淺談直流伺服系統應用型本科理論課程教學改革

摘 要：針對機電一體化系統設計課程中直流伺服系統理論較為復雜，教學思路較為混亂，學生學習積極性不高，教學質量不高等問題，以應用型本科的教學要求和教學目標為出發點，對直流伺服系統理論課程從教學模式，課程教學思路，課程教學重點等進行教學改革，實踐教學效果表明課程教學改革提高了學生的直流伺服系統設計原理整體認識，思路更加清晰，重點更加明確，增強了理論學習的興趣和信心，提高了應用型本科的系統理論知識教學質量。

關鍵詞：直流伺服系統 應用型本科 教學改革 教學思路

中圖分類號：G64文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2019）10-0101-01

引言

直流伺服系統是以直流電動機為執行元件的伺服系統。直流伺服系統在教學過程中涉及電工電子技術、工程控制技術、檢測傳感技術以及信號變換技術等多門課程，具有課程范圍廣，系統和理論性性較強等特點[1-2]。目前，大部分應用型本科院校教師在進行教學的過程中，均按照相關教材照本宣科，沒有理清直流伺服系統的教學思路和教學重點，沒有引入生活實例講解，教學較為枯燥。控制技術理論內容較為復雜，有些教師完全放棄理論的分析，導致學生對直流電動機的伺服系統設計原理完全沒有認知，本文就此作研究。

一、直流伺服系統理論課程的教學改革

1.明確課程主線和重難點

根據應用型本科直流伺服系統理論知識主要系統結構如圖1，主線為直流電機伺服系統-直流電機靜態特性和調速指標-直流電機PWM調速-直流電機動態特性-直流電機速度單閉環設計;課程重點為靜態特性和調速指標、PWM調速、速度單閉環設計;課程難點為速度單閉環設計。

2.直流電動機的生活實例引入

直流電動機常應用于對啟動和調速有較高要求的場合，如賓館高速電梯、城市電車、地鐵列車、電動自行車、等機械中，可以增加教學互動，增加學生的學習興趣。

3.直流伺服系統的基本原理

以鑒幅型直流伺服系統為例闡述伺服工作原理。介紹位置檢測信號與相敏放大器和位置調節器構成位移信號的反饋和調節，速度檢測與速度調節構成速度信號反饋和調節，使學生對直流伺服系統的基本工作原理有初步的了解。

4.直流電動機的靜態特性和調速指標

由直流電動機的電壓平衡方程、感應電動勢方程、電磁轉矩方程得到直流伺服電動機的轉速公式。在最終轉速公式中分別就轉速對電阻、電樞電壓和磁通的值變化進行研究，得到穩態特性和調速指標，使學生掌握靜態特性和調速指標的分析方法。同時可以發現在電機調速中調節電壓較為方便，為后續PWM調速做好鋪墊。

5.直流電動機的PWM調速

PWM調速實質是一種有效電壓值調節。在調節過程中，PWM波相當于是一個開關信號，PWM信號通過電子開關將直流按要求進行斬波，通過控制有效電壓控制轉速。由于PWM的參數可以間接控制直流電機的轉速，所以就引申出如何進行PWM調制。因為PWM電壓信號較低不能快速通斷電子開關，所以需要基極驅動電路進行信號處理。由電子開關布局電路可知只能一側導通，所以PWM需要設計邏輯延時環節。最終學生能夠掌握PWM調速的原理和過程。

6.直流電動機的動態過程

直流電動機的動態過程簡而言之就是研究轉速、電流隨時間的變化規律。通過電動力學方程和電樞的暫態方程進行拉氏變換得到轉速、電流對電壓的傳遞函數，然后經過反拉氏變換可以求出對階躍電壓信號的響應，也就得到了轉速、電流隨時間的變化規律。最后使學生了解直流電機的動態過程，為系統動態設計理論基礎做好鋪墊。

7.直流伺服系統的動態設計

在理解了直流電動機動態過程之后，進行直流伺服系統系統的動態設計。針對應用型本科教學重點是理解原理和熟悉方法的特點，側重講解如何設計速度單閉環，對復雜的電流、速度雙閉環，電流、速度和位置閉環進行了簡述。針對速度單閉環動態設計，首先需簡述為什么PWM調速環節是滯后環節以及可以簡化為一階慣性環節;其次簡述由電樞的暫態方程、感應電動勢方程、電磁轉矩方程和電動力學方程和經過傳遞函數簡化可得到0型系統的速度調節傳遞函數，所以速度單閉環系統開環傳遞函數存在穩態誤差，需要進行PI調節，將其校正為Ⅰ型系統。最后按照工程二階最佳系統參數來確定速度閉環系統的閉環傳遞函數參數，并對速度閉環系統的開環傳遞函數的系統穩定性，響應快速性等指標進行簡要分析。最后總結，經過校正的速度單閉環系統不僅符合系統穩定性要求，還具有精度高，快速響應特點。簡化過程推導，使學生從繁瑣的理論中解放出來，重點熟悉系統動態設計方法和系統調節方法。

二、結束語

根據應用型本科生特點，以應用型本科教學要求和教學目的為基礎，對直流伺服系統理論課程進行了如上所述教學改革。實踐教學反饋表明，學生對直流伺服系統原理和概念認識更加清晰，對課程的主線更加明確，對課程重點更加熟悉，對課程重點更加了解。學生不僅對基礎理論有比較好的掌握，又避開了繁瑣的公式推導，對直流伺服系統的分析方法、設計思路、調節方法都有較好的掌握，對后續課程充滿興趣和信心，達到了應用型本科的教學要求和目的。

參考文獻

[1]蘇再軍，黃艷香.機電一體化系統設計課程教學改革探討[J].時代農機，2017（10）：169-171.

[2]陳成軍，李東年. 機電一體化系統設計案例教學研究與實踐[J].大學教育，2017（9）：54-57.

作者簡介：何政洋（1991.7-），男，漢族，四川宜賓，碩士研究生，助教，研究方向：工程機械、機電控制。