基于模塊化實驗系統(tǒng)的電力電子技術實驗教學改革

王曉剛 黃俊濱 謝鵬俊

摘? 要：針對電力電子技術實驗教學存在的問題，開展教學改革與實踐。首先，基于模塊化思想，設計包含實驗電路和上位機軟件的新型實驗系統(tǒng)。然后，基于該實驗系統(tǒng)，提出一種遵循成果導向教育理念，課前、課中、課后三位一體的實驗教學模式。實踐結果表明，學生的實驗興趣得到激發(fā)，理論水平和實踐能力均得到提升，實現(xiàn)知識的融會貫通。

關鍵詞：電力電子技術；實驗教學；成果導向教育；模塊化；教學模式

Abstract： To solve the problems existing in experimental teaching of the power electronics course， the teaching reform and practice are carried out. First， based on the ideas of modularity， a new experimental system including experimental circuit and host computer software is designed. Then， a new experimental teaching model based on the experimental system contains "before class"， "during class" and "after class" is proposed， which follows the outcomes-based education concept. The practice results show that the experimental interest of the students is stimulated， both theoretical level and practical ability of the students are promoted， and the integration of knowledge is achieved.

Keywords： power electronics; experimental teaching; outcomes-based education; modularity; teaching model

電力電子技術是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)必修課和核心課程。隨著雙碳目標的提出，新能源發(fā)電技術越來越受到重視，大部分新能源發(fā)電需要采用電力電子技術與電網(wǎng)接口。此外，在直流輸電、電能質量治理、大規(guī)模儲能、電動汽車和不間斷電源等技術和設備中，電力電子技術更是不可或缺。因此，這門課程對電氣專業(yè)的學生有著不言而喻的重要地位。

傳統(tǒng)的電力電子技術課程實驗教學存在實驗設備陳舊、驗證性實驗多、考核方式單一等問題。各高校積極開展電力電子技術課程實驗教學改革，可分為實驗方法的改革和實驗裝置的改進兩個方面。前者包括翻轉課堂法[1]、混合學習法[2]、仿真法[3-4]等，后者包括自制實驗系統(tǒng)[5-8]、采用半實物裝置[9-10]等。

本文分析了當前電力電子技術實驗教學中存在的問題，基于工程教育認證倡導的成果導向教育理念，設計了一種創(chuàng)新型的電力電子技術實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊化的特點。以降壓（Buck）變換器實驗為例，詳細說明了實驗系統(tǒng)的原理和構成。提出一種課前、課中、課后三位一體的實驗教學模式，給出了詳細的教學設計方案。

一? 電力電子技術實驗教學的痛點

電力電子技術是一門實踐性很強的課程，實驗環(huán)節(jié)在課程教學中占據(jù)重要的位置。但是，目前實驗教學存在一系列問題，可歸納為以下幾點。

（一）? 實驗設備陳舊、功能簡單

傳統(tǒng)的電力電子技術實驗教學需要在大型實驗臺上完成。這種實驗臺上畫出了主電路拓撲和控制電路圖，為學生接線提供了指示，鍛煉了學生的動手能力。但是也存在造價高、占地面積大、更新周期慢（一旦購置，通常要使用十年以上）、能開設的實驗項目有限、實驗項目多為驗證性和不易開發(fā)新實驗項目等缺點，無法真正提高學生的工程實踐能力，不符合工程教育認證的要求。

（二）? 驗證性實驗多，實驗內容模式化

電力電子技術開設的實驗都為一些驗證拓撲工作原理的驗證性實驗。實驗課上，通常采取教師講解實驗原理和實驗步驟，學生按部就班完成的方式。實驗內容未做到及時更新，創(chuàng)新性不強，學生參與度不高，與教師的互動不積極。電力電子技術是電子技術、電力技術、控制技術三門學科的交叉，但開設的實驗項目對控制技術的訓練不夠，未達到綜合運用所學知識的目的。

（三）? 考核方式不夠合理

部分教師仍然習慣性地將課堂教學作為教學活動的主體，認為理論教學能體現(xiàn)教師的教學水平，實踐教學只是理論教學的一種補充，各類質量工程項目和教學改革研究項目也往往圍繞著理論教學開展。在實踐教學中，通常采取教師講解實踐內容和步驟，學生按部就班完成的方式。實踐內容未做到及時更新，創(chuàng)新性不強，學生參與度不高，與教師的互動不積極。傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)考核以教師主觀打分為主，存在評價不夠準確、缺少過程性考核、不易考察畢業(yè)要求達成度等問題。在教與學雙方對實踐教學均抱著應付態(tài)度，且評價機制不合理的情況下，實踐教學難以起到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的作用。

二? 新型模塊化實驗系統(tǒng)

針對電力電子技術實驗教學中存在的痛點問題，開發(fā)了一種新型的模塊化實驗系統(tǒng)。以Buck變換器實驗為例，說明新型模塊化實驗系統(tǒng)的組成和設計思想。

實驗系統(tǒng)由實驗電路和上位機（含軟件）組成，實驗電路是由單片機控制的Buck變換器硬件電路，上位機則是一臺安裝了實驗軟件的計算機。整個實驗系統(tǒng)的結構如圖1所示，實驗系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

（一）? 基于模塊化思想的實驗電路設計

電力電子變換器由主電路、驅動電路、控制電路（含采樣電路）組成，為了體現(xiàn)這一特征，將Buck變換器設計成4個電路板：主電路板、驅動電路板、采樣電路板和單片機控制板。主電路板包括MOSFET、電感、電容、二極管、緩沖電路、保護電路、電源接線端和負載接線端；驅動電路板接收來自控制電路板的PWM信號，將其放大為MOSFET開通和關斷所需的驅動信號并送至主電路板；采樣電路板包括電壓電流采樣電路和信號調理電路，將信號轉換為符合單片機AD轉換器輸入要求的信號，送至控制電路板；控制電路板實現(xiàn)AD轉換、控制程序的運行和PWM信號的產生，主控芯片采用ATmega128單片機。

電路板采用插接件的連接方式，形成積木式結構。這種結構也能讓學生熟悉工程實際，因為積木式結構能夠保證產品批量生產的質量，降低系統(tǒng)成本，調試和維修方便，因而在實際產品中得到比較多的應用。

實驗電路與上位機采用串行通信方式，ATmega128單片機的通用異步收發(fā)器（USART0）和TTL轉RS485模塊配合，將實驗電路的信息發(fā)送至上位機。

（二）? 上位機軟件

上位機實驗軟件有三大功能：根據(jù)變換器的參數(shù)手動輸入PI控制參數(shù)、收集實驗結果、生成實驗結果圖片。軟件采用Visual Studio開發(fā)，通信部分采用NET Framework 2.0類庫中的SerialPort 串口控件。實驗開始后，學生計算出PI參數(shù)并在上位機軟件中輸入，點擊“運行”，PI參數(shù)通過串口傳輸至實驗電路；隨后Buck變換器啟動，將輸出電壓數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機記錄啟動波形。實驗完成后，點擊“保存實驗結果”，軟件將生成一張包含實驗波形、小組學生學號姓名、波形主要指標的圖片，如圖3所示，由學生在課后附在實驗報告上。圖片中網(wǎng)格圖和曲線波形的繪制使用了Graphics對象的Drawline（）函數(shù)，將多個數(shù)據(jù)點連接成一個連續(xù)的波形。

三? 基于新型實驗系統(tǒng)的實驗教學設計

每節(jié)實驗課分為課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)，三者結合構成一體化的教學模式。

（一）? 課前

課前布置實驗預習任務，要求學生實驗前完成以下工作。

1）學習Buck變換器的反饋控制原理。課堂上雖然講授了Buck變換器，但是局限于拓撲結構和基本工作原理。因此教師準備了Buck變換器建模和反饋控制方面的學習資料，發(fā)給學生學習。要求學生掌握常用的Buck變換器狀態(tài)空間平均模型，得到傳遞函數(shù)，掌握Buck變換器的PI控制方法及PI參數(shù)整定方法。要求學生學習輸出電壓單閉環(huán)控制和電壓電流雙閉環(huán)控制兩種反饋控制方法。

2）用MATLAB/Simulink完成仿真。首先，用MATLAB的bode函數(shù)繪制Buck變換器傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性曲線，驗證整定的PI參數(shù)是否能獲得理想的幅值裕度和相位裕度。然后，用Simulink實現(xiàn)Buck變換器閉環(huán)控制仿真，Simulink包含電力工具箱，可以用于仿真各種電力電子變換器。讓學生使用Simulink的PI模塊實現(xiàn)對Buck變換器的閉環(huán)控制，并用虛擬示波器觀察輸出電壓、電感電流、PWM脈沖等關鍵物理量和信號的時域波形，以期進一步掌握Buck變換器的特性。

3）將教師設計好的基于ATmega128單片機的Buck變換器反饋控制Proteus原理圖及單片機程序發(fā)給學生。要求學生學習看懂原理圖和程序，特別是PI控制部分和PWM產生部分。需要注意的是，Proteus原理圖應與實際的實驗電路一致。

4）撰寫實驗預習報告。

（二）? 課中

實驗課中主要使用模塊化實驗系統(tǒng)完成實驗，課堂教學過程如下。

1）將學生分組，兩人一組效果較好。每組使用一套實驗系統(tǒng)。

2）教師出討論題，組織學生討論，討論結束后提問，檢驗學生課前學習效果。

3）教師講解課前學習的重點，鞏固所學知識。

4）教師講解實驗要求、實驗原理、實驗步驟，以及實驗系統(tǒng)的操作方法。

5）學生接通實驗電路電源，打開上位機軟件，啟動上位機與實驗電路的串行通信。

6）教師在確認每組學生實驗環(huán)境均準備好后，宣布實驗開始。教師在實驗室的屏幕上給出實驗電路中Buck變換器的主電路和采樣電路參數(shù)（與課前仿真的不同），要求學生用MATLAB整定PI參數(shù)。

7）學生根據(jù)課前所學的知識，開始整定PI參數(shù)。整定結束后，在上位機軟件輸入PI參數(shù)，啟動Buck變換器。

8）啟動后，實驗電路將啟動電壓波形和一段時間的穩(wěn)態(tài)波形發(fā)送至上位機。

9）上位機接受傳送過來的波形數(shù)據(jù)，在軟件中再現(xiàn)波形，并生成包含學生學號和姓名的實驗結果圖片。

10）實驗時間到，實驗結束。

11）教師在實驗室屏幕上向學生展示若干有代表性的實驗波形（波形可由局域網(wǎng)發(fā)送到教師計算機），組織學生討論和評價。對于Buck變換器實驗，評價針對的是Buck變換器輸出電壓的質量，從電壓的超調量、穩(wěn)定時間、穩(wěn)態(tài)誤差等方面進行綜合評價。

12）教師點評本次實驗。歸納總結實驗的經(jīng)驗、收獲與教訓。

13）教師布置課后任務。

（三）? 課后

為了鞏固實驗效果拓展知識，布置了課后學習任務。

1）學生分析上位機軟件記錄的實驗結果，思考是否能進一步改進。

2）教師將準備好的課后學習資料發(fā)給學生，要求學生學習。課后學習資料的內容是基于UC3842的Buck變換器。Buck變換器除了可以用單片機控制外，也可以用控制芯片控制。UC3842就是一種常用的電源控制芯片，有電壓反饋引腳和電流檢測引腳，外接少量的電阻、電容元件就能實現(xiàn)Buck變換器的雙閉環(huán)控制。該芯片的電流控制采用峰值電流控制，還可以讓學生了解占空比大于0.5時出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象及其成因，以及利用斜坡補償使變換器穩(wěn)定的方法。MATLAB/Simulink適合于原理性仿真，而PSIM軟件更貼近工程實際，集成了常用的電源控制芯片模型。將基于UC3842的Buck變換器PSIM仿真文件發(fā)給學生，學生自行完成仿真學習。PSIM仿真原理圖如圖4所示。

3）對使用單片機和使用控制芯片控制Buck變換器做出比較，歸納各自的優(yōu)點和缺點。

4）完成實驗報告的撰寫。實驗報告中要包含課前、課中、課后的學習與實驗結果，還要寫一段心得體會。

（四）? 評價

實驗采用的是過程化與個性化相結合、形成性評價與結果性評價相結合的學習考核及評價方式，評價更加客觀合理。實驗各環(huán)節(jié)的成績分值見表1。

表1? 實驗成績分值? ? ? ? ? ? ?分

四? 教學實踐與反思

基于上述實驗系統(tǒng)和實驗教學設計開展了教學實踐。在實踐中，學生對課前、課中、課后的學習內容和實驗過程普遍感到滿意，認為實驗系統(tǒng)和實驗教學設計很有新意，打破了以往按部就班按照實驗指導書的實驗步驟完成實驗的陳舊思維，而且知識拓展比較多，學到很多書本上沒有的知識，收獲非常大。期末考試后開展了課程達成度評價，結果由0.736提高至0.823。

改革后的電力電子技術實驗對教師和學生的要求比較高。教師對從課前到課后的整個實驗過程應有全局的把握，且課前和課后要投入更多的時間，教學管理上的難度也有所增加。對學生而言，基礎知識的掌握變得更為重要，還應具備扎實的單片機和自動控制原理知識，才能實現(xiàn)融會貫通。

五? 結束語

實驗是電力電子技術課程重要的教學環(huán)節(jié)，本文提出一種模塊化電力電子實驗系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)開展了實驗教學改革與實踐。結果表明，教學改革實施后，學生在實驗中起主導作用，實驗興趣得到很大的提高。實驗過程中理論和實踐并重，學生將電力電子與單片機技術和自動控制原理的知識結合起來，工程實踐能力和融會貫通的能力大大增強。改革措施遵循成果導向教育理念，符合工程教育認證要求。

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