機電傳動與控制開放式綜合實驗平臺開發及實踐教學應用

許 明， 倪 敬， 孫 珺， 陳國金

(杭州電子科技大學 機械工程學院，杭州 310018)

機電傳動與控制開放式綜合實驗平臺開發及實踐教學應用

許 明， 倪 敬， 孫 珺， 陳國金

(杭州電子科技大學 機械工程學院，杭州 310018)

針對機電傳動與控制課實踐教學中普遍存在的課程知識體系樹不明晰，課程部分理論及實驗環節與工程實際聯系不緊密，課程實驗設計性和創新性不明顯，實驗平臺開放和利用效率不夠高等問題，將CDIO工程教育模式融入課程實踐教學，開發綜合實驗平臺，該平臺突出“一個核心、兩個要素和三層次實踐”，即以培養學生應用能力為核心，以電機和控制為兩個要素，以基本實驗(“看中學”)、設計性實驗(“做中學”)和開放型實驗(“用中學”)構成三層次實踐。該綜合實驗平臺具備開放性、模塊化、易集成擴展等特點，不僅能為本科生的課程實驗服務，還能滿足本科生競賽、研究生工程設計能力實踐學習等需求。實踐證明該實驗平臺能夠有效激發學生的學習興趣，加深對機電傳動與控制的理解和掌握程度，與工程實際有較好的對接，鍛煉了學生的系統設計及綜合應用開發的能力。

實踐教學； 機電傳動； 綜合實驗平臺； 三層次實踐； 工程教育

0 引 言

機電傳動與控制課程是工科院校機械類本科專業中培養學生機電一體化設計能力和創新能力的一門重要專業課，是大學生從事機電產品設計的主干技術課程，該課程的突出特點是非常強調動手實踐進行產品設計和研發[1-5]，整個實踐教學是本課程教學中的重要一環，是促進學習興趣、加深知識點理解、鍛煉動手能力和提升系統設計開發能力的有效載體。但在課程的多年教學過程中，發現普遍存在課程知識體系樹不明晰，課程理論和部分實驗環節與工程實際聯系不緊密，課程實驗設計性和創新性不明顯，課程實驗平臺開放和利用效率不夠高等問題[1-11]。① 課程的知識體系樹不明晰，實踐教學重點不突出。傳統教學及實踐基本從機電傳動系統動力學方程開始，然后直流電動機、交流電動機、控制電動機、繼電接觸控制、PLC控制等，學生在學習及實踐過程中抓不住有效溝通各塊內容的主線，從而孤立學習，沒有有效連接各知識點而形成系統概念；② 課程部分理論及實踐內容與工程實際脫節，例如交流電動機的改變轉子回路電阻調速等，但為追求理論體系的完備性，課程實驗不僅包括這些脫節內容，還將其作為重點，學生的工程實踐應用能力得不到提升；③ 課程實驗項目側重驗證性而輕設計性和創新性，該課程實驗一般由專職實驗教師負責，在教學實驗室內完成，學生在實驗時僅需按規定的步驟操作，簡單接線及驗證即可，未能有效結合各內容模塊，從而導致為實驗而實驗，沒有培養起系統設計和實際工程應用的能力；④ 現有實驗平臺一般僅針對本科生課程實驗，利用效率不高，而且不具備開放性，不能完成課程之外的創新性實驗要求。

針對上述實踐教學中存在的問題，本文將CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate，構想-設計-實施-操作)工程教學模式滲透到課程實踐教學中，開發綜合實驗平臺，突出“一個核心、兩個要素和三層次實踐”，即以培養學生應用能力為核心，以機電傳動與控制課程的電機和控制為兩個要素，以基本實驗、設計性實驗和開放型實驗構成三層次實踐。該綜合實驗平臺具備開放、易集成擴展等特點，不僅能為本科生的課程實驗服務，還能滿足本科生競賽、研究生工程設計能力實踐學習等需求。該綜合平臺的總體設計方案、組成原理以及相關實踐教學組織情況及其效果如下。

1 綜合實驗平臺的總體方案

根據課程教學團隊近10年的教學實踐與經歷，以及對課程知識點內容的精煉，總結得到了符合課程大綱要求的知識樹體系結構，如圖1所示[1]。

圖1 機電傳動與控制知識樹體系結構

課程圍繞電動機及其傳動控制，從基本動力學方程出發引申出機電傳動方程，即電動機驅動轉矩、負載轉矩、轉動慣量、轉速之間的關系方程。然后從電動機轉矩特性出發，引出目前在工程實際中廣泛使用的直流電動機、交流電動機、步進電動機以及伺服電動機，說明它們的工作原理，以及啟動、調速、制動特性。最后，結合工業生產中的主流控制方式——繼電接觸控制和PLC控制，對機電傳動系統進行控制。從上述分析可以看出，課程知識點已經能夠有機聯系起來，從機電傳動方程的基礎理論出發，到兩大要素——電動機(直流電動機、交流電動機、步進電動機、伺服電動機)和控制(繼電接觸控制、PLC控制)的原理及工作特性方式，最后運用所學知識對機電傳動系統進行系統設計及應用開發。可以看到，上述知識體系結構將課程各知識點進行了有機銜接，便于學生在實踐學習中抓住主線，培養系統意識。

按照功能特性劃分，可將該綜合實驗臺劃分為圖2所示的5個功能模塊：4個電動機實驗模塊、1個基于PLC和繼電接觸控制的控制模塊，4個電動機實驗模塊與控制模塊之間僅有線纜連接，這樣既便于實驗平臺的集成及擴展，又符合機電傳動控制領域的技術要求。

圖2 綜合實驗臺結構原理

圖3所示為本綜合實驗平臺的三層次實踐組成，基礎性實驗——“看中學”，設計性實驗——“做中學”，開放型實驗——“用中學”。該綜合實驗平臺不僅將CDIO的教學理念科學合理的融入到實踐教學中，提升本科生課程實驗的設計性和創新性，還能夠為本科生競賽、研究生工程能力培養服務。在教學方式上，三層次實踐環節以實踐小組的形式進行研討式實踐，通過小組研討，調動每位同學的參與性[13]。

圖3 綜合實驗平臺的三層次實踐

2 綜合實驗平臺的具體構成

綜合實驗平臺包括5個功能模塊。

(1) 控制模塊。控制模塊采用PLC為主控制器，結合空氣開關、接觸器、繼電器等繼電接觸控制元件，對各電機實驗模塊進行控制及運行狀態的監視，是綜合實驗平臺的核心。

PLC是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)的簡稱，在工程自動化方面應用極其廣泛。考慮到目前國內工程實際中采用西門子PLC的較多，所以綜合實驗平臺以西門子S7 200系列PLC中的CPU224XP為例，通過實驗來讓學生接觸PLC在機電傳動控制中的應用。CPU224XP 是西門子公司的小型CPU，該機集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或38路模擬量I/O點，滿足一般小型自動控制系統的需求[12]。部分實驗項目如表1所示。

表1 控制模塊部分實驗項目

控制模塊采用工程應用廣泛且功能完備的西門子CPU224XP為主控制器，并結合繼電接觸控制系統，構成機電裝備、產品生產線等工程實踐中典型的控制系統，通過該控制模塊的三層次實踐，加深了學生的電控系統設計及應用能力，復雜工業控制問題的分析及實現能力等。

(2) 直流電動機模塊。直流電動機以其調速性能好和啟動轉矩大等優點，被廣泛應用于生產制造、交通牽引、電動玩具等各個方面。結合直流電動機的發展趨勢，綜合實驗平臺的直流電動機模塊不僅包括傳統的有刷直流電動機，還包括日益發展的無刷直流電動機。通過滾珠絲桿滑臺負載的連接，不僅可進行直流電動機啟動、調速、反轉、制動等基本實驗。還針對自動化設備及生產線中重要的基礎部件——多自由度機械臂，利用直流電動機進行驅動實驗。此外，開發一些開放性實驗項目，如直流電動機驅動器，來鍛煉學生的知識綜合應用能力和創新思維。表2為直流電動機模塊部分實驗項目。

表2 直流電動機模塊部分實驗項目

(3) 交流電動機模塊。交流電動機的結構簡單、制造方便、容量大，已經成為工業企業最廣泛使用的電動機。結合繼電接觸控制或PLC控制，進行交流電動機的啟動、反轉、調速、制動等實驗。考慮到工程實際中基本采用變頻器來對交流電動機進行調速，因此綜合實驗平臺也通過變頻器來對交流電動機進行調速實驗，擯棄簡單的接線及驗證性實驗模式，在綜合實驗平臺上，學生要從負載形式及要求開始，進行相關計算、元件(變頻器、交流電動機)選型及電氣接線圖設計并接線，并在PLC上編程實現交流電動機的調速要求。此外，設計了一些開放性創新性的實驗項目，例如如何制作簡易型的變頻器等。交流電動機模塊部分實驗項目如表3所示。

表3 交流電動機模塊部分實驗項目

(4) 步進電動機模塊。步進電動機具有快速啟停，無需閉環控制就能實現高精度定位，價格便宜等優點，在需要精確定位的自動化生產線、精密機械等場合得到了廣泛的應用。綜合實驗平臺的步進電動機模塊包括步進驅動器和步進電動機，負載對象是滾珠絲桿滑臺，進行步進電動機的啟動、調速、反轉、定位等實驗。除此之外，設計一些開放性創新性的實驗項目，例如如何制作步進驅動器等。步進電動機模塊部分實驗項目如表4所示。

表4 步進電動機模塊部分實驗項目

(5) 伺服電動機模塊。伺服電動機由于其調速性能好、控制精度高等優點，更適合應用于精密驅動等領域。結合PLC控制模塊，進行伺服電動機的調速實驗。鑒于三菱的伺服驅動系統使用較多，因此擬采用三菱的伺服電動機及伺服驅動器。除此之外，設計了一些開放性創新性的實驗項目，例如如何設計伺服驅動器等，還可引導學生了解并熟悉機器人中廣泛使用的舵機，并比較舵機、步進電動機、伺服電動機等的相同和不同點。表5為伺服電動機模塊部分實驗項目。

表5 伺服電動機模塊部分實驗項目

上述4個電動機實驗模塊都采用技術成熟且廣泛使用的電動機及驅動部件，與工程實踐的聯系十分緊密，并通過三層次綜合實踐的體系架構，使得學生不僅能夠掌握常用電動機的原理、使用方法，還可以通過CDIO工程教育理念滲透式的設計性實驗，讓學生接觸并逐步提高機電系統的構思能力、設計能力、實施能力、調試能力、文檔撰寫能力等，并通過開放型實驗，鍛煉知識綜合運用能力及創新思維。

3 綜合實驗平臺的實踐教學組織

本文所開發的綜合實驗平臺定位為教學科研開放式平臺，具備模塊化、開放性、易集成擴展等特點，不僅能為本科生的課程實驗服務，還能滿足本科生競賽、研究生工程設計能力實踐學習等需求。下面從這3個方面來簡要說明該綜合實驗平臺的實踐教學組織及利用情況。

(1) 本科生課程實驗。課程實驗依據“工程實際應用、工程電氣圖紙和工程項目管理模式”的三進原則進行設計和安排，采取小班化分組型實驗模式，將一個教學班級30～40人分為8組，每組3～5人，設組長1名，分組分人在綜合實驗平臺上進行課程實驗。在綜合實驗平臺的基礎上，從學生和教師的角度分別進行課程的實驗教學組織(如圖4所示)。并且將研討式教學方式貫穿于實驗準備、實驗過程和實驗結果處理的全過程中，注重理論知識與工程相結合的研討，注重自學和互學，實施主講、補充、相互提問和教師補充的實驗研討教學模式。

圖4 綜合實驗平臺上的本科生實驗教學組織

(2) 學生競賽的開放式平臺。該綜合實驗平臺涉及到機電傳動及控制領域的多個方面，在本科生實踐教學之外的時間，可作為學生競賽的開放式平臺。預約使用后，在指導教師的協助下，進行競賽相關的機電傳動及控制方面的實驗。基于該綜合實驗平臺，作者指導的學生連續在第十三屆和第十四屆挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽中獲得國賽一等獎。

(3) 研究生工程能力培訓。由于研究生的生源多樣化，各本科學校、各專業在機電傳動控制課程的實踐教學方面有種種差異，從而使得有些研究生進入實驗室之前，缺少機電傳動控制相關的讀圖能力、設計能力、實踐能力等[14-15]。為此，針對研究生工程實踐能力培養的需求，基于綜合實驗平臺進行相關的設計性實驗及開放型實驗，提高研究生的綜合分析、系統設計和工程調試能力等。

4 結 語

該綜合實驗平臺由專業教師基于機電傳動的工程實踐能力培養而開發，涵蓋課程主要知識和技能，并減少驗證性實驗，加大設計性實驗和開放型實驗的比例。通過設計性實驗和開放型實驗，鍛煉學生的綜合分析能力、實驗動手能力和在工程實踐中發現問題、分析和解決問題的能力，培養學生嚴謹求實、探索創新、團結協作的精神。在該綜合實驗平臺推出的近4年里，對本科生和研究生工程實踐能力培養起到了良好的促進作用：在讀本科生及研究生普遍認為該實驗平臺的功能完備，通過綜合實踐使得對機電傳動控制的理解和掌握更為深入，設計能力和綜合應用能力得到了鍛煉；已畢業學生及用人單位普遍認為該綜合實驗平臺與工程實踐緊密對接，通過在實驗平臺上的實踐和鍛煉，學生進入企業后在較短時間內都能適應和勝任機電裝備、生產線等的機電傳動系統設計、調試等任務。

[1] 倪 敬，許 明等. 機電傳動系統與控制[M]. 杭州：浙江大學出版社，2015.

[2] 郭西進，任良才，耿乙文，等. PLC綜合實訓平臺的設計與實現 [J]. 實驗室研究與探索，2011,30(6): 162-165.

[3] 曾新紅. 電機機械特性仿真分析系統開發 [J]. 實驗室研究與探索，2012,31(10): 201-203.

[4] 黃文濤，趙學增. 機械工程學科應用型研究生實踐教學平臺的建設及應用 [J]. 實驗室研究與探索，2011,30(8): 143-146.

[5] 韓燕娟，張寶輝，胡立如. 基于互動的研究生參與式教學設計與實施效果分析[J]. 研究生教育研究，2016, 31(1): 36-43.

[6] 梅 怡，梁貴萍，林 蕓，等. CDIO教學模式在“液壓與氣壓傳動“課程教學改革中的實踐 [J]. 貴陽學院學報(自然科學版)，2014,9(4): 71-77.

[7] 倪 敬，許 明，陳國金.機電傳動控制課程教學模式改革研究，教育教學論壇，2012(11):76-77.

[8] 吳 濤，尹志宏. “機電傳動控制”課程的研究型教學模式[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(1): 105-107.

[9] 胡兆勇，何漢武，郝海青，等. “機電傳動控制”實驗教學改革的探索 [J]. 廣東工業大學學報(社會科學版)，2006(6):153-154.

[10] 劉 振. 機電傳動控制教學實驗系統研究 [D]. 武漢：華中科技大學碩士學位論文，2011.

[11] 王克義，黃玉瑄. 機電傳動及控制教學改革的探索與實踐研究[J]. 教學研究，2016, 39(1): 88-92.

[12] 西門子(中國)有限公司. S7-200 PLC系統手冊，2008.

[13] Russell L. Ackoff, Daniel Greenberg著，楊彩霞譯. 翻轉式學習：21世紀學習的革命[M]. 北京：中國人民大學出版社，2015.

[14] 盛明科，邵夢潔. 協同創新環境下深化研究生培養模式改革的幾點思考[J]. 研究生教育研究，2016(1): 17-21.

[15] 張建功，劉興華．全日制專業學位研究生教育過程中產學耦合的機理研究[J]．中國高教研究，2011(5)：38-41．

Design of an Open Comprehensive Experimental Platform of the Electromechanical Transmission Control Course and Its Practical Teaching Applications

XUMing,NIJing,SUNJun，CHENGuojin

(School of Mechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The practical teaching of electromechanical transmission control course exists several common problems, such as indistinct curriculum knowledge tree, loose connection of some theoretical and experimental contents with the practical engineering, inconspicuous design and innovation training in course experiments, less openness and utilization efficiency of the experimental platform. This paper discusses the design and implementation open comprehensive experimental platform based on CDIO (conceive-design-implement-operate). The novel platform highlights “one core, two elements, and three-level practices”. The core is the student’s application ability, the two elements are electrical motor and control, and the three level practices are fundamental experiments (learning from observation), design experiments (learning from designing) and innovation experiments (learning from utilizing). In addition, the novel platform has some advanced features: openness, modularization, easy integration and extension etc. It can not only be used in course experiments for undergraduate students, but also serve undergraduate in competitions and graduate engineering design. The platform has been proven that it can stimulate students learning interests effectively, deepen the understanding and mastering of electromechanical transmission control course, connect with the engineering practices compactly, train the ability of system design and integrated application for undergraduates and graduates effectively.

practice teaching; electromechanical transmission; comprehensive experimental platform; three-level practice; engineering education

TP 273

A

1006-7167(2017)06-0196-05

2016-06-15

杭州電子科技大學高等教育研究資助項目(ZD201505)；杭州電子科技大學基于MOOCS/SPOC的“翻轉課堂”改革項目(液壓與氣動(甲))

許 明(1982-)，男，湖北黃梅人，博士，副教授，主要研究方向：機電傳動控制。Tel.: 13819170630；E-mail: xumzju@163.com