机电一体化控制系统设计探索

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摘要：新工科建设对机电专业人才培养提出更高的目标和要求。机电一体化控制系统设计对培养机电专业复合型人才具有重要意义，但也存在教学难度大、教学效果欠佳等问题。课题组通过研究案例教学的设计策略，选取矢量控制器作为教学案例，采用TI公司的开发套件作为教具，实现理论教学和实践教学一体化，达到较好的教学效果。

关键词：机电一体化；矢量控制；案例教学

随着智能制造、人工智能等新技术、新产业的出现以及新工科建设的需求，培养具有工程实践能力和创新能力、具备国际竞争力的复合型人才，已成为工科专业人才培养的共识[1-2]。在此背景下，江苏大学机械电子工程专业新开设机电一体化控制系统设计课程，将先前的机电一体化设计和机电伺服技术的核心内容进行综合和拓展，强调从系统的观点出发，将机械和电子技术有机结合，构造机电控制系统，其技术可广泛应用于工业自动化、智能制造、人工智能等领域。机电一体化控制系统设计需要系统学习机械、传感与检测、伺服控制等多学科知识，熟悉机、电、液、气一体化系统的设计与应用，掌握一体化控制系统的接口、精度设计和可靠性等系统总体技术。该课程内容丰富、学科交叉多、理论和实践性强、创新要求高，如何不断提高教学质量，培养学生的理论和实践能力，是该课程教师一直努力研究的课题[3]。结合该课程特点，授课教师大多采用案例教学法。但以往的案例教学更多的是针对单个独立的知识点，很难做到系统运用，教学效果不佳。为此，课题组针对现有问题，对该课程案例教学策略进行研究，设计一套可供拓展并具有很强实践性的教学案例及教学方法，达到较好的教学效果。

1以往案例教学存在的问题

案例教学法是通过设计合理的教学案例，把理论知识、分析设计能力、实践能力培养等教学内容融入其中，引导学生自主探索、分析、解决案例中包含的科学和技术相关问题，从而掌握相应的理论知识和实践能力。由于课程的自身特点，在以往案例教学的过程中存在诸多问题，导致教学效果不佳，主要体现在以下几个方面。

1.1案例单一，系统性不足

机电一体化控制系统设计内容涉及多个学科，讲课时往往分章节讲授，针对不同内容选取对应的案例教学。如讲传感器时，会选取旋转变压器相关的案例；讲授电机控制时，会选取直流电机调速系统的案例。这种方式将各个知识点进行人为分割，不能建立系统联系，教学效果不佳。

1.2案例理论性不强

电梯是机电一体化案例教学时常用的案例[4]，其具有一定的系统性，而且学生喜闻乐见，易于接受。但由于电梯行业的多样化和自身商业属性，电梯案例过于工程化和模块化，许多理论知识无法深入展开。例如：曳引机采用的是异步电机还是同步电机？是电励磁还是永磁？电机采用何种控制策略？由于行业细分太多，很难给学生一个统一的答案。一定程度上使案例流于表面化，对核心知识涉猎不够。

1.3案例创新性不够

直线一级倒立摆也是机电一体化课程教学中经常推荐使用的案例[5]，它把机械模型、控制理论和计算机技术有机地结合在一起，能很好地反映机电一体化的特征，但在新工科建设背景下，该案例的新颖性和创新性略显不足。因此有教师提出采用机器人的案例[6]，该案例固然体现出创新性，但由于内容过多、硬件成本高等问题，推广受到限制。

2案例设计策略

针对上述问题，授课教师对该课程的教学案例设计策略进行研究，分别从内容选取、教学实施、拓展创新等方面给予明确规划。

2.1内容选取

案例内容的选取是开展案例教学的第一步，以高素质复合型新工科人才培养为目标，在知识的理论性上，案例必须赋能人工智能、智能制造等新一代信息技术知识结构，而且具有较强的系统性，不能是单一的应用案例；在实践性上，案例必须有较好的工程价值和可操作性，方便在教学过程中培养学生的实践能力、协作能力以及专业工具的使用能力；在创新性上，要求所选案例能培养学生的自主创新能力以及国际竞争力。综合上述思路，梳理课程教学内容，发现矢量控制器是很好的教学案例，目前工业领域中大量应用的变频器、伺服控制器等产品，其核心就是矢量控制技术，此类技术和产品长期以来被ABB、西门子等国际大厂垄断，国内人才相对缺乏。

2.2教学实施

在确定好案例内容后，还需要充分考虑案例的教学实施：1）该案例要尽可能地覆盖该课程的知识点，便于理论知识的讲授；2）案例还需要有很好的工程实践性，能设计动手实践环节，方便学生参与其中。可构建如下案例教学流程：提出问题—分析问题—学习知识理论—设计求解模型—实践检验—明确结论。在这一过程中，学生通过学习知识去解决实际问题，并在实践中强化知识和训练能力。在矢量控制的案例教学中，可开发相应的实验教具，让学生参与实践，目前市面上此类教学工具或开发套件比较丰富，可选性大。案例教学使学生会采用矢量变换的方法解决控制问题，通过编程和仿真增强对矢量控制的理解并得到实践锻炼。

2.3拓展创新案例的教学

不仅限于案例本身，要能够举一反三，让学生把该案例的解决方法用于其他问题，这就需要在设计教学案例时充分考虑案例的可拓展性和创新性。仍以矢量控制为例，学生在掌握矢量变换的原理后，需要进一步运用该理论实现异步电机的矢量控制、同步电机矢量控制、最佳转矩电流比控制、直接转矩控制等；在实践拓展方面，学生可自主开发矢量控制的软、硬件系统，甚至开发专用的矢量控制器，工程能力得到极大的训练。

3矢量控制器案例教学实践

基于上述分析，教师在教学实践中采用矢量控制器作为教学案例，该案例很好地将知识点进行串联，理论知识丰富，工程实践性强，便于后期拓展。为配套案例教学，选取TI公司官方推出的TMDSHVMTRPFCKIT开发套件作为教具，该套件提供一套完整的电机控制软硬件，包含DSP控制电路、功率驱动电路、控制程序以及开发软件，还可以选配对应的电动机，技术资料丰富，直接面向应用，对培养学生的工程实践能力很有帮助。

3.1理论教学

矢量控制技术的知识体系涵盖电机原理、自动控制技术、电路设计、嵌入式系统开发、矢量控制技术、电力电子与电力驱动技术、传感器与检测技术，基本覆盖全部教学要求，在理论教学时可以逐一讲解最后集中归纳，具有很好的系统性。借助TMDSHVMTRPFCKIT开发套件中的技术资料，学生进一步加强永磁电机、同步电机运行原理、磁场定向控制、矢量控制基本配置、数字信号处理器在电机控制上的应用等理论知识的认识，其中大量直接面向应用的图文解释，如电动机的工作原理、矢量控制原理及仿真框图等，可有效增强学生对理论知识的理解和掌握。在教学实践中，作为对理论知识的检测，采用课后作业的形式，要求学生对相关的控制策略进行仿真，通过仿真结果来检验学习效果。

3.2实践教学

借助开发套件，在进行理论教学的同时，灵活开展实践教学。教学内容包含电机的开环控制、闭环控制、磁场定向控制、位置伺服控制等。该开发套件提供开环和闭环控制时的软件框图和代码，只需设置相应的外部电路和软件模块，就可实践操作，并通过输出端口在线观测控制结果。

3.3拓展训练

矢量控制器开发套件是一个开放的软、硬件系统，针对教学内容进行知识讲授和实践能力培养的同时，还可以借助该系统对学生进行拓展训练。利用该系统平台，不仅可以开发电机驱动器、伺服控制器、机电液伺服系统等，还可以开发配套的上位机通信和检测软件，实现对控制系统的在线监测与控制。结合教学案例和开发套件，在实践教学过程中，组织学生开发永磁同步电机通用矢量控制器以及上位机调试和监测软件，如图1所示。该永磁同步电机通用矢量控制器及调试系统构成完整的电机驱动和测试平台，同时也是创新、开放的教学平台。学生通过修改电机及控制参数实现对不同电机的矢量控制，也可基于该硬件平台，开发新的控制策略，如力矩控制、位置伺服控制等，方便二次开发和系统升级。通过以上实践，学生基本具备面向该行业应用的自主开发能力。

4结束语

机电一体化技术作为我国先进制造技术的重要支撑，也是推动智能制造、人工智能发展的重要力量，在新工科建设背景下，机电一体化控制系统设计以培养具有国际竞争力的复合型机电人才为目标，意义重大。该课程既要讲授多学科的理论知识，又要重点培养学生的实践动手能力，适合采用案例教学。本课题教师通过经验总结、内容梳理、精心策划，设计一套可供拓展并具有很强实践性的教学案例及教学方法，实践表明其具有良好的教学效果，有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]戴敏,曾励,周建华.机电一体化课程案例教学研究[J].中国教育技术装备,2018(14):58-59,64.

[2]于微波,杨宏韬,董博.新工科背景下自动化专业人才培养方案研究与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估),2021(10):1-2.

[3]许宇翔,郝利峰,郑慧萌,等.“机电一体化系统设计”混合式教学模式改革[J].教育教学论坛,2020(17):210-211.

[4]赵月静,李红彦,任有志,等.电梯案例教学在《机电一体化系统设计》课程中的应用[J].教育教学论坛,2017(35):175-176.

[5]徐洋,盛晓伟,孙志军,等.基于案例教学的机电系统控制实验探讨[J].当代教育实践与教学研究,2019(5):188-189.

[6]徐洋,孙志军,孙志宏,等.基于案例的《机电系统设计与控制》课程教学探讨[J].当代教育实践与教学研究,2019(8):85-86.

作者：黄平林 钱鹏飞