電氣類項目化探究型實驗教學的探索

盧慧芬， 吳 敏， 趙建勇， 盧琴芬

(浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027)

電氣類項目化探究型實驗教學的探索

盧慧芬， 吳 敏， 趙建勇， 盧琴芬

(浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027)

本文介紹電氣類項目化探究型實驗平臺的設計及實施方案，從教學內容、教學組織方式、教學時間以及教學評價等方面實行多元化的新型實驗課程項目化教學模式。將研究能力培養貫穿于實驗教學中，提升學生工程實踐創新能力。同時為電氣類探究性實驗教學改革和實驗室建設解決共性問題提供一定的參考。

探究型實驗平臺；教學模式；創新能力

0 引言

本文從我校電類專業實踐教學現狀和問題出發，根據人才培養的目標，建立起以學生為主體，以學生的專業性質、興趣愛好和發展目標為需求導向的開放式、多元化的實驗教學新體系，通過創建探究型實體產品為載體，實施項目化實驗教學新模式，引導學生遵循自我設計、循序漸進不斷提高的大跨度實踐模式。將研究能力培養貫穿于實驗教學中，提升學生工程實踐創新能力。本文重點放在探討和交流探究型實施平臺構建和項目化教學模式改革的實施過程[1]。

1 探究型實踐平臺的設計

1.1構建三大探究型實踐平臺

結合學科科研特色和優勢，我校構建了與課程關聯并能培養學生工程實踐創新能力的三個探究型實驗平臺：①基于“大工程思想”的電機產品設計及模塊化控制實踐平臺；②“以創新為核心”的電機智能控制實踐創新平臺；③ 以“工程化為核心”的電機系統及其控制工程創新實踐平臺。

這三個探索型實踐平臺為專業實驗課程提供一種嶄新的開放工程實踐創新教學與實踐教學平臺。

1)電機產品設計及模塊化控制實踐平臺

為本科生提供的基于“大工程思想”的電機產品設計及模塊化控制實踐的平臺，如圖1所示。平臺以浙江省電機制造業典型電機產品為對象，學生通過分析電機的用戶需要、功能、性能、結構、制造工藝及成本等要素，開展典型產品的用戶調研、電機設計，并利用平臺完成電機產品的制作及測試，獲得電機設計的訓練。該實踐平臺能滿足專業課程“電機學”、“現代電機CAD技術”、“電機工程實踐”等的教學實踐要求。

圖1 電機產品設計及模塊化實踐平臺

研制的模塊化實驗開發板涵蓋課程群“數字電子技術”、“模擬電子技術”、“FPGA應用”、“電機控制”、“微機原理及應用”、“電力電子技術”、“DSP在運動控制中的應用”。這些模塊可以隨著學習的深入逐步添加，根據需要取舍，使學生掌握不同工程應用之間的聯系與區別，從而形成一個完整的體系。

2)電機智能控制實踐創新平臺

通過本平臺，緊密結合浙江省制造業，對學生開展以“創新為核心”的全過程訓練。平臺采用模塊化組合結構，實現DSP核心板及其功率控制電路模塊分別控制直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機、感應異步電機。滿足專業課程：“微機原理及應用”、“DSP原理及應用”、“DSP在運動控制中的應用”、 “電機控制”等的教學要求，采用遞進式實驗教學，有效地提高實驗教學質量水平，如圖2所示。

圖2 電機智能控制實踐創新平臺

該平臺提供的實踐訓練綜合運用基礎及專業知識，結合最新科研成果，充分考慮電機控制程序的核心算法的開放和與提供的系統程序無縫連接，為學生實現不同的控制算法提供可能。學生在對電機智能控制系統的認知、功能再設計的基礎上，以不同控制對象為主要實踐產品類型，在教師指導下，開展功能和算法的創新。

3)電機系統及其控制工程創新實踐平臺

通過該平臺，緊密結合浙江省電氣裝備制造業對學生開展以“工程化為核心”的產品CDIO全過程訓練。平臺上提供若干不同負載類型，學生在對電氣裝備的系統認知、功能分析、性能試驗的基礎上，通過企業調研，提出電氣裝備的設計項目，完成電氣產品的構思、設計、制造和運行等全過程, 研制空調/冰箱負載創新實踐訓練和風機/恒轉矩負載創新實踐訓練，如圖3所示。

該平臺的建立，完全打破了傳統的教學模式，促使學生主動學習知識和主動獲取知識，為教師從灌輸式教學向任務驅動教學和工程實踐創新教學轉變提供有效的硬件平臺。學生在最短時間里便可獲取盡可能多的資源，迅速提升其實踐和創新能力。

圖3 電機系統及其控制工程創新實踐平臺

1.2構建新型的探究型實驗教學體系

我校在構建三大探究型實踐平臺的同時，還構建了探究型實驗教學體系，分層次設立實驗項目：①基礎實驗項目：讓學生掌握理論并做到和實踐的有機結合。②團隊合作項目：項目實施的組織方式一般以2～3名學生為一個小組，項目在課堂內外執行，以小組為單位進行活動；項目在組內活動方式有：座談交流研討，專題講解介紹，邊做邊探討式互動，系統性總結等，開展團隊合作管理評價內容；組間活動主要采用總結介紹、組間比較等方式促進交流學習。③工程創新性實驗項目：面向優秀學生，在校內創新實踐基地完成。讓這些優秀學生參加實際項目訓練與研發，重點培養學生技術開發能力。讓他們能超越課堂的空間和時間的限制，進行相關知識的學習、應用程序設計、硬件設計和理論算法的實踐[2]。

2 項目化探究型實驗實施方案舉例

2.1電機產品設計探究性實驗

項目基本要求：設計一臺三相電機，額定參數為：380 V/50 Hz，輸出功率：250 W，極數：4極，額定電流：0.8 A，額定轉速：1360轉/分，Y連接；

性能指標要求：效率68%，功率因數0.75。

拓展提高：變極繞組的設計與制作。

實驗的具體思路與步驟：

(1)圍繞著“指標要求—主要尺寸—磁路計算—參數計算—損耗計算—機械、結構設計—性能計算”這一主線，完成一臺電機的設計，從而加深對所學知識的理解；

(2)查閱常用交流三相電機繞組分布，根據現有定轉子沖片，確定繞組分布方案；

(3)通過設計確定電機繞組線徑、線圈匝數；

(4)繞制定子線圈、嵌線、接線、整機裝配等過程；

(5)進行電機性能測試和絕緣性能的測試，結果是否符合設計要求。觀察結果，分析系統故障、檢查系統、尋找解決問題的切入點及具體解決問題的辦法；

(6)進行項目總結，主要是整理設計資料、性能分析及工作總結；

(7)學生可以結合自已興趣進入提高階段，進行變極繞組的設計與制作，如24槽4/2極、24槽6/4極、24槽8/4極雙層變極繞組的設計與制作(如圖4)，使學生對電機繞組理論和電機設計有了更深層次的認識。

通過這一電機產品設計探究型實驗使每個學生能在規定時間內充分發揮自己的主觀能動性，才能夠激發學生的學習興趣，突出學生個性，發揮不同層次學生的優勢特長，促進各層次學生的發展和成才。在教學過程中，教師要進行分類指導、收集反饋信息并通過階段性考核來對學生進行分析評價，督促他們完成各自不同的學習目標和任務，達到因材施教的目的。

圖4 學生變極電機作品

2.2永磁同步電機矢量控制調速探究型實驗

項目基本要求：利用電機智能控制實踐創新平臺，采用id=0控制方法實現三相交流同步電動機磁場定向控制(FOC)及三相交流同步電動機電流環和速度環PID參數的閉環調節。

頻率范圍：10 Hz～100 Hz。

拓展提高：最大轉矩/電流控制、cosφ=1即單位功率因數控制、弱磁控制、恒磁鏈控制及最大輸出功率控制等實現。

實驗步驟為

(1)查閱相關文獻，構思系統方案，本實驗三相永磁同步電機額定功率200 W，額定轉速3000 rpm，參考三相交流同步電動機磁場定向控制(FOC)實驗例程，包含實驗主程序和算法所需的各種模塊，如PARK變換、PID程序、QEP測速模塊等。而各個模塊是以函數的形式出現在主程序中，其具體的程序編寫在各自的子程序中，因此三相永磁同步電機實驗程序是一個具有極強系統性和綜合性的程序；

(2)設計算法子模塊，架構軟件系統及調試步驟，先調試軟件各子模塊的功能，再進行模塊聯調。首先完成DSP生成PWM波形，對永磁同步電機實現開環控制。然后進行電流環采集電流和電流環閉環控制。最后加入速度環，進行速度環轉速采集和閉環控制實驗。從內環開始調試，培養學生把握重點，逐步解決問題的能力。id=0的永磁同步電機矢量控制系統基本軟件框圖如圖5所示；

圖5 id=0永磁同步電機矢量控制框圖

(3)DSP的QEP電路與光電編碼盤輸出信號相連，經計算獲得電機轉子位置的電角度θe、轉向以及轉速ωr。電機相電流ias和ibs經電流霍爾傳感器及處理電路送入ADC模塊，依次通過Clarke變換、Park變換得到轉子旋轉坐標系中的d、q軸電流信號id和iq，分別對應勵磁電流和轉矩電流。給定轉速ωr*和反饋轉速ωr的偏差經速度PI調節計算得到轉矩電流的給定iq*，而勵磁電流的給定id*=0。轉矩電流、磁鏈電流的誤差分別經PI控制器得到d、q軸的電壓給定Vd和Vq，通過Park逆變換，經過空間電壓脈寬調制模塊產生6路PWM信號控制逆變器，改變電機三相電壓，控制電機的轉速和轉矩，構成了一個完整的雙閉環矢量控制[9]；

(4)通過綜合調試，最終實現實驗結果波形如圖6所示[3]。

有興趣的學生可進行拓展提高的訓練。學生對DSP電機運動控制調速得到綜合的算法創新訓練，使學生養成模塊化、結構化、系統化的思考方式，培養學生系統考慮問題和解決問題的能力。

(a)電機轉速ωr、電角度θe、A相調制比TA

(b)定子A相電流Ia、勵磁電流id、轉矩電流iq

2.3工程創新探究性實驗

項目名稱：吸油煙機的變頻技術研究與煙灶聯動控制器的研究。

項目要求：采用無刷直流電機正弦波矢量控制變頻調速，變頻控制器與無線收發模塊進行電聯接，自動啟動吸油煙機工作。根據灶具火力的大小來實現無級調速，通過頻率的變化來改變電機的轉速，使得電機效率最大化。

指標要求：吸油煙機電機實現無極調速，比普通油煙機節能40%以上，電機噪音低，體積小。

1)查閱文獻

根據項目要求查閱文獻，借助與TI公司共建的聯合實驗室教學平臺資源，考慮項目的需求、功能、結構、制造工藝及成本等要素，最終確定項目總體方案如圖 7所示。由燃氣灶DSP1控制系統、油煙機DSP2控制系統、無線通信模塊、MSP430觸摸按鍵、顯示電路及被控對象等組成。燃氣灶具火力的大小由兩臺步進電機控制燃氣閥門大小來實現，步進電機采用兩相永磁減速步進電機。

2)系統設計

利用高效的直流無刷電機設計吸油煙機電機，包括定子沖片、轉子磁鋼及繞組設計；硬件設計參考模塊化控制實踐平臺，或部分套用現有實驗模塊的電路結構，具備單面板制作的條件，進行個性化設計，包括線路圖及PCB板及硬件調試。

圖7 工程創新總體框圖

3)系統制作與模塊調試

利用電機產品設計平臺制作電機，用直流電機測功機來測試電機的反電勢、用電渦流測功機測試電機的性能參數是否符合設計要求。利用電機智能控制實踐創新平臺，進行軟件算法的創新實踐，經各種算法的比較，軟件控制最終采用正弦波控制、SVPWM驅動控制完成設計。

吸油煙機直流無刷電機控制策略如圖8所示。利用霍爾傳感器的信號計算電機的轉速，給定轉速nref與轉速反饋量n的偏差經過速度PI調節器，其輸出作為電壓向量的長度u(k)，每隔60°通過讀取3路霍爾的當前值，進行一次轉子定位糾正并加入換相超前角得到電角度θe，電角度θe用于參與IPARK變換的計算，轉速n作為速度環的負反饋量。當定子相電壓矢量的分量Vsα、Vsβ和其所在的扇區數已知時，可以利用電壓空間矢量SVPWM技術，產生SPWM控制信號來控制逆變器。

圖8 吸油煙機直流無刷電機控制策略

4)系統調試

最終學生將設計的電機、硬件驅動控制器及調試的軟件在風機/恒轉矩負載創新實踐平臺進行工程模擬調試，包括模擬負載、起動過程、PI調節及閉環控制的實現。在此過程中會碰到工程中一系列問題，通過這些問題查閱有關文獻及資料，提出一些新的理念并付諸實施，最終解決問題。

研制的吸油煙機燃氣灶高效智能聯動控制裝置實物如圖9所示,由吸油煙機控制器及燃氣灶控制器組成。

圖9 吸油煙機燃氣灶高效智能聯動控制裝置

圖10給出了在電壓為220 VAC，50 Hz時，電機轉速為850 r/min條件下實際測得的三相電流波形，實驗結果反映了設計方案的正確性的。由圖可見電流的正弦性很好，消除諧波明顯，所以電機噪音低。

圖10 三相電流波形測試

由圖11中可見，三相線電壓波形的正弦性很好。實驗結果證明了SVPWM算法的正確性[4]。表1為高效智能油煙機與普通油煙機在調速范圍內的整機對比測試。通過對比數據可以得出項目已達到預期要求的結論。通過工程創新項目的訓練，將三大實踐平臺得到系統綜合的運用，學生的工程實踐能力得到大幅提高。

(盧慧芬等文)

圖11 三相線電壓波形測試

3.4實驗項目與課程的關聯

為了有利于創新實驗項目的開設，專門單獨開設了“電機工程實踐”、“電機系統及其控制綜合創新實踐”課程，一方面避免了原來相互獨立開設的課程中出現重復的內容，另一方面也避免了知識點脫離應用背景的弊端，可以有效地充分利用原有的教學研究及其實踐成果，對項目進行支撐，以實踐項目為載體,將課程理論知識體系按照工程實踐所需要的知識進行教學內容的重組,保證理論知識涵蓋每個實踐項目。以具體復雜應用對象進行綜合理論知識的學習和實踐，以實踐需求帶動理論學習，對于寬口徑人才培養是一種值得考慮的方式[5]。

3 結語

面對電氣領域新技術的層出不窮和迅速發展，建設電氣類項目探究型實驗教學平臺和實驗教學體系是十分必要的。實驗平臺實行團隊項目負責制，以企業和社會的項目為主要載體，利用學?，F有學習資源豐富的條件，結合專業核心課程的教學。項目的實施能使學生更多地獨立思考和進行自主創新實踐，師生共同管理，時間開放。學生通過實驗平臺項目的訓練，鍛煉了工程創新能力，符合社會發展對工程實踐創新人才的內在需求。同時指導學生參與實驗平臺的開發，為培養學生成為卓越工程師創造良好的條件。項目的實施對構建卓越工程師的培養具有從下而上的支撐作用，適用于電氣類專業的實踐教學環節的建設[5]。

[1] 胡志剛,任勝兵,陳志剛,費洪曉.工程型本科人才培養方案及其優化-基于CDIO-CMM的理念[J]. 武漢：高等工程教育研究,2010,06:20-28.

[2] 元澤懷，陳曉明．任務驅動型實驗教學模式的實踐與探索[J]．北京：實驗技術與管理, 2014,31(1):169-171.

[3] 盧慧芬,林斌,孫丹,潘再平. DSP電機控制綜合實驗平臺研制[J]. 北京：實驗技術與管理,2014,10:97-102.

[4] 孫圣,盧慧芬,王群. 吸油煙機燃氣灶高效智能聯動控制裝置的設計[J]. 上海：電氣自動化,2013,06:71-73+76.

[5] 陸國棟. 實驗教學改革的思考與實驗分類研究[J]. 北京：中國大學教學，2010年第9期.

ExplorationofProject-basedtheInnovativeExperimentalTeachingforElectricalCourses

LUHui-fen,WUMin,ZHAOJian-yong,LUQin-fen

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027，China)

This paper introduces the design implementation scheme of the expenimental teaching platform for innovative engineering practice. From the aspects of teaching content, organization form, teaching time and teaching evaluation, we carry our project teaching model of expeniment course. The implementation of the proposed project will contribute to the construction and innovation of the engineering practice course of our university, improve the ability of the engineering practice and innovation for students, also provide a reference to fellow universities while addressing the common problems in practical experimental teaching reform and construction.

platform for innovative engineering practice; teaching mode;innovative ability

2016-09-19;

2017-02- 08

國家級機電類專業實驗示范中心建設；國家自然科學基金項目(51377141)；卓越工程師教育培養計劃項目

盧慧芬(1965-)， 女，工學碩士，研究員；主要從事電機及控制教學和實驗技術與管理等，E-mail:lhfen@zju.edu.cn

TM30/TP29

A

1008-0686(2017)05-0103-06