機電一體化控制系統設計探索

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摘要：新工科建設對機電專業人才培養提出更高的目標和要求。機電一體化控制系統設計對培養機電專業復合型人才具有重要意義，但也存在教學難度大、教學效果欠佳等問題。課題組通過研究案例教學的設計策略，選取矢量控制器作為教學案例，采用TI公司的開發套件作為教具，實現理論教學和實踐教學一體化，達到較好的教學效果。

關鍵詞：機電一體化；矢量控制；案例教學

隨著智能制造、人工智能等新技術、新產業的出現以及新工科建設的需求，培養具有工程實踐能力和創新能力、具備國際競爭力的復合型人才，已成為工科專業人才培養的共識[1-2]。在此背景下，江蘇大學機械電子工程專業新開設機電一體化控制系統設計課程，將先前的機電一體化設計和機電伺服技術的核心內容進行綜合和拓展，強調從系統的觀點出發，將機械和電子技術有機結合，構造機電控制系統，其技術可廣泛應用于工業自動化、智能制造、人工智能等領域。機電一體化控制系統設計需要系統學習機械、傳感與檢測、伺服控制等多學科知識，熟悉機、電、液、氣一體化系統的設計與應用，掌握一體化控制系統的接口、精度設計和可靠性等系統總體技術。該課程內容豐富、學科交叉多、理論和實踐性強、創新要求高，如何不斷提高教學質量，培養學生的理論和實踐能力，是該課程教師一直努力研究的課題[3]。結合該課程特點，授課教師大多采用案例教學法。但以往的案例教學更多的是針對單個獨立的知識點，很難做到系統運用，教學效果不佳。為此，課題組針對現有問題，對該課程案例教學策略進行研究，設計一套可供拓展并具有很強實踐性的教學案例及教學方法，達到較好的教學效果。

1以往案例教學存在的問題

案例教學法是通過設計合理的教學案例，把理論知識、分析設計能力、實踐能力培養等教學內容融入其中，引導學生自主探索、分析、解決案例中包含的科學和技術相關問題，從而掌握相應的理論知識和實踐能力。由于課程的自身特點，在以往案例教學的過程中存在諸多問題，導致教學效果不佳，主要體現在以下幾個方面。

1.1案例單一，系統性不足

機電一體化控制系統設計內容涉及多個學科，講課時往往分章節講授，針對不同內容選取對應的案例教學。如講傳感器時，會選取旋轉變壓器相關的案例；講授電機控制時，會選取直流電機調速系統的案例。這種方式將各個知識點進行人為分割，不能建立系統聯系，教學效果不佳。

1.2案例理論性不強

電梯是機電一體化案例教學時常用的案例[4]，其具有一定的系統性，而且學生喜聞樂見，易于接受。但由于電梯行業的多樣化和自身商業屬性，電梯案例過于工程化和模塊化，許多理論知識無法深入展開。例如：曳引機采用的是異步電機還是同步電機？是電勵磁還是永磁？電機采用何種控制策略？由于行業細分太多，很難給學生一個統一的答案。一定程度上使案例流于表面化，對核心知識涉獵不夠。

1.3案例創新性不夠

直線一級倒立擺也是機電一體化課程教學中經常推薦使用的案例[5]，它把機械模型、控制理論和計算機技術有機地結合在一起，能很好地反映機電一體化的特征，但在新工科建設背景下，該案例的新穎性和創新性略顯不足。因此有教師提出采用機器人的案例[6]，該案例固然體現出創新性，但由于內容過多、硬件成本高等問題，推廣受到限制。

2案例設計策略

針對上述問題，授課教師對該課程的教學案例設計策略進行研究，分別從內容選取、教學實施、拓展創新等方面給予明確規劃。

2.1內容選取

案例內容的選取是開展案例教學的第一步，以高素質復合型新工科人才培養為目標，在知識的理論性上，案例必須賦能人工智能、智能制造等新一代信息技術知識結構，而且具有較強的系統性，不能是單一的應用案例；在實踐性上，案例必須有較好的工程價值和可操作性，方便在教學過程中培養學生的實踐能力、協作能力以及專業工具的使用能力；在創新性上，要求所選案例能培養學生的自主創新能力以及國際競爭力。綜合上述思路，梳理課程教學內容，發現矢量控制器是很好的教學案例，目前工業領域中大量應用的變頻器、伺服控制器等產品，其核心就是矢量控制技術，此類技術和產品長期以來被ABB、西門子等國際大廠壟斷，國內人才相對缺乏。

2.2教學實施

在確定好案例內容后，還需要充分考慮案例的教學實施：1）該案例要盡可能地覆蓋該課程的知識點，便于理論知識的講授；2）案例還需要有很好的工程實踐性，能設計動手實踐環節，方便學生參與其中。可構建如下案例教學流程：提出問題—分析問題—學習知識理論—設計求解模型—實踐檢驗—明確結論。在這一過程中，學生通過學習知識去解決實際問題，并在實踐中強化知識和訓練能力。在矢量控制的案例教學中，可開發相應的實驗教具，讓學生參與實踐，目前市面上此類教學工具或開發套件比較豐富，可選性大。案例教學使學生會采用矢量變換的方法解決控制問題，通過編程和仿真增強對矢量控制的理解并得到實踐鍛煉。

2.3拓展創新案例的教學

不僅限于案例本身，要能夠舉一反三，讓學生把該案例的解決方法用于其他問題，這就需要在設計教學案例時充分考慮案例的可拓展性和創新性。仍以矢量控制為例，學生在掌握矢量變換的原理后，需要進一步運用該理論實現異步電機的矢量控制、同步電機矢量控制、最佳轉矩電流比控制、直接轉矩控制等；在實踐拓展方面，學生可自主開發矢量控制的軟、硬件系統，甚至開發專用的矢量控制器，工程能力得到極大的訓練。

3矢量控制器案例教學實踐

基于上述分析，教師在教學實踐中采用矢量控制器作為教學案例，該案例很好地將知識點進行串聯，理論知識豐富，工程實踐性強，便于后期拓展。為配套案例教學，選取TI公司官方推出的TMDSHVMTRPFCKIT開發套件作為教具，該套件提供一套完整的電機控制軟硬件，包含DSP控制電路、功率驅動電路、控制程序以及開發軟件，還可以選配對應的電動機，技術資料豐富，直接面向應用，對培養學生的工程實踐能力很有幫助。

3.1理論教學

矢量控制技術的知識體系涵蓋電機原理、自動控制技術、電路設計、嵌入式系統開發、矢量控制技術、電力電子與電力驅動技術、傳感器與檢測技術，基本覆蓋全部教學要求，在理論教學時可以逐一講解最后集中歸納，具有很好的系統性。借助TMDSHVMTRPFCKIT開發套件中的技術資料，學生進一步加強永磁電機、同步電機運行原理、磁場定向控制、矢量控制基本配置、數字信號處理器在電機控制上的應用等理論知識的認識，其中大量直接面向應用的圖文解釋，如電動機的工作原理、矢量控制原理及仿真框圖等，可有效增強學生對理論知識的理解和掌握。在教學實踐中，作為對理論知識的檢測，采用課后作業的形式，要求學生對相關的控制策略進行仿真，通過仿真結果來檢驗學習效果。

3.2實踐教學

借助開發套件，在進行理論教學的同時，靈活開展實踐教學。教學內容包含電機的開環控制、閉環控制、磁場定向控制、位置伺服控制等。該開發套件提供開環和閉環控制時的軟件框圖和代碼，只需設置相應的外部電路和軟件模塊，就可實踐操作，并通過輸出端口在線觀測控制結果。

3.3拓展訓練

矢量控制器開發套件是一個開放的軟、硬件系統，針對教學內容進行知識講授和實踐能力培養的同時，還可以借助該系統對學生進行拓展訓練。利用該系統平臺，不僅可以開發電機驅動器、伺服控制器、機電液伺服系統等，還可以開發配套的上位機通信和檢測軟件，實現對控制系統的在線監測與控制。結合教學案例和開發套件，在實踐教學過程中，組織學生開發永磁同步電機通用矢量控制器以及上位機調試和監測軟件，如圖1所示。該永磁同步電機通用矢量控制器及調試系統構成完整的電機驅動和測試平臺，同時也是創新、開放的教學平臺。學生通過修改電機及控制參數實現對不同電機的矢量控制，也可基于該硬件平臺，開發新的控制策略，如力矩控制、位置伺服控制等，方便二次開發和系統升級。通過以上實踐，學生基本具備面向該行業應用的自主開發能力。

4結束語

機電一體化技術作為我國先進制造技術的重要支撐，也是推動智能制造、人工智能發展的重要力量，在新工科建設背景下，機電一體化控制系統設計以培養具有國際競爭力的復合型機電人才為目標，意義重大。該課程既要講授多學科的理論知識，又要重點培養學生的實踐動手能力，適合采用案例教學。本課題教師通過經驗總結、內容梳理、精心策劃，設計一套可供拓展并具有很強實踐性的教學案例及教學方法，實踐表明其具有良好的教學效果，有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]戴敏,曾勵,周建華.機電一體化課程案例教學研究[J].中國教育技術裝備,2018(14):58-59,64.

[2]于微波,楊宏韜,董博.新工科背景下自動化專業人才培養方案研究與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估),2021(10):1-2.

[3]許宇翔,郝利峰,鄭慧萌,等.“機電一體化系統設計”混合式教學模式改革[J].教育教學論壇,2020(17):210-211.

[4]趙月靜,李紅彥,任有志,等.電梯案例教學在《機電一體化系統設計》課程中的應用[J].教育教學論壇,2017(35):175-176.

[5]徐洋,盛曉偉,孫志軍,等.基于案例教學的機電系統控制實驗探討[J].當代教育實踐與教學研究,2019(5):188-189.

[6]徐洋,孫志軍,孫志宏,等.基于案例的《機電系統設計與控制》課程教學探討[J].當代教育實踐與教學研究,2019(8):85-86.

作者：黃平林 錢鵬飛