面向工程实践的运动控制系统综合训练改革

包广清，吴延明，杨新华

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

“运动控制课程群”是本科电气自动化专业人才培养的课程体系中内容相互关联且独立完成电力传动功能的课程集群，由“电机与拖动”、“电力电子技术”、“电气控制”以及“交直流调速系统”等核心课程组成。运动控制综合训练是培养学生综合应用运动控制课程群各专业基础理论、解决运动控制系统实际工程问题的重要环节，然而传统的理论授课和实践模式不能较好地解决因课程概念公式繁多、理论抽象、信息量大以及综合性强等因素带来的学习困难，尤其是造成了综合训练教学理论化甚至形式化的尴尬局面。

近年来，针对运动控制综合训练教学改革问题，国内外大专院校进行了广泛探讨，提出了特色鲜明且卓有成效的改革方案［1－3］，并充分利用仿真软件，在理论分析之后对运动控制系统进行仿真分析，使学生直观地看到系统运行结果，增强学生对教材内容的理解度和认知度［4－6］，另外，以学生为主体、以教师为主导的项目教学法也引起广泛关注［7］，通过任务驱动，激发学生进行自主探索和互动协作的学习状态。本文提出面向工程实践的运动控制综合训练方法，并以学院教师所承担科研项目相关的风电动模（风力发电动态模拟）平台建设为典型案例，对项目各环节设计、教学组织实施以及学生学习评估等内容进行全面介绍。

1 训练内容规划

运动控制系统综合训练的目的是使艰涩难懂的理论知识直观化并具可操作性，需要围绕知行合一的理念来重构训练的各个环节。首先，在时间安排上，可以采取集中或分散2种方式进行，即直接在本科三年级第2学期运动控制系统课程结束之后的2～3周时间内集中完成，或者在不影响常规课堂教学的前提下，在本科四年级第1学期的10周时间内，主要利用开放实验室在课余时间分散进行，目前国外大学多采用此方式。其次，在科研项目的基础上凝练综合训练内容。

近年来，可再生能源发电技术研究引起了广泛关注，根据承担国家自然科学基金项目、甘肃省科技支撑计划项目以及甘肃省电力科学研究院等项目的相关科研工作积累，并结合电气自动化专业本科生培养目标，设计了风力发电动模系统综合训练任务，如表1所示。该系统能够进行风力机模拟并实现同步发电机并网运行，主要由监控系统、控制系统、隔离变压器、拖动变频器、直驱变流器、永磁同步发电机、三相异步电动机以及相关电气开关等组成。训练主要包括理论分析、设计调试和运行测试3部分内容。系统设计任务包括控制系统、功率驱动系统和电动机以及负载机械等环节的设计与搭建，具体包括功率单元的拓扑结构与模块选择，电流、电压与速度等信号检测，触发电路和辅助工作电源设计，电机专用微控制器、嵌入式开发系统以及相关软件编程学习等，几乎涵盖了运动控制系统课程群的所有教学内容，表1给出了具体的任务分配表。整个风电机组模拟系统包括4个子系统，即发电机变流器系统、风力机模拟系统、控制系统以及监控系统。考虑到综合训练课程的时间和班级人数限制，将监控系统设计作为备选内容，表1没有明确说明其功能要求，由学有余力的学生自主设定并完成。另外在分配过程中，突出个性化整合模式［8］，即学生可根据自身的兴趣、特长和未来发展方向选择相关子系统，这样更能调动学生学习的积极性，提高学生的创新意识和创新能力。

表1 综合训练任务分配

2 系统原理与设计

由图1所示系统结构框图可知，该综合训练系统主要体现电气自动化专业知识的“四结合”，即电力与电子线路结合、模拟与数字控制结合、软件与硬件结合、元件与系统结合，从而实现了运动控制课程群核心内容的衔接与整合。

图1 直驱式风电动模系统结构框图

2.1 拓扑结构

图2是直驱式风电动模系统电气原理图，通过主控系统给定变频器转速，变频器控制拖动电机旋转来模拟风力机。直驱机组变流器由机侧变流器和网侧变流器2部分构成，机侧变流器连接发电机定子，网侧变流器连接电网，通过全功率逆变器向电网送电。发电机产生幅值、频率均不恒定的交流电，通过机侧变流器整流为直流电，经直流支撑电容稳压后输送至网侧变流器，控制系统通过PWM控制技术将直流电转换为频率和幅值稳定的交流电馈入电网［9－10］。主控系统控制系统的启动、停机以及按照给定的风速曲线控制系统运行，通过监控软件实现友好的人机交互。系统控制的运行模式分为自动控制和手动控制2种模式，PLC模块通过RS485与拖动变频器通信，并通过RS232与变流器和装有监控软件的PC机通信，实现系统监控。

图2 直驱式风电动模系统电气原理图

2.2 技术参数

系统额定容量10kVA，电网频率允许变化范围47.5～51.5Hz，电网电压允许变化范围380±5%V，电网电压允许谐波畸变率＜2%，电网电压允许不对称度≤2%（负序分量对正序分量的百分比），变流器额定电流15A，最大连续操作直流电压750V，额定连续直流电压700V，功率模块电压等级1 200V，开关频率5 kHz，采用强制风冷的冷却方式。发电机测速采用线数为1024的增量型脉冲编码器，双绞屏蔽线，通过推挽式差分信号实现码盘信号传输。电机部分技术参数为：拖动电机22kW，额定电压380V，2对极；永磁发电机12kW，转速范围：0～200r／min，环境空气温度－5～＋40℃，绝缘等级F级，强制风冷，连续工作制；齿轮箱变比为8.39∶1。

图3是样机实验系统实物图，监控系统基于Windows平台开发，能够实现拖动电机转速、发电机转矩、有功功率、无功功率、电网电压、电网电流以及发电机定子的电流、电压和功率等数据显示与监控。

3 运行与测试

图3 样机系统实物图

在完成系统设计与搭建的基础上进行系统实验，主要测试系统在启动、停机、加载、减载及额定运行条件下的关键参数波形及系统运行性能，测试仪器主要有：泰克DPO3014示波器、FLUKE i200s电流钳、泰克P5200差分探头、FLUKE218c万用表、CA8335电能质量分析仪等。图4是启动过程中网侧电压、电流波形、发电机定子电流波形。直流母线电压波形采用预充电控制，避免了因电压变化造成的功率元件损坏。图5是系统额定运行时的网侧电压、电流和定子电流，具有较好的正弦度，与仿真结果吻合。在图5的基础上图6中给出定子电压波形，能够看出功率元件的调制作用，同时定子电压与电流相位一致。通过电能质量分析仪对系统馈入电网的能量进行测试，结果显示变流器网侧电流THD＝2.8%＜5%，功率因数0.98，完全符合风电入网要求，说明该模拟系统可以较好地实现电能转换功能。

图4 系统启动实验波形

图5 电网侧额定运行波形

图6 发电机侧额定运行波形

由于传统教学的课程实验内容相对独立，且以验证性实验为主，学生通常很少有机会能够系统、完整地参与综合性工程项目的设计与测试［11］，因此，本系统实验环节在提高学生动手能力的同时，可以实现与有关职业资格考试或未来职业岗位的有机衔接。

4 学习评估

运动控制系统综合训练是电气自动化专业的核心课程之一，主要涵盖了电力电子技术、自动控制原理、电机学、计算机控制技术和软件工程等学科知识，是一门将基础理论与专业软件应用于工程实践的典型课程，既有完整的理论体系，又有很强的实践性［12－13］。

通过对我校2010级电气专业三年级本科生采取分散式教学实践，在学期末进行综合训练教学评估。主要从知识衔接、综合创新、团队协作以及职业技能提升等几方面，对一个自然班共计30位学生展开问卷调查。在表2评估结果中，评估等级采用五级分制，5分表示完全赞同，0分表示坚决反对。从表2看出，以工程项目为导向，从系统设计与搭建、综合创新、仿真分析、运行与测试、成果总结与提升等几方面，能够较好激发学生的学习热情。同时，对低年级学生也提出了更高要求，只有在前期课程学习中打下坚实基础，才能在综合训练中取得预期效果。

表2 学生对综合训练学习评价调查

在风电机组动模系统中，风力机模拟与发电机并网控制是整个系统的核心，其所依托的理论和技术基础并不限于运动控制系统，而是形成了机械、电子、材料等多学科渗透、交叉甚至融合的现象，通过本系统综合训练，在拓宽专业知识面的同时，有助于提高学生的专业素质和就业适应能力。同时，把科研成果融入训练过程，推动实践教学向高、深层次发展也是大学本科教学发展的必由之路。

5 结束语

近年来，国际风电技术已经取得了突飞猛进的发展，我国甘肃酒泉风电基地正在向千万千瓦级迈进。通过基于风电动模系统的综合训练过程，有助于学生深入理解风电系统的机电能量转换过程，也为今后更好地利用地区风能资源、推进风电技术攻关以及风电机组运行维护人才培养等奠定基础。

现代运动控制系统已广泛应用于军事、航空航天、工农业生产、日常生活等多个领域，是现代社会发展的重要支柱之一。如何合理、有效、经济地利用电能，提高劳动生产率，将对运动控制系统相关理论的学习继承和创新设计提出更高要求。

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［1］Mohan N ，Schott O A.Teaching of first course on power electronics：A building block approach［C］／／IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.2001：854－855.

［2］Mohan N.Restructuring of first courses in power electronics and electric drives that integrates digital control［J］.IEEE Trans Power Electron，2003，18（1）：429－437.

［3］Keyhani A.An integrated virtual learning system for the development of motor drive systems［J］.IEEE Trans Power Syst，2002，17（1）：1－6.

［4］Ertugrul，Nesimi.LabVIEW for Electric Circuits，Machines，Drives and Laboratories［M］.Prentice Hall，2002.

［5］史成城，谢丽蓉，张丹.运动控制系统实验软件开发平台［J］.实验技术与管理，2013，30（1）：119－121.

［6］刘继光，张健.运动控制综合实验新模式仿真与传统实验有机结合［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）：283－386.

［7］Ravitz J，Mergendoller J.Online professional development for project based learning：Pathways to systematic improvement［C］／／Association for Educational Communications and Technology Annual Meeting.Chicago：2004.

［8］韩谷静，吴雨川，秦亮，等.“电力拖动与运动控制系统”课程的教学模式研究［J］.电气电子教学学报，2011，33（4）：125－127.

［9］包广清，王兴贵.电网短路状态下并网逆变器的谐振控制［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2013，40（1）：128－132.

［10］Carrasco J M，Franquelo L G，Bialasiewicz J T，et al.Power－electronic systems for the grid integration of renewable energy sources：a survey［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）：1002－1016.

［11］鲍建宇，刘毅华，崔家林.运动控制课程群的实践教学改革研究［J］.合肥工业大学学报：社会科学版，2010，24（1）：113－115.

［12］杨达亮，卢子广，杭乃善，等.电力电子技术实验改革与实践创新平台建设［J］.实验技术与管理，2013，30（8）：171－174.

［13］Guruswamy G，Putanna T.Praveen Vijayraghavan Ranganathan V T.DSP based motor controller trainer kit［J］.Proc Power Electronics Drive System Conf，2003（2）：1046－1049.