面向工程實踐的運動控制系統綜合訓練改革

包廣清，吳延明，楊新華

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

“運動控制課程群”是本科電氣自動化專業人才培養的課程體系中內容相互關聯且獨立完成電力傳動功能的課程集群，由“電機與拖動”、“電力電子技術”、“電氣控制”以及“交直流調速系統”等核心課程組成。運動控制綜合訓練是培養學生綜合應用運動控制課程群各專業基礎理論、解決運動控制系統實際工程問題的重要環節，然而傳統的理論授課和實踐模式不能較好地解決因課程概念公式繁多、理論抽象、信息量大以及綜合性強等因素帶來的學習困難，尤其是造成了綜合訓練教學理論化甚至形式化的尷尬局面。

近年來，針對運動控制綜合訓練教學改革問題，國內外大專院校進行了廣泛探討，提出了特色鮮明且卓有成效的改革方案［1－3］，并充分利用仿真軟件，在理論分析之后對運動控制系統進行仿真分析，使學生直觀地看到系統運行結果，增強學生對教材內容的理解度和認知度［4－6］，另外，以學生為主體、以教師為主導的項目教學法也引起廣泛關注［7］，通過任務驅動，激發學生進行自主探索和互動協作的學習狀態。本文提出面向工程實踐的運動控制綜合訓練方法，并以學院教師所承擔科研項目相關的風電動模（風力發電動態模擬）平臺建設為典型案例，對項目各環節設計、教學組織實施以及學生學習評估等內容進行全面介紹。

1 訓練內容規劃

運動控制系統綜合訓練的目的是使艱澀難懂的理論知識直觀化并具可操作性，需要圍繞知行合一的理念來重構訓練的各個環節。首先，在時間安排上，可以采取集中或分散2種方式進行，即直接在本科三年級第2學期運動控制系統課程結束之后的2～3周時間內集中完成，或者在不影響常規課堂教學的前提下，在本科四年級第1學期的10周時間內，主要利用開放實驗室在課余時間分散進行，目前國外大學多采用此方式。其次，在科研項目的基礎上凝練綜合訓練內容。

近年來，可再生能源發電技術研究引起了廣泛關注，根據承擔國家自然科學基金項目、甘肅省科技支撐計劃項目以及甘肅省電力科學研究院等項目的相關科研工作積累，并結合電氣自動化專業本科生培養目標，設計了風力發電動模系統綜合訓練任務，如表1所示。該系統能夠進行風力機模擬并實現同步發電機并網運行，主要由監控系統、控制系統、隔離變壓器、拖動變頻器、直驅變流器、永磁同步發電機、三相異步電動機以及相關電氣開關等組成。訓練主要包括理論分析、設計調試和運行測試3部分內容。系統設計任務包括控制系統、功率驅動系統和電動機以及負載機械等環節的設計與搭建，具體包括功率單元的拓撲結構與模塊選擇，電流、電壓與速度等信號檢測，觸發電路和輔助工作電源設計，電機專用微控制器、嵌入式開發系統以及相關軟件編程學習等，幾乎涵蓋了運動控制系統課程群的所有教學內容，表1給出了具體的任務分配表。整個風電機組模擬系統包括4個子系統，即發電機變流器系統、風力機模擬系統、控制系統以及監控系統。考慮到綜合訓練課程的時間和班級人數限制，將監控系統設計作為備選內容，表1沒有明確說明其功能要求，由學有余力的學生自主設定并完成。另外在分配過程中，突出個性化整合模式［8］，即學生可根據自身的興趣、特長和未來發展方向選擇相關子系統，這樣更能調動學生學習的積極性，提高學生的創新意識和創新能力。

表1 綜合訓練任務分配

2 系統原理與設計

由圖1所示系統結構框圖可知，該綜合訓練系統主要體現電氣自動化專業知識的“四結合”，即電力與電子線路結合、模擬與數字控制結合、軟件與硬件結合、元件與系統結合，從而實現了運動控制課程群核心內容的銜接與整合。

圖1 直驅式風電動模系統結構框圖

2.1 拓撲結構

圖2是直驅式風電動模系統電氣原理圖，通過主控系統給定變頻器轉速，變頻器控制拖動電機旋轉來模擬風力機。直驅機組變流器由機側變流器和網側變流器2部分構成，機側變流器連接發電機定子，網側變流器連接電網，通過全功率逆變器向電網送電。發電機產生幅值、頻率均不恒定的交流電，通過機側變流器整流為直流電，經直流支撐電容穩壓后輸送至網側變流器，控制系統通過PWM控制技術將直流電轉換為頻率和幅值穩定的交流電饋入電網［9－10］。主控系統控制系統的啟動、停機以及按照給定的風速曲線控制系統運行，通過監控軟件實現友好的人機交互。系統控制的運行模式分為自動控制和手動控制2種模式，PLC模塊通過RS485與拖動變頻器通信，并通過RS232與變流器和裝有監控軟件的PC機通信，實現系統監控。

圖2 直驅式風電動模系統電氣原理圖

2.2 技術參數

系統額定容量10kVA，電網頻率允許變化范圍47.5～51.5Hz，電網電壓允許變化范圍380±5%V，電網電壓允許諧波畸變率＜2%，電網電壓允許不對稱度≤2%（負序分量對正序分量的百分比），變流器額定電流15A，最大連續操作直流電壓750V，額定連續直流電壓700V，功率模塊電壓等級1 200V，開關頻率5 kHz，采用強制風冷的冷卻方式。發電機測速采用線數為1024的增量型脈沖編碼器，雙絞屏蔽線，通過推挽式差分信號實現碼盤信號傳輸。電機部分技術參數為：拖動電機22kW，額定電壓380V，2對極；永磁發電機12kW，轉速范圍：0～200r／min，環境空氣溫度－5～＋40℃，絕緣等級F級，強制風冷，連續工作制；齒輪箱變比為8.39∶1。

圖3是樣機實驗系統實物圖，監控系統基于Windows平臺開發，能夠實現拖動電機轉速、發電機轉矩、有功功率、無功功率、電網電壓、電網電流以及發電機定子的電流、電壓和功率等數據顯示與監控。

3 運行與測試

圖3 樣機系統實物圖

在完成系統設計與搭建的基礎上進行系統實驗，主要測試系統在啟動、停機、加載、減載及額定運行條件下的關鍵參數波形及系統運行性能，測試儀器主要有：泰克DPO3014示波器、FLUKE i200s電流鉗、泰克P5200差分探頭、FLUKE218c萬用表、CA8335電能質量分析儀等。圖4是啟動過程中網側電壓、電流波形、發電機定子電流波形。直流母線電壓波形采用預充電控制，避免了因電壓變化造成的功率元件損壞。圖5是系統額定運行時的網側電壓、電流和定子電流，具有較好的正弦度，與仿真結果吻合。在圖5的基礎上圖6中給出定子電壓波形，能夠看出功率元件的調制作用，同時定子電壓與電流相位一致。通過電能質量分析儀對系統饋入電網的能量進行測試，結果顯示變流器網側電流THD＝2.8%＜5%，功率因數0.98，完全符合風電入網要求，說明該模擬系統可以較好地實現電能轉換功能。

圖4 系統啟動實驗波形

圖5 電網側額定運行波形

圖6 發電機側額定運行波形

由于傳統教學的課程實驗內容相對獨立，且以驗證性實驗為主，學生通常很少有機會能夠系統、完整地參與綜合性工程項目的設計與測試［11］，因此，本系統實驗環節在提高學生動手能力的同時，可以實現與有關職業資格考試或未來職業崗位的有機銜接。

4 學習評估

運動控制系統綜合訓練是電氣自動化專業的核心課程之一，主要涵蓋了電力電子技術、自動控制原理、電機學、計算機控制技術和軟件工程等學科知識，是一門將基礎理論與專業軟件應用于工程實踐的典型課程，既有完整的理論體系，又有很強的實踐性［12－13］。

通過對我校2010級電氣專業三年級本科生采取分散式教學實踐，在學期末進行綜合訓練教學評估。主要從知識銜接、綜合創新、團隊協作以及職業技能提升等幾方面，對一個自然班共計30位學生展開問卷調查。在表2評估結果中，評估等級采用五級分制，5分表示完全贊同，0分表示堅決反對。從表2看出，以工程項目為導向，從系統設計與搭建、綜合創新、仿真分析、運行與測試、成果總結與提升等幾方面，能夠較好激發學生的學習熱情。同時，對低年級學生也提出了更高要求，只有在前期課程學習中打下堅實基礎，才能在綜合訓練中取得預期效果。

表2 學生對綜合訓練學習評價調查

在風電機組動模系統中，風力機模擬與發電機并網控制是整個系統的核心，其所依托的理論和技術基礎并不限于運動控制系統，而是形成了機械、電子、材料等多學科滲透、交叉甚至融合的現象，通過本系統綜合訓練，在拓寬專業知識面的同時，有助于提高學生的專業素質和就業適應能力。同時，把科研成果融入訓練過程，推動實踐教學向高、深層次發展也是大學本科教學發展的必由之路。

5 結束語

近年來，國際風電技術已經取得了突飛猛進的發展，我國甘肅酒泉風電基地正在向千萬千瓦級邁進。通過基于風電動模系統的綜合訓練過程，有助于學生深入理解風電系統的機電能量轉換過程，也為今后更好地利用地區風能資源、推進風電技術攻關以及風電機組運行維護人才培養等奠定基礎。

現代運動控制系統已廣泛應用于軍事、航空航天、工農業生產、日常生活等多個領域，是現代社會發展的重要支柱之一。如何合理、有效、經濟地利用電能，提高勞動生產率，將對運動控制系統相關理論的學習繼承和創新設計提出更高要求。

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