直流电机调速系统探究性实验设计

曾海妮，邹琦萍

（河池学院人工智能与制造学院，广西 河池 546300）

0 引言

微处理器综合设计性实验在高校的电子信息工程、电气自动化和建筑智能化等多个工科专业学生的实践操作能力培养方面起着至关重要的作用。本文依据高等工程教育培养电类课程学生目标，针对现有基础验证实验性实验上，充分利用现有的实验资源，融入与微处理器有关综合性质实验，切实提升工科实验的工程教育质量。为了帮助学生更好地理解微处理器类课程的理论知识、培养学生“解决复杂工程问题”的工程实践能力，同时考虑到高校实验逐渐趋于综合设计性实验，本文采用具有工程实践性质的直流电机调速实验。

本文旨在通过直流电机调速案例，让学生在项目的实践过程中掌握设计直流电机方法，实现方法的多样性及根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，软硬件设计与调试，并通过测试与分析对项目给出技术评价。为不同能力的学生更好地掌握相关知识、夯实基础和开拓视野，进而培养学生工程实践能力、综合设计能力和创新能力，本文设计实验内容分层次、模块化和方案多样化的直流电机调速实验项目。

1 直流电机调速方案

自然界的机械运转动力大多是由电机提供的，它主要包括直流电机和交流电机[1-4]。直流电机启动、制动性能良好。在很多工业领域中需要电机调速和快速正反向地进行电力拖动。直流电机调速主要是通过调压调速方式实现，调节电枢电压依赖于可控直流电源[5]。

本次实验项目分别从核心处理器、电源模块、显示模块、直流电机驱动模块、控制模块、测速模块，项目应用等几方面介绍直流电机调速系统各功能模块实现方案多样性。系统实验项目方案见图1。

图1 直流电机调速项目方案

（1）核心处理器可以选用STC 单片机、STM32 单片机和ARM 处理器等；

（2）电源模块可以选用移动电源供电，5 V 稳压电源电路为系统供电。

（3）显示模块可以选用数码管、点阵或者LCD 显示直流电机的各种工作状态、传感器采集信息以及控制信息等。

（4）直流电机驱动模块是采用PWM 信号加电机驱动电路方式驱动直流电机；驱动电路可以采用三极管搭建的H 桥式电路实现，也可以采用专用芯片驱动，如采用L9110S、L298N 等芯片进行驱动。

（5）控制模块可采用按键，红外遥控、蓝牙模块、WIFI 模块等无线通信方式控制电机各种运行状态；

（6）测速模块可采用霍尔传感器、光电编码器、槽型光耦合等传感器对电机进行测速。

2 实验教学实践设计

理想的实验教学效果应具备“多样+开放”的教学设计、缩放自如的教学过程[6]。实践教学既要实现学生对理论知识的熟练掌握及学以致用，又要体现“因材施教”的理念，使不同层次的学生能够选择合适的实践项目模式，从而锻炼学生的操作能力，探究能力。

2.1 教学内容设计

实验教学设计依据高等工程教育认证为准，以学生为中心，将实际的工程中的直流电机调速设计融入实验，培养学生解决复杂工程能力和培养学生的创新能力。在实验教学实施过程中，分为基础型实验、设计型实验和探究性实验。

（1）基础型实验教学是激发学生学习兴趣、提高学习积极性和自主探究能力的不可或缺的环节之一。为了提高实验教学效果，提出层次化教学内容。层次化教学内容又分为基础型、自主设计型和探索研究型。它颠覆了传统的验证性实验教学，符合学生的认知结构。基础型实验主要培养学生的基本操作技能和认知能力的验证实验，帮助学生迅速掌握基本理论知识，为设计型实验提供研究基础。设计型实验要求学生依据实验任务要求自主设计实验方案，实现相关模块的扩展功能。

（2）设计型实验需要学生自主查阅相关文献，深入思考，分析并调试才可以完成。这一阶段以学生为主体，以问题为导向的模式，教师不再为学生提供实验方案和实验步骤。教师有针对性的根据每个学生的学习特点和遇到的问题进行指导、提示和启发学生如何从各个知识点找出问题的解决方案。该阶段学生通过设计方案，启发式教学将完成功能多样的设计，培养学生的创造力。

（3）探究型实验要求学生综合运用多门课程的知识，设计多功能系统。它是实验教学的最高要求，为学有余力的优秀学生提供探索研究平台，培养了学生的自学能力，研究设计能力和创新能力。该阶段是学生在完成基础型实验和设计型实验的基础上，根据自己的能力和兴趣选择是否进行探索研究型实验。该阶段项目的选题需依据科学性、创新性和实用性的原则，结合专业和研究方向，进行交叉渗透选题。探究型实验阶段提供具有一定研究价值的课题，也可由学生自主选题。确定选题后，学生开始进行文献阅读调研和方案设计工作、设计和调试。表1 展示了直流电机实验的层次化教学内容。

表1 直流电机实验层次化教学内容

2.2 实验教学过程设计

实验教学依据工程专业实践教育专业提出的工程理论知识、问题分析和探究三个方面，着力培养学生解决工程实际能力。本文将实验教学分为课前预习自学、课上实验教学和课下探究总结。

（1）课前预习自学。该阶段主要培养学生根据老师布置的任务，查阅相关材料，自主学习并掌握相关知识且能熟悉应用相关“工程知识”的能力，具体分配的任务为：

①教师依据学生的兴趣爱好以及综合能力的不同，针对不同层次的学生提出不同的任务要求。

②深入学习直流电机的原理，电机的调速和测速原理。

③根据各模块的功能，让学生分组讨论，确定各个模块的实现方案，提出尽可能多的方案，对方案进行分析/讨论、比较，制定最佳实现方案，调动学生的积极主动性，培养学生善于思考、解决问题的能力和学生的自主创新能力。

④根据所选的方案，选择电路元件，根据所选的微处理器，相关元件下载元件数据手册，了解该元件的参数，说明选择此元件的原因。

⑤学习相关软件的操作方法，如学习Altium Designer 绘图软件，Keil C 编程软件、Proteus 等仿真软件的使用方法。

（2）课上实验教学。该阶段侧重于学生的实际工程操作与解决实际工程的问题分析能力。主要包括以下内容：

①学生根据所选的直流电机测速方案，选择元器件，在相应的仿真软件上设计电路原理图和软件编程，并进行仿真验证。

②制作电路板焊接元器件并进行调试；教师做统一监督指导，此环节注重学生动手能力和综合实践能力的培养，尽量保证所有学生都能参与。

③在电路设计、搭试、调试完成后，必须要对系统数据的准确性进行检测，进行误差分析、校正和记录调试结果。

（3）课后探究总结。通过课前，课上所产生的实验现象和实验问题，需要学生在课后针对实验中所产生的现象和问题，需要学生深入探究其背后蕴含的工程技术知识和理论问题，在此阶段形成具有实践意义的指导性方法。该阶段主要包括以下两方面：

①分析系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

②撰写实验报告，并总结实验收获，参加实验总结演讲，培养学生的语言表达能力；教师对此次课程总体表现情况做总结，与学生交流分享。

2.3 实验教学效果

本文以直流电机调速系统为例，层次化实验教学内容、引导性实验指导教学和探究性的实验扩展取得一定的效果。通过层次化实验教学内容，不同层次的学生均能设计实现一个完整的基于直流电机调速系统的电子产品。每个班级的学生约有80%的学生可以完成基础型实验和设计型实验，设计20%的学生也都完成了探究性的实验。通过层次化教学满足不同能力的学生需求，让学生既有可操作性，又可激发学生的创新意识，挑战更高层次的任务。实验结束后，学生实验作品丰富多样，部分作品见图2 所示。

图2 部分学生作品

3 结论

本文以直流电机调速项目为例，秉着“差异化培养、因材施教”的原则，将“以学生为中心”的理念，加入到传统实验教学和项目实践教学中。本文提出了满足不同层次学生的实践能力、思考能力的基础性实验、设计型实验和探究性实验；探究性实验主要是为了满足学有余力的学生进行知识扩展。综合设计型实验实施项目实验内容层次化、项目功能模块化和多样化，方便学生根据自己的能力和喜好选择完成相应实验项目。新知识的扩展学习，开拓了思路，提高了学生的动手能力，培养综合应用能力和创新能力，增强分析与解决问题的能力。