驟

2.3.3 編寫程序 采用典型的順序控制結(jié)構(gòu)編寫PLC 程序并下載至控制器，程序流程見圖4.

圖4 程序流程

整個程序需要用到AXIS0_CTRL（啟用和初始化運(yùn)動軸）、AXIS0_DIS（啟用/禁用電機(jī)）、AXIS0_RSEEK（搜索參考點(diǎn)）、AXIS0_GOTO（命令軸轉(zhuǎn)動到所需位置）等運(yùn)動軸子例程.其中AXIS0_GOTO子例程是傳送帶行走定位的關(guān)鍵，首先通過4個輸入開關(guān)I0.0～I(xiàn)0.3構(gòu)成組信號映射至內(nèi)部存儲器模擬目標(biāo)位置編號（即數(shù)值0～8），然后根據(jù)式（2）計(jì)算出行程脈沖，最后AXIS0_GOTO子例程按照給定的速度值（Speed）、行程脈沖（Pos）和運(yùn)動模式（Mode）控制傳送帶將物料塊準(zhǔn)確運(yùn)送到指定位置.

2.4 運(yùn)行：運(yùn)行測試

本環(huán)節(jié)主要對產(chǎn)品進(jìn)行試運(yùn)行和測試，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否達(dá)到構(gòu)思、設(shè)計(jì)的預(yù)期效果.本例中測試物流分揀傳送帶的運(yùn)行效果：系統(tǒng)啟動后首先初始化并通過I0.4啟用電機(jī)；接著通過I1.1啟動參考點(diǎn)搜索，I1.0確定傳送帶零點(diǎn)位置；然后將物料塊放在零點(diǎn)位置即#0點(diǎn)位，并組合使用I0.3～I(xiàn)0.0確定目標(biāo)位置（如0111表示#7點(diǎn)位）；最后接通I0.5命令傳送帶將物料塊運(yùn)送至目標(biāo)位置，運(yùn)送過程中如遇緊急情況可隨時使用I0.6停止傳送帶.完成一次分揀運(yùn)送后，將I0.3～I(xiàn)0.0均斷開使傳送帶返回原點(diǎn)，準(zhǔn)備第2次分揀運(yùn)送，以此類推.

產(chǎn)品不足及改進(jìn)措施見表4，產(chǎn)品試運(yùn)行測試過程中會發(fā)現(xiàn)問題或不足，要對之前的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施過程重新評估和改進(jìn).通過不斷改進(jìn)形成最優(yōu)產(chǎn)品，這與實(shí)際工程項(xiàng)目中產(chǎn)品迭代的過程是相似的.

表4 產(chǎn)品不足及改進(jìn)措施

3 “循環(huán)分段”教學(xué)實(shí)施方法

基于CDIO 理念設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將知識點(diǎn)以完整的工程項(xiàng)目形式串成整體，能夠在產(chǎn)品生命周期整個活動過程中幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識體系，培養(yǎng)學(xué)生工程調(diào)試能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和綜合創(chuàng)新能力.但是高職院校面臨的現(xiàn)狀是，同一個班級內(nèi)生源結(jié)構(gòu)組成包括高考普招生、注冊生、中專單招生、自主單招生等，甚至還會有下崗職工、農(nóng)民工等社會擴(kuò)招生[16].由于基礎(chǔ)不同，學(xué)生學(xué)習(xí)能力存在很大差異.部分學(xué)生覺得教學(xué)進(jìn)度緩慢、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠豐富，部分學(xué)生卻跟不上進(jìn)度，任務(wù)也難以完成.在整個班級中開展完整的CDIO 項(xiàng)目教學(xué)效果并不理想.針對這個問題，采用了一種循環(huán)分段方式實(shí)施教學(xué)，具體分成3 個階段（見圖5）.

圖5 CDIO 循環(huán)分段式教學(xué)實(shí)施流程

3.1 第1階段（S1-E1）

全部學(xué)生都要完成本階段實(shí)驗(yàn).由教師提供案例，精講產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)方案，學(xué)生負(fù)責(zé)制作產(chǎn)品和運(yùn)行測試，即教師負(fù)責(zé)C 和D，學(xué)生進(jìn)行I 和O.通過本階段練習(xí)，學(xué)生能夠掌握基本知識，做到理論聯(lián)系實(shí)際，具備工程調(diào)試能力.

3.2 第2階段（S2-E2）

擁有高中基礎(chǔ)的學(xué)生必須完成本階段實(shí)驗(yàn)，其余學(xué)生不做強(qiáng)制要求.由教師指定產(chǎn)品，學(xué)生參與方案設(shè)計(jì)，然后制作和測試.實(shí)驗(yàn)任務(wù)強(qiáng)化到D，I，O 的3 個內(nèi)容，學(xué)生能力鍛煉進(jìn)一步拓展到系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力.

3.3 第3階段（S3-E3）

針對思維活躍、學(xué)有余力的學(xué)生.完全由學(xué)生主導(dǎo)，自行發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，感受創(chuàng)新的艱辛與樂趣，完成整個CDIO 的全過程，學(xué)生綜合創(chuàng)新能力得到提高.教師在這個過程中主要提供技術(shù)支持和指導(dǎo).

通過3個階段由簡到難開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不同水平層次的學(xué)生都能在實(shí)踐中得到滿足感和獲得感，實(shí)現(xiàn)個人能力的分段訓(xùn)練、遞進(jìn)提升.

4 結(jié)語

近2 年，在機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等機(jī)電類專業(yè)交流伺服與變頻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課中基于CDIO 理念，采用循環(huán)分段教學(xué)方法，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動性明顯提高.問卷調(diào)查顯示，大部分學(xué)生認(rèn)同并享受這樣的教學(xué)方式，已畢業(yè)學(xué)生普遍認(rèn)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密對接，進(jìn)入企業(yè)后在較短時間內(nèi)能適應(yīng)和勝任相關(guān)工作崗位.不同基礎(chǔ)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)取得了進(jìn)步，部分學(xué)生組隊(duì)參加全國職業(yè)院校技能大賽，榮獲國賽二等獎2 次、三等獎1 次及省賽一等獎6 次、二等獎5 次、三等獎4 次；在挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”等大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中獲省一等獎2 次、三等獎4 次，獲獎學(xué)生中有34%是由中職升學(xué)而來.

交流伺服與變頻技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)，在高職院校機(jī)電類專業(yè)教學(xué)中越來越得到重視.為解決該課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，專業(yè)教師自主開發(fā)了貼近工程實(shí)際的經(jīng)濟(jì)型實(shí)驗(yàn)平臺，并將CDIO工程教育理念融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的無縫對接，有效激發(fā)了學(xué)生興趣和動手實(shí)驗(yàn)的積極性，促進(jìn)工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng).同時，針對當(dāng)前生源結(jié)構(gòu)多元化的形勢和趨勢，提出采用循環(huán)分段方式實(shí)施教學(xué)，滿足了學(xué)生的差異化訴求.