基于Proteus的汽车电工电子电路设计与应用＊

任志民，魏永武，宁轩

（1．运城职业技术大学智能制造与数智矿山学院，山西 运城 044000；2．甘肃电气装备集团有限公司科技管理部，甘肃 兰州 730050）

近年来，在高职院校的入学新生中，既有普通高中和中职毕业生，还有学校自主招收的复员转业军人和新型农民工等。如何针对基础理论薄弱、学历背景复杂的入学新生开展汽车电工电子课程的教学与实训，是授课教师需要研究的问题[1]。随着新能源汽车和智能汽车技术的发展，交通运输、车辆工程等行业对高职院校汽车工程类各专业技术人才的知识技能和职业素养提出了更高的要求。如何建设实训实验教学平台，也是高职院校需要解决的现实问题[2]。为了实现汽车专业课程标准制定的各项目标，对《汽车电工电子课程理实一体化教学平台》教研课题进行了立项，更新和升级了实训实验教学中的设备仪器仪表及工具，改进了教学计划与教学方案。在覆盖全部内容的前提下突出重点环节，在课程的理论教学中补充了仿真教学项目任务，在软件环境条件下搭建了配置灵活、难易程度可控、可以分解综合、能够反复演示、几乎没有耗能耗材的汽车电工电子课程仿真教学平台。将正常电路参数设置和运行结果与故障状态时的异常现象进行对比，引导学生进行故障分析和判别。在实训中制定出相应的检修方案，对理论教学和实训实验教学质量的提升起到了事半功倍的效果。

1 仿真教学平台建设

1．1 仿真教学的支持软件

为了在仿真教学中将汽车电工技术与电子技术两部分课程内容有机结合，选择了Proteus这款产品开发与仿真工程应用软件作为仿真教学平台的支持软件。因为Lab Center Electronics公司出版的这款EDA工具软件，实质上是电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真合而为一的设计开发与应用平台[3]。Proteus除用于产品开发和技能考评外，最大的应用特点是为教学提供了强大而丰富的资源，能够进行模拟电路、数字电路、微控制器与嵌入式系统在教学中的综合实验、研究性实验以及学生们的毕业设计。

Proteus软件平台能够进行互动的电路仿真。用户可以实时选用电源、熔断器、继电器、按钮、开关、电机等电工器件和LED、LCD、微处理器的RAM和ROM、键盘、A／D和D／A转换器、SPI器件、IIC 器件等电子器件，还可以选用示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、频率计／计数器、逻辑探头、虚拟终端等多种虚拟仪器。仿真系统基于SPICE3F5工业标准，实现了数字与模拟电路的混合仿真。Proteus建立了完备的电子设计开发环境。仿真系统含有直流、正弦、脉冲、音频、指数信号等多种激励源，并支持文件形式的信号输入；用户能够配合系统配置的虚拟仪器、仿真处理器及其外围电路，仿真51系列、AVR、PIC、ARM等主流单片机；还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，配合显示及输出运行结果。用户还能够在Proteus平台上进行智能原理图设计，选择使用多达27000种的元器件，通过智能模糊搜索快速查找和定位所需要的器件，自动地智能化连线。系统能够输出高质量BMP图样，方便地供Word、Powerpoint等多种文档使用。仿真平台基于图标的分析可以精确分析电路的工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等多项指标，并进行一致性分析[4]。Proteus软件因具有专业性强、应用面宽、元件丰富、结合性好、扩展性强等这些突出优势而得到了广泛应用。

1．2 仿真教学的授课对象与课程标准

在汽车电工电子课程仿真教学中应用的项目选择上，首先明确了授课的主要对象。对于普通高中和中职毕业生，课程的理论知识起点是中学阶段物理课程中的电学部分。对于复员转业军人和新型农民工等特殊教学对象，课程的知识要点从电路欧姆定律开始起讲。其次，选取汽车电工电子典型电路，在突出电路定律定理、电路结构型式、元器件与电路应用的同时，注重与后续的汽车发动机电控技术、电气设备构造与维修、汽车故障诊断技术等课程的内容相衔接[5]。再次，将仿真教学的项目任务与新能源汽车专业汽车电工电子课程的知识目标、技能目标、职业素养目标相衔接，列入教学计划和理实一体化教学整体方案，一并实施并进行考核。

2 仿真教学项目与任务

2．1 仿真教学实施项目

依据课程标准，综合考虑所有教学项目中的教学任务，合理编排仿真教学环节，设计具体的教学内容。在新能源汽车专业的汽车电工电子课程教学计划中纳入具体的仿真教学任务。主要仿真项目的任务内容如表1所列。

表1 仿真电路或系统与理实一体化教学项目任务

2．2 仿真教学任务内容与仿真电路

作为理论教学与实训实验教学的必要补充，仿真教学中设计和的应用的电路或系统突破了单一项目单一任务的限制。选择和设计的仿真电路或系统与仿真项目任务的对应关系如表1所列。

3 仿真电路设计

3．1 电路定律与定理

为仿真教学应用而设计的基尔霍夫电路定律验证电路如图1所示[6]。设置电源E1、E2的内阻均为0．1Ω，在节点B设置电压探针进行测量和显示，对三条支路的电流用电流探针测量并显示。图2是含有电阻串并联支路的全电路欧姆定律验证电路。设置电源U1的内阻、开关K1和K2的接触电阻均为0．1Ω，用电压探针和电流探针分别测量节点电压和支路电流，从而验证全电路欧姆定律、两并联支路中的电流大小与两并联电阻值的大小成反比这个结论。

图1 基尔霍夫电路定律验证电路

图2 全电路欧姆定律验证电路

为仿真教学应用而设计的线性电路叠加定理验证电路如图3所示。在该电路中，一次性设计的三个电路处在同一窗体中，在仿真时一键式同步运行电路。通过按下暂停仿真按钮查看电路运行结果，从而验证电路一的运行结果是电路二独立运行结果与电路三独立运行结果的叠加。

图3 叠加定理验证电路

3．2 直流电路与电机调速控制电路

在仿真教学中，将直流电路项目与电机项目的内容进行了综合，设计的直流电动汽车汽车模拟系统如图4所示。该仿真电路首先反映了传统汽车电源电路的低压12V直流电源、单线制、负极“搭铁”等特点。其次，模拟了汽车前照灯、车厢灯、转向灯、电喇叭的开启与关断情景。在仿真教学演示中，通过元件参数隐藏设置功能，将空调支路的熔断器电流设置在正常工作点以下，仿真中合上K102开关即发生空调熔断器熔丝开断现象，模拟了空调直流电风扇电路的开关闭合、但直流电风扇电机不运转的故障状态，引导学生识别空调设备不工作故障。

图4 直流电动汽车模拟系统

在直流电动汽车模拟系统的设计电路中，设置了两台电动机并联，共用同一个转换开关SW100，在电枢回路串联多段电阻，每段电阻两端并联一个能将电阻短路切除的并联开关，模拟了直流电动汽车前行／倒车转换、多挡位车速下驱动电机转速变化情景，同时用电压探针和电流探针作为模拟仪表，显示蓄电池电源的电压、电流和电动机的电枢电流。

3．3 整流电路与继电器控制系统

在仿真教学中，将交流电路项目任务与继电控制项目任务的内容相结合，设计了单相桥式整流电路及继电器控制系统。对单相变压器交流电路的桥式整流、蓄电式充电供电、继电器控制直流电动机正反转、直流风机运转与照明供电进行了综合设计[7]，如图5所示。在该仿真电路运行前，设置了单相变压器激励源信号参数、交流侧过流熔断器保护。通过K1、K2、K3三个开关的开闭组合，模拟了在整流器单独供电、蓄电池单独供电、整流器与蓄电式同时供电情况下电动机在继电器控制下的正反转、风机运转、照明、蓄电池充电等情景。

图5 整流电路与继电器控制系统

单相桥式整流电路与继电器控制系统框图如图5（a）所示，电压幅值 25V，频率 50Hz，初相位为0°。通过虚拟示波器的四通道显示的变压器原边绕组电压波形、副边绕组两端的电压波形和整流电压波形如图5（b）所示。

在继电器控制直流电动机正反转电路的主回路中，选用了内部触头接线转换的W172DIP－13型开关，即使控制回路的FW－BW正反转控制按钮开关处于开断状态，电动机仍能持续运转，因为W172DIP－13转换开关具有记忆FW－BW按钮开关的开闭状态功能。通过设置两个并联发光二极管的亮和灭，演示了改变直流电动机电枢电压极性来改变电动机转向的控制方法。该整流电路与继电器控制系统衔接了新能源汽车专业的驱动电机及控制系统、高压安全与防护、能源管理系统、电气技术等后续课程的教学内容。

3．4 汽车应用电路

在汽车电工电子课程中有较多的电子应用电路[8]。选择的仿真电路中，既要包含了电阻、电容、发光二极管、三极管等电子元器件，还应该含包比较、放大、稳压、运放等基本形式的电路。在三极管应用的仿真教学任务中，设计并演示的汽车声光报警电路如图6所示，发光二极管D1和D2轮流闪烁，同时电喇叭发声报警。

图6 汽车声光报警电路

在比较运算放大器应用的仿真教学任务中，设计和演示的汽车蓄电池电压过低报警电路如图7所示。其中，应用了LM471运算放大器，将12V正常电压的蓄电池组与电压为9．8V的电压过低蓄电池电阻相并联，在发光二极管的两端设置了电压探针，在支路中加入了电流探针。在仿真教学演示中，通过开关切换观察和比较两种电压下发光二极管的灭亮情况，验证蓄电池电压过低报警电路设计的正确性。

图7 汽车蓄电池电压过低报警电路

3．5 电路设计应注意事项

在Proteus软件平台的仿真电路设计中，需要注意一些有关事项。首先，在模拟电路中，交流系统与直流系统需要各自独立设置接地点。在图5a中，单相变压器的原边绕组与副边绕组至少要有一侧接地，同时要设置合理的原边绕组与副边绕组的电阻和电感值。否则，变压器副边绕组一侧交流母线电流发生过载，熔断器的的熔丝就会熔断。其次，在同一个直流或交流系统中，需要合理设置接地点并配合电压探针或电压表的测量。例如，在图1所示的基尔霍夫电路定律验证电路中，如果在D、E、F三点中一个接地点都没有设置，则电压探针不会正确显示B点电压为6V，而是3．52459V。在非纯电阻电路或者含有电抗元件的电路中，需要对元件参数合理设置，否则，在仿真时系统会因为电路时间常数不合理而中断运行甚至不能运行。

4 结论

通过教研项目“汽车电工电子课程理实一体化教学平台建设”的实施，在汽车电工电子课程教学中开展仿真教学，解决了实训实验室不具备条件时如何进行教学的实际问题。在仿真教学中设计和应用的典型电路与系统，通过教师演示和学生们的使用，增强了直观性和趣味性，加强了学生们对重点难点知识要点的理解和掌握，提高了学生们对课程的学习兴趣和积极性。通过对包括农民工和复原专业军人等特殊教学对象在内的三届学生的教学实践，经过考核结果分析与评估，达到了教改课题预期目标。

本文中很少提及的数字电路仿真教学内容，在课题实施中主要与C语言程序设计、汽车单片机应用等课程相结合，设计和应用的单片机应用教学仿真电路与系统更具有新颖性、典型性和趣味性，在教学中也取得了良好效果。在以后的汽车电工电子课程教学中，仿真教学项目任务和内容还要进一步优化和改进，以适应新能源汽车、智能汽车技术等专业发展的新要求。