全国大学生电子设计竞赛电源类赛题培训体系建设

邹 甲，卢其威，赵 锋

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 海淀区 100083)

全国大学生电子设计竞赛历经20多年的发展和积淀，水平不断提高，影响力不断扩大，竞赛成绩已成为衡量学生创新能力和高校人才培养质量的重要指标之一。竞赛在引导高等学校加强培养大学生的创新能力、综合实践能力、协作精神等方面发挥着越来越重要的作用。大多数高校对竞赛的重视程度不断提高，参赛规模屡创新高。

实践证明，想在电子设计大赛中持续地取得较好成绩，并促进大学生实践创新能力的提升，必须构建完善科学的大学生电子设计竞赛组织实施体系。如南京大学结合自身的特点，针对学校、教师和学生3个层面存在的问题，采取有针对性的破解举措，逐步构建了完整的电子设计竞赛组织训练体系[1]。大理大学工程学院构建了一套适用于普通地方院校的“三级进阶、塔式选拔、优势主导、点促面型”的竞赛培训体系[2]。东华大学构建了“电子设计竞赛指导团队”“电子设计竞赛创新协会”“电子设计竞赛创新基地”和“电子设计竞赛阶梯培训”等四位一体的电子设计竞赛培训系统[3]。另外还有很多高校结合自身特点建设了相应的电子竞赛赛前培训和组织实施体系，并实现了电子设计竞赛与实验教学融合[4-6]。

由于竞赛题目类型范围很广，一般包括电源类、信号类、高频类、放大器类、仪器仪表类、数据采集处理类和控制类7大类，受师资力量、专业种类限制，大部分高校很难对所有类型题目都制定完善的培训内容和实施方案。一般需要结合学校专业特点、课程体系、培养目标、师资力量等多种因素，选择其中几个题目类型，开展有针对性地竞赛培训以达到较好的效果。

近几年，中国矿业大学(北京)结合自身特点，不断探索建设电源类题目的赛前培训和组织实施体系，在近三届的竞赛实践中取得了很好的效果。电源类题目需要学生具备较扎实的专业基础知识、较强的硬件设计和软件编程能力，涉及的专业课程包括电力电子技术、自动控制原理、模拟电路、数字电路、电路、微机原理(或单片机)、C语言、传感器等，电源类题目是电气工程专业非常优秀的综合实践教学案例，能极大促进学生综合能力的提高。本文对中国矿业大学(北京)的上述建设内容进行了分析和总结，希望能对相关同行起到一定的参考作用。

1 电源类赛题分析及培训知识要点

1.1 电源类赛题发展趋势

从2005年开始，每届竞赛至少会有一道电源类的题目，而且题目内容及背景紧跟当前电力电子技术的趋势热点[7]。近5届竞赛电源类题目如表1所示。2009年竞赛推出了两道电源类题目，分别为“光伏并网发电模拟装置”和“电能收集充电器”，涉及并网逆变器及最大功率跟踪等技术知识，当时的背景是我国光伏并网新能源技术刚刚开始大规模应用。而2015年电动汽车开始大规模推广，竞赛又适时设置一道“双向DC-DC变换器”的相关电源类题，它是电动汽车的电力电子技术部分的核心关键技术之一。2017年推出的竞赛电源类题——微电网模拟系统，与国家未来智能电网的大背景也紧密相关。通过这些电源类的题目，以小见大，成为学生了解目前电力电子技术应用发展的热点及其相应关键技术的有效途径之一。电子竞赛电源类题是优质的综合教学案例，具有实用性强、综合性强、发挥空间大等特点，也是本科生了解电力电子领域研究热点的窗口，非常适合培养锻炼高年级电气工程类专业学生。

表1 近年全国大学生电子设计竞赛电源类题

1.2 电源类题目培训内容设计

从竞赛要求以及电力电子技术的发展趋势看，电源类题目已不限于设计一个常规的直流或者交流电源，已经从集成芯片模拟控制的开关电源变成数字控制的可编程电源。基于数字控制的可编程电源的基本构成框图如图1所示，学生们要想较好实现当前电源类题目的要求，应具备C语言、自动控制原理、微机原理(或单片机、嵌入式系统)、计算机控制等相关课程核心知识，还应完成以下14项内容的培训以掌握电源类题目所要求的综合实践能力和专业技能。

1)搭建AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC等变换器主电路拓扑，并进行相关实验电路的测试分析及调试；

2)器件的选型包括功率器件、电压电流传感器、运放驱动芯片等；

3)典型变换器拓扑的驱动电路设计与制作，主要有Buck、Boost、半桥等；

4)直流电流电压、交流电流电压的检测电路及滤波器的设计与制作；

5)过流和过压保护电路设计与制作；

6)高频变压器、电感的计算、设计与制作；

7)单片机、DSP最小系统板设计与制作；

8)ADC采样和PWM输出；

9)频率跟踪锁相环实现输出信号频率对输入信号频率的闭环自动跟踪；

10)闭环控制器的数字PI技术的实现；

11)外围电路(显示键盘等)的设计与制作；

12)开关变换器的建模及闭环控制器的设计；

13)变换器的计算机仿真设计与研究；

14)电源主要技术指标测试规范。

图1 基于数字控制的电源构成框图

2 竞赛培训实施方案

确定了赛前培训内容后，需要就如何实施培训这些内容进行相应设计。考虑到参加全国大学生电子设计竞赛电源类题目的一般是电气专业三年级学生，日常课程非常紧张，而且学生都到了保研、考研、出国等升学或就业选择阶段，真正用于最后的竞赛集训有效时间很短。因此，结合中国矿业大学(北京)电气工程及其自动化专业教学培养方案及课程体系，将竞赛培训的具体实施方案安排为两个阶段。

2.1 实践教学环节培训

第一阶段将涉及的知识要点的培训穿插到实践教学环节中，主要涉及课程有：电子系统设计与实践、单片机课程设计、生产实习。

1)电子系统设计与实践。它是模拟电子技术及数字电子技术的综合课程设计，而模电及数电是电子竞赛的基础。此课程设计涉及电源类技术知识点有：直流电流电压、交流电流电压的检测、运放调理电路设计及滤波器的设计与制作等。

2)单片机课程设计。单片机课程设计教学内容主要是单片机最小系统的软硬件设计，并实现单片机对控制对象的状态检测及控制。此课程设计涉及电源类技术知识点有：直流交流信号采集、PWM/SPWM输出、PI的数字实现、键盘显示等。这些知识点都是数字开关电源的核心底层技术，为后续数字电源控制器奠定程序设计基础。

3)生产实习。生产实习作为实践教学的重要组成部分，发挥着引导学生理论联系实际、开拓学生视野、帮助学生建立工程意识、提高学生深入理解相关理论知识、提高综合实践能力等作用[8-9]。生产实习环节一般3周时间，在最后的两天中安排对DC-DC电源模块进行测试。让学生们了解电源的各项技术参数指标及对应的测试方案。通过测试电源模块，学生们掌握了DC-DC模块的主要性能指标的测试方法，掌握了电源测试所用到的各种测试仪器仪表，包括：示波器、功率分析仪、高频电流探头、差分电压探头、可编程电源及电子负载等，为后续开展电子竞赛电源类调试打下了坚实的基础。

2.2 竞赛集训阶段

学期结束已经是7月份了，距离竞赛日期只有最后一个多月，这个集训阶段主要开展工作有：

1)利用TI、固纬等校企联合实验室提供的优质的电力电子数字电源技术教学案例资源，让学生体验一套完整数字电源设计流程。包括方案设计—理论分析—仿真验证—电路搭建—软件调试—综合测试等内容。其中采用了TI的数字电源开发套件让学生体验buck/boost等DC-DC变换器案例。利用固纬的电力电子培训系统PTS1000及电力电子仿真PSIM软件实践并网逆变器的教学案例。通过这些成熟的优质数字电源教学案例，让学生们体验并掌握数字电源设计、仿真及调试全过程，提升了学生们的综合实践能力并加深了对数字电源的理解。

2)安排相关教师以电力电子开关变换器的建模及设计为教学案例，讲授建立电流连续模式下Buck电路的小信号数学模型(低频、小信号扰动)，并开展电压闭环控制补偿网络的设计，让学生们用计算机仿真软件MATLAB或PSIM建立仿真模型，观察输出波形。通过讲授这些知识，学生们掌握并理解了开关变换器的数学建模，为制作开关电源打下了坚实的理论基础。

3)以题代练开展实质性的动手设计。让学生们结合自己的实际情况选择一个以前的电源类竞赛真题进行实践，并撰写设计报告。教师严格按照竞赛评分标准测试，并指出存在的不足。通过这该环节的实践，学生们对DSP的ADC、PWM、数字PI、键盘、显示等功能的编程能力得到了进一步提升。

4)赛前总结及准备。专门留出几天时间，让学生们对一个多月的集训进行沉淀及思考。包括主电路、检测、驱动电路的各种设计方案的优缺点对比；软件DSP各个底层程序的优化。再有就是根据组委会提供的竞赛主要仪器及元器件采购清单提前购买电源类可能用到的器件耗材。

另外，专门建立了1个全天候开放实验室供学生们在竞赛集训阶段使用。该实验室仪器设备除了传统的示波器信号源等，还有电源类专业仪器，如：可编程直流电源、可编程交流电源、直流电子负载、交流负载、差分探头、电流探头等。除此之外，选拔多名参加过竞赛并取得较好成绩的研究生作为助教，全程参与竞赛集训阶段的指导工作，相当于构建了指导教师+研究生的电子设计竞赛指导团队，可大大减轻指导教师在集训阶段的工作量，形成了制度化、可持续、阶梯式的竞赛组织指导团队。

3 竞赛培训体系建设

除了上述实践教学环节以及竞赛集训阶段的针对性的培训，实际上，学生们要想在竞赛的电源类题中取得好成绩，扎实的专业理论基础是必不可少的。因此，如果将理论教学考虑进去，相当于形成了三位一体的电源类题目的竞赛培训体系，如图2所示。主要包括电力电子课程群、实践教学环节、创新教学环节等[10]。竞赛促进了电气工程专业课程群及实践教学环节的改革建设。比如，在专业综合设计课程里，以历年电子设计竞赛电源类题目为案例，引导大家对电力电子开关变换器的数学建模及控制器设计，融会贯通，提高了理论结合实践、课程交叉融合等效果。

图2 大学生电子设计竞赛培训体系

4 实践效果

2013年、2015年、2017年中国矿业大学(北京)共组织5组、6组、7组学生参加全国大学生电子设计竞赛(电源类)。2013年获北京市一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项；2015年获全国二等奖2项，北京市一等奖2项、北京市二等奖2项、三等奖2项；2017年获全国一等奖1项，北京市一等奖1项、二等奖5项。从整体效果来看，中国矿业大学(北京)学生参加电子设计竞赛电源类题获奖数量及质量稳步提升，电源类题参赛学生获奖比例100%。尽管获奖队伍数量并不算多，但是由于电气工程及其自动化专业每届只有3个班，约100人，获奖学生比例在同类高校处于较高水平。

中国矿业大学(北京)电气工程及其自动化专业本科毕业生每年有近20个学生保送到清华、北大、北航、中科院等名校攻读硕士研究生，这些学生大多经历了各种大学生电子设计竞赛活动的锻炼，许多保送学生因为参加电子设计竞赛而得到老师的认可，进而选择电力电子相关专业继续深造，就此踏上了从事电力电子技术应用的道路。

5 结束语

结合中国矿业大学(北京)电力电子与电力传动学科特色及电气工程及其自动化专业实际情况，经过5年多不断地摸索及调整，中国矿业大学(北京)以竞赛电源类题为抓手，逐步建立了一套比较完善的电子设计竞赛组织培训体系和实施管理机制，并在连续几届的电子设计竞赛实践中收到了良好的效果。竞赛成绩提高的背后是电气工程自动化类综合创新人才培养质量的提升，未来应该鼓励和吸引更多教师及学生参加竞赛活动，最终让更多的学生体会到电子设计竞赛活动带来的挑战及收获。