电气类项目化探究型实验教学的探索

卢慧芬， 吴 敏， 赵建勇， 卢琴芬

(浙江大学 电气工程学院， 浙江 杭州 310027)

电气类项目化探究型实验教学的探索

卢慧芬， 吴 敏， 赵建勇， 卢琴芬

(浙江大学 电气工程学院， 浙江 杭州 310027)

本文介绍电气类项目化探究型实验平台的设计及实施方案，从教学内容、教学组织方式、教学时间以及教学评价等方面实行多元化的新型实验课程项目化教学模式。将研究能力培养贯穿于实验教学中，提升学生工程实践创新能力。同时为电气类探究性实验教学改革和实验室建设解决共性问题提供一定的参考。

探究型实验平台；教学模式；创新能力

0 引言

本文从我校电类专业实践教学现状和问题出发，根据人才培养的目标，建立起以学生为主体，以学生的专业性质、兴趣爱好和发展目标为需求导向的开放式、多元化的实验教学新体系，通过创建探究型实体产品为载体，实施项目化实验教学新模式，引导学生遵循自我设计、循序渐进不断提高的大跨度实践模式。将研究能力培养贯穿于实验教学中，提升学生工程实践创新能力。本文重点放在探讨和交流探究型实施平台构建和项目化教学模式改革的实施过程[1]。

1 探究型实践平台的设计

1.1构建三大探究型实践平台

结合学科科研特色和优势，我校构建了与课程关联并能培养学生工程实践创新能力的三个探究型实验平台：①基于“大工程思想”的电机产品设计及模块化控制实践平台；②“以创新为核心”的电机智能控制实践创新平台；③ 以“工程化为核心”的电机系统及其控制工程创新实践平台。

这三个探索型实践平台为专业实验课程提供一种崭新的开放工程实践创新教学与实践教学平台。

1)电机产品设计及模块化控制实践平台

为本科生提供的基于“大工程思想”的电机产品设计及模块化控制实践的平台，如图1所示。平台以浙江省电机制造业典型电机产品为对象，学生通过分析电机的用户需要、功能、性能、结构、制造工艺及成本等要素，开展典型产品的用户调研、电机设计，并利用平台完成电机产品的制作及测试，获得电机设计的训练。该实践平台能满足专业课程“电机学”、“现代电机CAD技术”、“电机工程实践”等的教学实践要求。

图1 电机产品设计及模块化实践平台

研制的模块化实验开发板涵盖课程群“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“FPGA应用”、“电机控制”、“微机原理及应用”、“电力电子技术”、“DSP在运动控制中的应用”。这些模块可以随着学习的深入逐步添加，根据需要取舍，使学生掌握不同工程应用之间的联系与区别，从而形成一个完整的体系。

2)电机智能控制实践创新平台

通过本平台，紧密结合浙江省制造业，对学生开展以“创新为核心”的全过程训练。平台采用模块化组合结构，实现DSP核心板及其功率控制电路模块分别控制直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、感应异步电机。满足专业课程：“微机原理及应用”、“DSP原理及应用”、“DSP在运动控制中的应用”、 “电机控制”等的教学要求，采用递进式实验教学，有效地提高实验教学质量水平，如图2所示。

图2 电机智能控制实践创新平台

该平台提供的实践训练综合运用基础及专业知识，结合最新科研成果，充分考虑电机控制程序的核心算法的开放和与提供的系统程序无缝连接，为学生实现不同的控制算法提供可能。学生在对电机智能控制系统的认知、功能再设计的基础上，以不同控制对象为主要实践产品类型，在教师指导下，开展功能和算法的创新。

3)电机系统及其控制工程创新实践平台

通过该平台，紧密结合浙江省电气装备制造业对学生开展以“工程化为核心”的产品CDIO全过程训练。平台上提供若干不同负载类型，学生在对电气装备的系统认知、功能分析、性能试验的基础上，通过企业调研，提出电气装备的设计项目，完成电气产品的构思、设计、制造和运行等全过程, 研制空调/冰箱负载创新实践训练和风机/恒转矩负载创新实践训练，如图3所示。

该平台的建立，完全打破了传统的教学模式，促使学生主动学习知识和主动获取知识，为教师从灌输式教学向任务驱动教学和工程实践创新教学转变提供有效的硬件平台。学生在最短时间里便可获取尽可能多的资源，迅速提升其实践和创新能力。

图3 电机系统及其控制工程创新实践平台

1.2构建新型的探究型实验教学体系

我校在构建三大探究型实践平台的同时，还构建了探究型实验教学体系，分层次设立实验项目：①基础实验项目：让学生掌握理论并做到和实践的有机结合。②团队合作项目：项目实施的组织方式一般以2～3名学生为一个小组，项目在课堂内外执行，以小组为单位进行活动；项目在组内活动方式有：座谈交流研讨，专题讲解介绍，边做边探讨式互动，系统性总结等，开展团队合作管理评价内容；组间活动主要采用总结介绍、组间比较等方式促进交流学习。③工程创新性实验项目：面向优秀学生，在校内创新实践基地完成。让这些优秀学生参加实际项目训练与研发，重点培养学生技术开发能力。让他们能超越课堂的空间和时间的限制，进行相关知识的学习、应用程序设计、硬件设计和理论算法的实践[2]。

2 项目化探究型实验实施方案举例

2.1电机产品设计探究性实验

项目基本要求：设计一台三相电机，额定参数为：380 V/50 Hz，输出功率：250 W，极数：4极，额定电流：0.8 A，额定转速：1360转/分，Y连接；

性能指标要求：效率68%，功率因数0.75。

拓展提高：变极绕组的设计与制作。

实验的具体思路与步骤：

(1)围绕着“指标要求—主要尺寸—磁路计算—参数计算—损耗计算—机械、结构设计—性能计算”这一主线，完成一台电机的设计，从而加深对所学知识的理解；

(2)查阅常用交流三相电机绕组分布，根据现有定转子冲片，确定绕组分布方案；

(3)通过设计确定电机绕组线径、线圈匝数；

(4)绕制定子线圈、嵌线、接线、整机装配等过程；

(5)进行电机性能测试和绝缘性能的测试，结果是否符合设计要求。观察结果，分析系统故障、检查系统、寻找解决问题的切入点及具体解决问题的办法；

(6)进行项目总结，主要是整理设计资料、性能分析及工作总结；

(7)学生可以结合自已兴趣进入提高阶段，进行变极绕组的设计与制作，如24槽4/2极、24槽6/4极、24槽8/4极双层变极绕组的设计与制作(如图4)，使学生对电机绕组理论和电机设计有了更深层次的认识。

通过这一电机产品设计探究型实验使每个学生能在规定时间内充分发挥自己的主观能动性，才能够激发学生的学习兴趣，突出学生个性，发挥不同层次学生的优势特长，促进各层次学生的发展和成才。在教学过程中，教师要进行分类指导、收集反馈信息并通过阶段性考核来对学生进行分析评价，督促他们完成各自不同的学习目标和任务，达到因材施教的目的。

图4 学生变极电机作品

2.2永磁同步电机矢量控制调速探究型实验

项目基本要求：利用电机智能控制实践创新平台，采用id=0控制方法实现三相交流同步电动机磁场定向控制(FOC)及三相交流同步电动机电流环和速度环PID参数的闭环调节。

频率范围：10 Hz～100 Hz。

拓展提高：最大转矩/电流控制、cosφ=1即单位功率因数控制、弱磁控制、恒磁链控制及最大输出功率控制等实现。

实验步骤为

(1)查阅相关文献，构思系统方案，本实验三相永磁同步电机额定功率200 W，额定转速3000 rpm，参考三相交流同步电动机磁场定向控制(FOC)实验例程，包含实验主程序和算法所需的各种模块，如PARK变换、PID程序、QEP测速模块等。而各个模块是以函数的形式出现在主程序中，其具体的程序编写在各自的子程序中，因此三相永磁同步电机实验程序是一个具有极强系统性和综合性的程序；

(2)设计算法子模块，架构软件系统及调试步骤，先调试软件各子模块的功能，再进行模块联调。首先完成DSP生成PWM波形，对永磁同步电机实现开环控制。然后进行电流环采集电流和电流环闭环控制。最后加入速度环，进行速度环转速采集和闭环控制实验。从内环开始调试，培养学生把握重点，逐步解决问题的能力。id=0的永磁同步电机矢量控制系统基本软件框图如图5所示；

图5 id=0永磁同步电机矢量控制框图

(3)DSP的QEP电路与光电编码盘输出信号相连，经计算获得电机转子位置的电角度θe、转向以及转速ωr。电机相电流ias和ibs经电流霍尔传感器及处理电路送入ADC模块，依次通过Clarke变换、Park变换得到转子旋转坐标系中的d、q轴电流信号id和iq，分别对应励磁电流和转矩电流。给定转速ωr*和反馈转速ωr的偏差经速度PI调节计算得到转矩电流的给定iq*，而励磁电流的给定id*=0。转矩电流、磁链电流的误差分别经PI控制器得到d、q轴的电压给定Vd和Vq，通过Park逆变换，经过空间电压脉宽调制模块产生6路PWM信号控制逆变器，改变电机三相电压，控制电机的转速和转矩，构成了一个完整的双闭环矢量控制[9]；

(4)通过综合调试，最终实现实验结果波形如图6所示[3]。

有兴趣的学生可进行拓展提高的训练。学生对DSP电机运动控制调速得到综合的算法创新训练，使学生养成模块化、结构化、系统化的思考方式，培养学生系统考虑问题和解决问题的能力。

(a)电机转速ωr、电角度θe、A相调制比TA

(b)定子A相电流Ia、励磁电流id、转矩电流iq

2.3工程创新探究性实验

项目名称：吸油烟机的变频技术研究与烟灶联动控制器的研究。

项目要求：采用无刷直流电机正弦波矢量控制变频调速，变频控制器与无线收发模块进行电联接，自动启动吸油烟机工作。根据灶具火力的大小来实现无级调速，通过频率的变化来改变电机的转速，使得电机效率最大化。

指标要求：吸油烟机电机实现无极调速，比普通油烟机节能40%以上，电机噪音低，体积小。

1)查阅文献

根据项目要求查阅文献，借助与TI公司共建的联合实验室教学平台资源，考虑项目的需求、功能、结构、制造工艺及成本等要素，最终确定项目总体方案如图 7所示。由燃气灶DSP1控制系统、油烟机DSP2控制系统、无线通信模块、MSP430触摸按键、显示电路及被控对象等组成。燃气灶具火力的大小由两台步进电机控制燃气阀门大小来实现，步进电机采用两相永磁减速步进电机。

2)系统设计

利用高效的直流无刷电机设计吸油烟机电机，包括定子冲片、转子磁钢及绕组设计；硬件设计参考模块化控制实践平台，或部分套用现有实验模块的电路结构，具备单面板制作的条件，进行个性化设计，包括线路图及PCB板及硬件调试。

图7 工程创新总体框图

3)系统制作与模块调试

利用电机产品设计平台制作电机，用直流电机测功机来测试电机的反电势、用电涡流测功机测试电机的性能参数是否符合设计要求。利用电机智能控制实践创新平台，进行软件算法的创新实践，经各种算法的比较，软件控制最终采用正弦波控制、SVPWM驱动控制完成设计。

吸油烟机直流无刷电机控制策略如图8所示。利用霍尔传感器的信号计算电机的转速，给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为电压向量的长度u(k)，每隔60°通过读取3路霍尔的当前值，进行一次转子定位纠正并加入换相超前角得到电角度θe，电角度θe用于参与IPARK变换的计算，转速n作为速度环的负反馈量。当定子相电压矢量的分量Vsα、Vsβ和其所在的扇区数已知时，可以利用电压空间矢量SVPWM技术，产生SPWM控制信号来控制逆变器。

图8 吸油烟机直流无刷电机控制策略

4)系统调试

最终学生将设计的电机、硬件驱动控制器及调试的软件在风机/恒转矩负载创新实践平台进行工程模拟调试，包括模拟负载、起动过程、PI调节及闭环控制的实现。在此过程中会碰到工程中一系列问题，通过这些问题查阅有关文献及资料，提出一些新的理念并付诸实施，最终解决问题。

研制的吸油烟机燃气灶高效智能联动控制装置实物如图9所示,由吸油烟机控制器及燃气灶控制器组成。

图9 吸油烟机燃气灶高效智能联动控制装置

图10给出了在电压为220 VAC，50 Hz时，电机转速为850 r/min条件下实际测得的三相电流波形，实验结果反映了设计方案的正确性的。由图可见电流的正弦性很好，消除谐波明显，所以电机噪音低。

图10 三相电流波形测试

由图11中可见，三相线电压波形的正弦性很好。实验结果证明了SVPWM算法的正确性[4]。表1为高效智能油烟机与普通油烟机在调速范围内的整机对比测试。通过对比数据可以得出项目已达到预期要求的结论。通过工程创新项目的训练，将三大实践平台得到系统综合的运用，学生的工程实践能力得到大幅提高。

(卢慧芬等文)

图11 三相线电压波形测试

3.4实验项目与课程的关联

为了有利于创新实验项目的开设，专门单独开设了“电机工程实践”、“电机系统及其控制综合创新实践”课程，一方面避免了原来相互独立开设的课程中出现重复的内容，另一方面也避免了知识点脱离应用背景的弊端，可以有效地充分利用原有的教学研究及其实践成果，对项目进行支撑，以实践项目为载体,将课程理论知识体系按照工程实践所需要的知识进行教学内容的重组,保证理论知识涵盖每个实践项目。以具体复杂应用对象进行综合理论知识的学习和实践，以实践需求带动理论学习，对于宽口径人才培养是一种值得考虑的方式[5]。

3 结语

面对电气领域新技术的层出不穷和迅速发展，建设电气类项目探究型实验教学平台和实验教学体系是十分必要的。实验平台实行团队项目负责制，以企业和社会的项目为主要载体，利用学校现有学习资源丰富的条件，结合专业核心课程的教学。项目的实施能使学生更多地独立思考和进行自主创新实践，师生共同管理，时间开放。学生通过实验平台项目的训练，锻炼了工程创新能力，符合社会发展对工程实践创新人才的内在需求。同时指导学生参与实验平台的开发，为培养学生成为卓越工程师创造良好的条件。项目的实施对构建卓越工程师的培养具有从下而上的支撑作用，适用于电气类专业的实践教学环节的建设[5]。

[1] 胡志刚,任胜兵,陈志刚,费洪晓.工程型本科人才培养方案及其优化-基于CDIO-CMM的理念[J]. 武汉：高等工程教育研究,2010,06:20-28.

[2] 元泽怀，陈晓明．任务驱动型实验教学模式的实践与探索[J]．北京：实验技术与管理, 2014,31(1):169-171.

[3] 卢慧芬,林斌,孙丹,潘再平. DSP电机控制综合实验平台研制[J]. 北京：实验技术与管理,2014,10:97-102.

[4] 孙圣,卢慧芬,王群. 吸油烟机燃气灶高效智能联动控制装置的设计[J]. 上海：电气自动化,2013,06:71-73+76.

[5] 陆国栋. 实验教学改革的思考与实验分类研究[J]. 北京：中国大学教学，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

国家级机电类专业实验示范中心建设；国家自然科学基金项目(51377141)；卓越工程师教育培养计划项目

卢慧芬(1965-)， 女，工学硕士，研究员；主要从事电机及控制教学和实验技术与管理等，E-mail:lhfen@zju.edu.cn

TM30/TP29

A

1008-0686(2017)05-0103-06