机电传动与控制课程实践环节的研究与改革

雷利 冯嵩 孙杨 陈丽娜 孙雪

（沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167）

一、课程实践环节研究的必要性

机电传动与控制是一门理论性非常强的课程，是学生学习的机械电子专业核心课程。由于它在工程应用中的重要性，在实践应用中非常广泛，因此机电传动与控制的实践环节部分显得尤为重要。该课程主要以电机、电器、控制等基本理论和基本知识为支撑，本着原理与应用两头并重，元件与系统二者紧密结合的理论。通过实践环节，不断能消化、理解学生课堂上学到的理论知识，提高动手能力，而且能培养学生分析问题与解决问题的能力，为进一步深造及毕业后从事专业工作打下夯实的基础。

机械电子工程专业基于0BE 理念建立了新的人才培养方案，理论课教学大纲的教改下，课程理论性强以及学生上课的兴趣不足，实践环节反馈不佳等情况下，课程的实践环节的研究和改革迫在眉睫。机电传动与控制的实践环节的研究和改革，将实践教学分为三部分，第一部分引进理论教学，第二部分建立独立的实验课程，将多课程进融合的实践教学；第三部分为课外环节；从而提高学生学习该门课程的积极性和有效性。

二、课程实践环节的研究路径和研究的内容

（一）研究路径

如图1 所示研究的对象，该课程建设是机电传动与控制实践环节的研究和改革，是围绕理论课的，是将理论和实践相结合。以机械电子工程专业新的人才培养方案中的各个毕业要求的指标点为背景，将实践教学不仅引进理论教学和建立独立实验课的研究方向，也将课程内容引入课外，达到培养具有一定工程实践能力的机电类应用复合型人才的目的。

（二）研究内容

按照上述的研究路径，该课程实践环节的研究内容可以从三个方面展开，一个是“看中学”的理论课环节，一个是“做中学”的实验课环节，一个是“用中学”的课外环节。

以机电传动与控制理论课为载体，一方面实践环节通过“看中学”的方法，将电动机的启动、调试、制动等验证性实验引进理论课堂。例如理论课第一章主要讲授知识点的是直流电机的结构、工作原理；他励式直流电动机的机械特性；以及他励式直流电动机的启动、调试和制动。希望同学们通过该理论知识的学习，掌握直流电动机的选择以及应用。该部分的应用部分主要是以直流电动机的机械特性和运动学基础相匹配的，为了让同学们更好的理解直流电动机的固有机械特性和人为机械特性，以及启动和调速的方式和方法，故设计了直流电动机的运动实验。该实验以自制的可移动的机电基础试验台为载体，用改变电压和电阻的方式验证直流电动机的人为机械特性曲线的变化方向；用测速工具验证降低电压和串联电阻对直流电动机控制的直线滑台运行速度的影响。

此外“看中学”课堂实践项目的研究方向，还可以从电动机的制动进行入手，验证能耗制动、反接制动以及回馈制动的区别。通过实践内容引导学生思考以自行车、汽车等电动的设备是如何实现制动的，引导学生通过生产工艺选择合适的制动方法。

一方面实践环节的研究内容是建立独立的实验课。将其实验课改革为设计性和综合性的实验，主要通过“做中学”的方式，加强学生对机电与控制相结合的系统的理解和学习。例如机电传动与控制课程的第五章为控制电路与继电器-接触器控制电路的设计，为了让学生充分掌握低压控制电路的设计方法，对该章的内容研究了设计性实验，让同学们在“做中学”中充分掌握电动机、电器元件、电力电子装置之间的关系。该实验以机电基础试验台为载体，以实验指导书为指导进行实践环节的学习。该实验为设计性，要求学生根据控制要求，选择合适的低压电器元件，完成直流电动机对滑台的控制要求。该实验是“一人一题”，不仅要求学生选择合适的低压电器元件，完成控制电路图的设计与布置，还要求学生接线实现控制要求；这个实验充分锻炼学生的设计能力、动手能力和综合应用能力。

独立实验课的“做中学”项目也可以进行延伸，例如研究直流电动机的PWM 调速，研究开环控制系统和闭环控制系统在机电传动与控制中的重要性。在实验时，不仅仅是要求同学们实现控制要求，更多的需要学生有一定的分析能力和设计能力，明确开环控制系统和闭环控制系统的区别，以及系统组成。

此外，实践环节的内容能够延伸至课外，以学校的实验室和研究中心为载体，鼓励学生们参加各种学科类竞赛，例如工程训练比赛、机器人比赛、系统集成类比赛等。

（三）进一步研究的方向

实践环节的研究内容不仅仅围绕机电传动与控制本身，而是要将其与其它专业课紧密联系起来。从机械电子工程专业的课程体系来说，独立的实验课可以分成两部分，一部分主要围绕机电传动与控制、传感器与应用、单片机应用三门课程展开。一部分围绕机电传动与控制、电气控制与PLC应用、现场总线、工业机器人等课程展开。

围绕机电传动控制、传感器应用、单片机应用的这个方向，可以以机电实验室的机电基础试验台为载体，研究各种设计性和综合性的实验项目。例如直线滑台半闭环控制，该实验为设计性实验，结合了机电传动与控制和单片机应用的知识，要求学生能够应用编码器测量步进电动机的转速。能够应用PID 控制电机转速、滑台位置。例如电机控制及测速实验，该实验为综合性实验，结合了机电传动与控制、传感器应用、单片机应用的知识，要求学生能够掌握光电编码器的原理和使用方法，掌握电机驱动器、光电开关、继电器、接近开关的使用方法。以及结合arduino 开发板搭建正确的测量电路，并进行编程及调试。

围绕机电传动控制、传感器应用、电气控制与PLC 应用、现场总线的这个方向，可以以工程实践中心的机电一体化试验台和协作机器人智能制造生产线为载体设计实验项目。例如机电一体化的试验台，集成了西门子的S7-1200 的PLC、各种光纤传感器、直流电动机、异步电动机、步进电动机、伺服电动机，能实现物料的传送，机械手搬运、物流码垛入库等机械活动。其中物料传送实验为设计实验，要求同学们能够掌握变频器、交流电动机、可编程逻辑控制、传感器应用等相关知识。如下图2 所示。在这个实验项目中要求学生不仅通过设计控制电路和控制程序，完成物流传送的实验，还要明确交流电动机与变频器的关系，通过变频器对调节物流传送的速度；明确使用传感器的种类、作用以及接线，明确它使用的注意事项，以及使用的必要性。该项目中用到了颜色传感器，其实就是光学传感器，利用黑白的折射率不同，从而对物料传送的颜色进行识别。其次要求学生学会PLC 的编程方法和接线方法，特别是多种编程指令的综合应用。

图2 上料传送检测结构

此外，该试验平台还可以设计直流电动机运动控制的实验，例如机械臂大臂的反复运动实验；机械臂旋转的运动控制实验；机械手取料入库实验。在这里设计的出来点是电动机，根据控制要求，选择合适的电动机，进行可编程控制程序设计，最后接线和调试，实现控制要求。

三、总结

针对我校学生学情，通过精简教材的理论教学内容，增加项目、实践教学来提高学生对理论知识的理解。通过使用多种教学手段增加学生学习兴趣。变被动学习为主动学习，提高教学质量。

目前已经改革了部分实践环节的内容。首先取消了该课课内实验，然后设计了“看中学”的直流电动机的运动实验；建立了独立的实验课，设计了“做中学的直流电动机的控制实验，以及与传感器、单片机、机电一体化等专业综合实验。例如直流电机电流检测实验，通过掌握PCF8951原理和CS712原理，结合arduino 开发板搭建正确的测量电流电路，并进行编程及调试。

其次也在2021 年指导学生参加各种学科竞赛。例如2021 年上半年举办的辽宁工程训练大赛的物流搬运机器人比赛；以及2021 年下半年举办的辽宁省机器人比赛等。学生通过比赛，将自己的知识体系进行重新构建。学生通过这个过程，能不断的提升自己和完善自己的知识框架。

总之，通过实验课程的综合实践教学，融合传感与检测技术、单片机应用、可编程控制器技术等多课程的知识，从而将机和电有机结合，去满足社会发展对人才的需要。