以电机为主线的机电传动控制课程的教学探讨

郑 祥 王玉勤 陈 宇

巢湖学院机械工程学院 安徽巢湖 238000

1 课程地位及特点

机电传动控制课程是面向机械制造及其自动化本科生介绍机电传动及其控制系统的课程。机电传动控制课程现已由全国高等学校机械工程类专业教学指导委员会定位为机械工程及自动化专业的主干技术基础课[1]。机电传动控制课程属于典型的交叉学科，内容涉及面广，教学效果的好坏与学生前期其他专业基础课的掌握程度有很大关联。以本校为例，机电传动课程是面向机械类专业大三学生开设的专业必修课，先修课程有机械原理、机械设计、电工电子技术等，充分体现了以机械为背景、机电结合的学科特点。

随着工业的发展，机器的种类、样式、功能也日益繁多，但是均由原动机、传动、执行、辅助及控制5个部分组成(如图1所示)。

图1 机器的组成

原动机的出现，解放了生产力。任何一台机械设备都离不开原动机，原动机主要提供回转运动，主要以电动机和热力机为主。热力机调速困难，难以实现无级变速，具有能量转换效率低、噪音大等缺点，目前生产实践中大部分机器的原动机是各种电动机。电动机具有调速方便，效率高，结构简单紧凑，维护成本低，产品系列化、通用化、参数化等优点。新能源汽车的发展趋势就充分说明了电动机作为机器原动机的优势之处。

传统的机械传动包括带传动、链传动、齿轮(涡轮蜗杆)传动、摩擦传动等方式，效率低、开环传动精度低、传动链长、难以实现间歇传动。步进电机、伺服电机等控制电机的出现大大地提高了传动的精度，开环传递改进为半闭环或闭环传递。例如，数控机床相对于传动金属切削机床的加工精度都有了很大程度的提高。

执行部分一般是机器传动链的末端部分，用来实现某种预定功能，具体又可以分解成几个独立或相互关联的部分。例如，厂房里面行车由卷扬起重、大车纵向行走、小车横向行走几个执行部分组成，通过配置独立的异步电机可以很好地实现上述功能。

机器的辅助系统也离不开电动机，以润滑为例，润滑系统是绝大多数机械设备必不可少的组成部分，润滑系统的核心是电机—齿轮油泵模块。

机器的控制系统归根到底是对各种电机的控制，包括PLC控制、微机控制等，以实现自动化、智能化、敏捷化的大趋势。

电机选型和控制是机械类学生应当掌握的专业知识和素养，本文以电机为主线、机械为背景，从理论教学和实践教学2个方面做一些机电传动控制课程的教学探讨。

2 理论教学

2.1 以电机为主线的课程内容的整合

2.1.1 教学内容及学时安排

立足我校的办学定位目标—地方应用型高校，满足“厚基础、宽口径、高素质、强应用”的专业要求[2]。经过对同类型兄弟院校的调研，结合我校的实际办学情况，通过多次人才培养方案的论证，机电传动控制课程共42学时，其中理论教学34学时，实践教学8学时。

该课程内容较多，为使在34学时的理论教学后能达到预期的教学效果，将教学内容以电机为主线进行了模块化归纳，共计6个模块(见表1)。

表1 机电传动控制课程教学内容及学时安排

2.1.2 教学模块的重难点

模块1是机电传动系统力学模型分析的基础，也是理解各种电机n-T负载特性曲线的前提。这一模块的内容在讲解时可以充分结合理论力学中的相应知识进行对接，如转动惯量、飞轮转矩等概念。对于多轴拖动系统的当量化处理是难点，尤其是转动惯量和飞轮转矩的折算。

模块2中的直流电机由于对于电源的特殊要求也逐渐被交流电机替代，尤其是随着变频调速技术的出现，弱化了直流电机的调速优势，该模块学生掌握直流发电机和电动机原理即可。

模块3的三相异步电机是工业中使用规模最大的电机，属于教学重点内容。结构特点、工作原理、调速特性需学生掌握理解，该模块结合生产实践会提升教学效果。例如，企业生产线上经常会更换电机，旧电机铭牌局部破损，那么如何通过已有的部分参数确定电机的性能参数从而更换同型号的电机。换而言之，如果给学生一个异步电动机的铭牌，要能确定出电机的额定转速、功率、接线方式等等。这是一个机械类专业学生应有的素养，避免在工作中出现低级错误。

模块4中的步进电机和伺服电机是随着电子技术的不断发展而产生的，应用于各种高精度的机电设备中，例如数控机床等。该模块需要介绍电机的结构、工作原理、性能、应用场合等。

模块5和模块6属于对电机的自动控制范畴，其中2种控制模式各有特点。继电器—接触器控制成本低，仍广泛应用于一般生产机械中，例如电机的正反转、点动、制动，学生需掌握常用电器的基本原理及电机的基本控制电路。随着控制的无触点化和智能化，PLC(可编程控制器)是微机控制技术和继电器控制技术结合的产物，重点掌握PLC的指令系统和编程方法(梯形图)，结合工程实例进行讲解。

机电传动控制的6个模块之间相互密切联系、相辅相成(如图2所示)。在教学过程中要把握知识模块间的关联，机电结合、理论联系实际，重点突出各种知识在实际中的应用。

图2 机电传动控制教学模块框架图

2.2 以机械为背景的专业课程间交叉

机电传动控制课程是面向机械类专业学生开设的专业必修课，在教学过程中，需考虑融入机械专业背景的课程体系中，培养学生机电一体化意识，强化机电复合的专业素养。充分建立与其他课程的横向及纵向联系，构建大机械知识框架。

例如，电机拖动动力学方程可以与理论力学中的刚体定轴转动及机械原理中速度波动调节相关内容关联；异步电机原理中的旋转磁场与大学物理中的电磁学及电工电子技术的三相交流电的相序差等有关内容关联。

下面举一个例子：牛头刨床的电机传动系统(如图3所示)，电动机额定转速n=1450 r/min,传动机构机械效率η=0.81，刨刀切削力F=10 RN，工作台的主运动速度v=0.7 m/s，电动机的飞轮转矩GD2=100 N.m2，求折算到电动机轴上的飞轮转矩和负载转矩。

图3 刨床电机拖动示意图

通过这个例子不但可以讲解负载转矩和飞轮转矩的折算方法，还可以与机械原理、机械制造技术基础等专业课程建立联系，相关问题的设定如表2所示，充分体现以机械为背景的原则。

表2 “牛头刨床”教学案例

2.3 考核方式的多元化

机电传动控制课程成绩的评定是由“考试成绩(60%)+平时成绩(20%)+实验成绩(20%)”3部分共同构成的。平时成绩根据学生的课堂出勤、课上表现、课后作业情况评定。不仅靠期末的闭卷考试，实践考核成绩的比重逐渐加大，提升学生的动手能力和独立思考意识，多元化的成绩评定方式更具有科学性和合理性，最大程度地反映学生对该课程的掌握程度。

3 实验教学

实验教学是本课程重要的教学环节之一，占有极其重要的地位，是理论联系实际的重要手段，对于拓展学生知识面、提高学生的专业综合能力和就业机会都具有重要的意义[3]。

电机实验是本课程的重要组成部分，是整个教学过程中不可缺少的重要环节，是巩固和加深所学知识、提高学生操作技能的重要手段。通过实验实际操作使学生进一步熟悉和掌握各种电机的工作原理，掌握直流、交流、步进和伺服等4种电机调速性能的实验方法，提高学生解决工程实际问题的能力和动手能力。

3.1 必做实验

电机测试平台也可称为最小机电系统。由4套独立的不同种类的电机测试系统组合而成。可实现电机启停、换向、调速、加减速、电流电压测量等功能，并绘制相应曲线。该平台具有较强的变换性。可根据实训需要或工作任务的不同进行不同的编排组合，实现学习功能，并达到模拟生产性功能的目的(见表3)。

表3 4种电机调速实验

图4 4种电机测试平台

为学生提供一个具有开放性、创新性和可参与性的实验平台。学生经过实验了解各种电机的测试平台的基本组成和基本原理，很好地区分各种电机的结构、性能、应用场合，尤其是异步电机的调速问题在工业生产中的应用广泛。此外，步进电机和伺服电机的调速精度及响应灵敏性也是机器人行业很重视的性能参数及技术指标。通过4个必做的实验，有助于加深对书本抽象知识的理解，理论联系实际，激发学生的学习兴趣，为学生将来在机电类行业的工作夯实基础，如图4所示。

3.2 开放性实验

除了上述4个必做的电机调速实验之外，为了开拓学生的知识面，提升创新意识，单独开设了一个综合实验—可拆装串联机器人。这个实验是选做性质的，所在实验室也是开放性的，给感兴趣的学生提供一个新的平台，如图5所示。

图5 可拆装串联机器人开放实验

学生通过自己动手搭建机械臂系统，包括机械部分和电气控制部分。再通过对传动轴步进电机和伺服电机驱动器的参数设置，基于西门子S7-1200 PLC进行编程，从而控制步进电机正反转运行及实现机械臂的各种空间姿态。整个实验过程围绕电机的控制展开，具有较高的开放性和自主能动性，将理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力[4]。

4 结语

结合机电传动控制课程的地位和特点，以电机为主线、机械为背景，对机电传动控制课程的教学内容进行了模块化处理，围绕4种电机展开教学活动。

理论教学过程中，以机械专业为背景，注重专业课之间的联系，结合生产实践，调动学生积极性。培养学生机电一体化意识，提升专业素养，强化应用能力，为学生以后的工作学习夯实理论基础。

实践教学过程中，开设4个必做实验和1个开放性的选做实验，涵盖 机电传动控制课程的主要知识和技能，在保证教学目标完成的前提下，开放性实验为感兴趣的学生提供进一步的动手操作平台和思维拓展空间，锻炼学生分析、解决问题的能力。