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电机调速与控制课程设计教学

期刊目录网机电一体化论文发表2021-07-13 11:40关注(1)

  针对传统电机调速与控制课程设计存在的一些问题,如教学安排过于集中、课程设计题目固化、设计工具单一、脱离工程实践、缺乏交叉融合等,对照工程教育认证标准分别从教学的组织安排、教学目标、教学内容等方面提出了改革方案,使其更切合工程实践,完善课程设计的综合性。课程设计教学改革近年来实施取得了一定的效果,基于工程教育认证思想,进行了评价效果反思并提出了一些持续改进措施。

电机调速与控制课程设计教学

  [关键词]课程设计;电机调速;工程教育认证;新工科

  一、背景

  国内的工科教育先后经历了20世纪50年代的“技术范式”、20世纪80年代的“科学范式”以及20世纪90年代的“工程范式”。2006年我国启动工程教育专业认证,对工程技术人才培养模式提出了更高的要求。中国工程教育认证协会于2012年7月重新修订了《工程教育专业认证标准》,其认证的通用标准以“学生”为中心,强调达成度过程评价和持续改进[1]。2017年2月,教育部高等教育司发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》,明确指出新工科项目的开展与实施应当围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系进行[2][3]。同时,电气化是20世纪最伟大的工程成就;进入21世纪后,电气化向更宽更深发展,并且直接面向智能制造。电机调速与控制[4][5]是电气工程及其自动化的专业课,掌握各种类型电机的调速原理,对学生毕业参与机器人、数字机床等智能制造领域工作有极大的帮助。加强实践环节是工程教育认证的迫切要求,没有实践的理论是苍白无力的,同时也难以被学生深刻掌握。电机调速与控制课程对应的课程设计可以帮助学生将所学的理论知识用于实际的工程活动中。华侨大学电气工程及其自动化专业已于2019年通过工程教育认证受理,在此之前便以工程教育认证为指导思想,对电机调速与控制课程设计进行了改革探索,旨在增强所培养学生解决复杂工程问题的能力。

  二、现有课程设计存在的问题

  电机调速与控制课程设计是电气工程专业的一门重要实践课,可以加深学生对课程基础知识的理解,同时也能提高学生运用知识和实践的能力。而传统的课程设计教学方式如下:在两周内布置课题任务,给定目标电机参数,学生通过MATLAB仿真软件,设计其闭环控制方式与整定环路参数。这种教学方式的弊端在于:(1)教学与学生实施安排过于集中:此前的课程设计一般安排在理论课程知识教授结束后的两周内完成,学生尚未对理论知识充分理解,并且短时间内难以建立与工程的联系,实施的效果不佳。(2)课程设计题目固化:此前课程设计一般由电机调速与控制原理教材上的例题改编,设计题目较为固定,或者只对其中的电机参数、控制结构简单改动,学生的设计一般可以参考往年学生留下的模板,甚至有照搬现象。因此在设计过程中,学生并没有真正理解电机控制原理,从而导致课程设计流于形式,无法达到考查的目的。(3)课程设计使用的设计工具单一:在电机调速与控制的课程设计中,虽然借助了计算机辅助仿真软件MATLAB,但是单一的设计工具限定了学生发挥的空间;并且在将来学生走向科研、工作岗位后,使用的开发工具可能有所不同。(4)课程设计脱离工程实际:此前的课程设计先通过理论计算进行电机控制系统的参数计算,并在MATLAB仿真软件上进行模型验证。学生完成课程设计后仍无法理解实际工程中的电机调速系统是何种形式,其控制系统载体以及软件实现又是什么样的,因此并没有真正打通理论和工程实践这条通路。(5)课程设计缺乏交叉融合:众所周知,电气工程是一门交叉融合的综合性学科,电路、模拟电子、数字电子、电力电子此电类课程是本专业的基础课程,电机调速与控制是在此类课程基础上的专业应用型课程。但是配套的课程设计并没有真正实现电类课程的融合,学生在课程设计实施完后,并不能很好地掌握如电子元器件的使用、电力电子拓扑的选取等内容。针对上述问题,为了适应工程教育认证以及新工科学科建设要求,加强学生理论知识和实践能力的联系,以及提高其解决复杂工程问题的能力,笔者提出了一些措施对电机调速与课程设计的教学进行改革。

  三、教学改进措施

  (一)教学组织的改革

  传统的电机调速与控制课程设计实施安排过于集中,且与日常教学相脱节,学生在学习理论知识后不能马上通过实践巩固,不能较好地达到课程设计应有的效果[6]。针对该问题,将课程设计实践环节按照工程项目管理中的任务目标分解的方式,结合到理论课程的教学工作中。在学期开始时即布置总体设计任务,并且在理论课程各个章节讲授中布置分解任务,如讲授绪论,可让学生开展关于目前工业应用的电机及其驱动器的调研,了解关于驱动器拓扑及功率器件型号、控制板和驱动板的器件选型等方面内容;在较宽裕的学期安排中,可提前布置学生熟悉相关的仿真软件以及电路设计软件;在讲授第三章关于转速电流双反馈电机调速系统时,布置的作业可与学生要开展的设计题目结合,学生在理论课程学习时可完成参数计算,减轻之后的设计工作量。通过这种以学生学习为中心全周期的工程实践培养模式,既加深了学生对理论知识与课程设计实践的关联性,同时也使得整个课程设计开展在相对轻松的氛围下进行。

  (二)课程设计题目的改革

  在课程设计题目的改革方面,经过高校教师、企业专家共同参与的培养方案修订研讨会,将课程设计名称变更为基于电路设计软件的电机控制系统课程设计,并以学生发展为中心,设计具有挑战性的教学目标和教学内容,使实践教学内容与时俱进。课程设计的目标为中小型直流、交流电机控制系统设计驱动电路,通过设计掌握中小型电机驱动方法及电路设计软件的使用。在课程设计的目标对象电机上,与实际工程应用更加贴合,选取了工业制造应用的实际电机参数。要求学生根据电机的工作原理,分析电机驱动的基本形式,完成驱动电路的方案设计,主要包括:主电路拓扑、直流母线电压等级、整流电路、滤波电路、斩波电路、电流检测电路、转速/位置检测电路等,并利用辅助设计软件绘制驱动电路原理图、布板,撰写设计总结报告。报告内容主要包括:设计目的与要求、系统技术指标或设计要求、系统控制方案、器件选型、硬件工作原理及有关参数计算、主要参考资料及心得体会。差异化的课程设计题目,既可以让学生形成分组讨论,又不容易陷入固有模式。

  (三)开发性的设计工具

  此前的课程设计使用单一的设计软件,原因是课程设计题目和教学内容的局限性。由于改革了教学目标和内容,学生在课程设计实施过程中可使用多种工具,如参数计算与模型仿真时可使用MATLAB,硬件电路原理设计与布板布线时可使用AltiumDesigner、Protel、KiCad等,在虚拟仿真时可使用Protues,在控制软件设计时可使用Keil、CCS等不同处理器平台的开发环境。这种开发的方式,不强制学生使用何种工具进行开发,可以激发学生探索的热情,开展自主性深度学习,并投身到更具挑战性的工程实践中。

  (四)与工程实践接轨

  课程设计的改革在专业基础上,结合新工科发展趋势,注重学科交叉和综合性;在理论学习基础上,加强学生动手方面的训练,增强学生工程、成本和项目管理意识,提高学生解决复杂工程问题的能力。例如,通过课程设计期望学生掌握电机调速系统的功能需求、标准、电路设计与器件选型以及控制算法仿真和软件编写;并熟悉项目开发的一般流程、工程文档的编制。课程设计不仅可以增强学生的动手能力,也在一定程度上增加了学生的行业认知,毕业后可更快地投入工作中。

  (五)注重专业融合

  课程设计的改革,更加注重专业内的融合[7]。如在电机调速系统拓扑的设计上结合了电力电子技术课程中的PWM变换器与逆变器部分;在硬件设计上结合了模拟电子线路与电路;在数字化控制技术方面,对于微处理的应用结合了数字电路与单片机应用技术;在电机控制软件的实现上,结合了自动控制理论内容。通过一个完整的实践训练,学生能更加理解专业内课程的联系以及其应用场合,并且能够以学习效果为中心,进行有效检验与实施,并形成性教学评价。

  四、实施效果

  本课程设计从教学组织形式、教学目标、教学内容等方面进行了改革,并从2018—2019学年起在电气工程及其自动化专业2016级两个班进行了试点,至今已开展实施2年,学生的评教有显著提高,相应的理论课程的学习效果也有所提高,学生的动手与工程能力也明显提升,学生去往相应的工作单位已初步具备行业认知,可以更快融入工作。图1、图2为学生开展课程设计提交的PCB设计图与硬件设计原理图。

  五、持续改进

  虽然在电机调速与控制的课程设计改革中取得了一定的效果,但是根据工程教育认证的思想将进一步进行反思与持续改进。首先,在接下来的课程建设中将更加注重全过程的培养,力图培养学生发现问题、文献调研、理论分析、仿真验证、实验求证,最终解决复杂工程问题。目前课程设计在实验求证环节上仍然有所欠缺。将来在电机控制系统的驱动设计上,采用模块化电路引导学生进行电路设计、参数选型、焊接与调试,综合应用所学理论知识和方法逐一分析解决电路调试过程中遇到的问题;要求学生进行系统搭建电路、数字控制及性能指标优化,在系统调试中锻炼学生团队合作、沟通交流、项目管理及解决复杂问题的能力。其次,可从提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神的角度出发,通过课程设计实践环节的实施,结合全国大学生电子设计大赛、挑战杯、大学生互联网+创新创业大赛、国家级和省级大学生创新创业训练计划项目等拟定课程设计题目,以期产生相应的大学生双创成果,有助于专业和学科建设。最后,不管是此前还是现在的课程设计实施中,尚缺乏有效的反馈机制[8]:学校和学院层面针对课程制定了各项教学管理质量标准和教学管理文件汇编,但此部分属于顶层框架;目前的反馈大都是过程中的师生互动,但是在课程设计结束后对于该届学生的效果评价以及对其师生在本专业领域其他课程的持续改进缺乏有效的闭环。对于课程设计实施存在的问题信息收集不全,无法全面提供任课教师、专业教研室、教学委员会作为课程建设持续改进的参考依据。因此,亟待建立一个全面衡量学生能力的体系和标准,为课程设计按照工程教育专业认证进行持续改进提供有力的支撑的评价反馈机制。

  作者:王荣坤

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