直流電機調速系統探究性實驗設計

曾海妮，鄒琦萍

（河池學院人工智能與制造學院，廣西 河池 546300）

0 引言

微處理器綜合設計性實驗在高校的電子信息工程、電氣自動化和建筑智能化等多個工科專業學生的實踐操作能力培養方面起著至關重要的作用。本文依據高等工程教育培養電類課程學生目標，針對現有基礎驗證實驗性實驗上，充分利用現有的實驗資源，融入與微處理器有關綜合性質實驗，切實提升工科實驗的工程教育質量。為了幫助學生更好地理解微處理器類課程的理論知識、培養學生“解決復雜工程問題”的工程實踐能力，同時考慮到高校實驗逐漸趨于綜合設計性實驗，本文采用具有工程實踐性質的直流電機調速實驗。

本文旨在通過直流電機調速案例，讓學生在項目的實踐過程中掌握設計直流電機方法，實現方法的多樣性及根據工程需求比較選擇技術方案；引導學生根據需要設計電路、選擇元器件，軟硬件設計與調試，并通過測試與分析對項目給出技術評價。為不同能力的學生更好地掌握相關知識、夯實基礎和開拓視野，進而培養學生工程實踐能力、綜合設計能力和創新能力，本文設計實驗內容分層次、模塊化和方案多樣化的直流電機調速實驗項目。

1 直流電機調速方案

自然界的機械運轉動力大多是由電機提供的，它主要包括直流電機和交流電機[1-4]。直流電機啟動、制動性能良好。在很多工業領域中需要電機調速和快速正反向地進行電力拖動。直流電機調速主要是通過調壓調速方式實現，調節電樞電壓依賴于可控直流電源[5]。

本次實驗項目分別從核心處理器、電源模塊、顯示模塊、直流電機驅動模塊、控制模塊、測速模塊，項目應用等幾方面介紹直流電機調速系統各功能模塊實現方案多樣性。系統實驗項目方案見圖1。

圖1 直流電機調速項目方案

（1）核心處理器可以選用STC 單片機、STM32 單片機和ARM 處理器等；

（2）電源模塊可以選用移動電源供電，5 V 穩壓電源電路為系統供電。

（3）顯示模塊可以選用數碼管、點陣或者LCD 顯示直流電機的各種工作狀態、傳感器采集信息以及控制信息等。

（4）直流電機驅動模塊是采用PWM 信號加電機驅動電路方式驅動直流電機；驅動電路可以采用三極管搭建的H 橋式電路實現，也可以采用專用芯片驅動，如采用L9110S、L298N 等芯片進行驅動。

（5）控制模塊可采用按鍵，紅外遙控、藍牙模塊、WIFI 模塊等無線通信方式控制電機各種運行狀態；

（6）測速模塊可采用霍爾傳感器、光電編碼器、槽型光耦合等傳感器對電機進行測速。

2 實驗教學實踐設計

理想的實驗教學效果應具備“多樣+開放”的教學設計、縮放自如的教學過程[6]。實踐教學既要實現學生對理論知識的熟練掌握及學以致用，又要體現“因材施教”的理念，使不同層次的學生能夠選擇合適的實踐項目模式，從而鍛煉學生的操作能力，探究能力。

2.1 教學內容設計

實驗教學設計依據高等工程教育認證為準，以學生為中心，將實際的工程中的直流電機調速設計融入實驗，培養學生解決復雜工程能力和培養學生的創新能力。在實驗教學實施過程中，分為基礎型實驗、設計型實驗和探究性實驗。

（1）基礎型實驗教學是激發學生學習興趣、提高學習積極性和自主探究能力的不可或缺的環節之一。為了提高實驗教學效果，提出層次化教學內容。層次化教學內容又分為基礎型、自主設計型和探索研究型。它顛覆了傳統的驗證性實驗教學，符合學生的認知結構。基礎型實驗主要培養學生的基本操作技能和認知能力的驗證實驗，幫助學生迅速掌握基本理論知識，為設計型實驗提供研究基礎。設計型實驗要求學生依據實驗任務要求自主設計實驗方案，實現相關模塊的擴展功能。

（2）設計型實驗需要學生自主查閱相關文獻，深入思考，分析并調試才可以完成。這一階段以學生為主體，以問題為導向的模式，教師不再為學生提供實驗方案和實驗步驟。教師有針對性的根據每個學生的學習特點和遇到的問題進行指導、提示和啟發學生如何從各個知識點找出問題的解決方案。該階段學生通過設計方案，啟發式教學將完成功能多樣的設計，培養學生的創造力。

（3）探究型實驗要求學生綜合運用多門課程的知識，設計多功能系統。它是實驗教學的最高要求，為學有余力的優秀學生提供探索研究平臺，培養了學生的自學能力，研究設計能力和創新能力。該階段是學生在完成基礎型實驗和設計型實驗的基礎上，根據自己的能力和興趣選擇是否進行探索研究型實驗。該階段項目的選題需依據科學性、創新性和實用性的原則，結合專業和研究方向，進行交叉滲透選題。探究型實驗階段提供具有一定研究價值的課題，也可由學生自主選題。確定選題后，學生開始進行文獻閱讀調研和方案設計工作、設計和調試。表1 展示了直流電機實驗的層次化教學內容。

表1 直流電機實驗層次化教學內容

2.2 實驗教學過程設計

實驗教學依據工程專業實踐教育專業提出的工程理論知識、問題分析和探究三個方面，著力培養學生解決工程實際能力。本文將實驗教學分為課前預習自學、課上實驗教學和課下探究總結。

（1）課前預習自學。該階段主要培養學生根據老師布置的任務，查閱相關材料，自主學習并掌握相關知識且能熟悉應用相關“工程知識”的能力，具體分配的任務為：

①教師依據學生的興趣愛好以及綜合能力的不同，針對不同層次的學生提出不同的任務要求。

②深入學習直流電機的原理，電機的調速和測速原理。

③根據各模塊的功能，讓學生分組討論，確定各個模塊的實現方案，提出盡可能多的方案，對方案進行分析/討論、比較，制定最佳實現方案，調動學生的積極主動性，培養學生善于思考、解決問題的能力和學生的自主創新能力。

④根據所選的方案，選擇電路元件，根據所選的微處理器，相關元件下載元件數據手冊，了解該元件的參數，說明選擇此元件的原因。

⑤學習相關軟件的操作方法，如學習Altium Designer 繪圖軟件，Keil C 編程軟件、Proteus 等仿真軟件的使用方法。

（2）課上實驗教學。該階段側重于學生的實際工程操作與解決實際工程的問題分析能力。主要包括以下內容：

①學生根據所選的直流電機測速方案，選擇元器件，在相應的仿真軟件上設計電路原理圖和軟件編程，并進行仿真驗證。

②制作電路板焊接元器件并進行調試；教師做統一監督指導，此環節注重學生動手能力和綜合實踐能力的培養，盡量保證所有學生都能參與。

③在電路設計、搭試、調試完成后，必須要對系統數據的準確性進行檢測，進行誤差分析、校正和記錄調試結果。

（3）課后探究總結。通過課前，課上所產生的實驗現象和實驗問題，需要學生在課后針對實驗中所產生的現象和問題，需要學生深入探究其背后蘊含的工程技術知識和理論問題，在此階段形成具有實踐意義的指導性方法。該階段主要包括以下兩方面：

①分析系統結構與模塊構成，模塊間的接口方式與參數要求；在調試中，要注意工作電源、參考電源品質對系統指標的影響，電路工作的穩定性與可靠性；在測試分析中，要分析系統的誤差來源并加以驗證。

②撰寫實驗報告，并總結實驗收獲，參加實驗總結演講，培養學生的語言表達能力；教師對此次課程總體表現情況做總結，與學生交流分享。

2.3 實驗教學效果

本文以直流電機調速系統為例，層次化實驗教學內容、引導性實驗指導教學和探究性的實驗擴展取得一定的效果。通過層次化實驗教學內容，不同層次的學生均能設計實現一個完整的基于直流電機調速系統的電子產品。每個班級的學生約有80%的學生可以完成基礎型實驗和設計型實驗，設計20%的學生也都完成了探究性的實驗。通過層次化教學滿足不同能力的學生需求，讓學生既有可操作性，又可激發學生的創新意識，挑戰更高層次的任務。實驗結束后，學生實驗作品豐富多樣，部分作品見圖2 所示。

圖2 部分學生作品

3 結論

本文以直流電機調速項目為例，秉著“差異化培養、因材施教”的原則，將“以學生為中心”的理念，加入到傳統實驗教學和項目實踐教學中。本文提出了滿足不同層次學生的實踐能力、思考能力的基礎性實驗、設計型實驗和探究性實驗；探究性實驗主要是為了滿足學有余力的學生進行知識擴展。綜合設計型實驗實施項目實驗內容層次化、項目功能模塊化和多樣化，方便學生根據自己的能力和喜好選擇完成相應實驗項目。新知識的擴展學習，開拓了思路，提高了學生的動手能力，培養綜合應用能力和創新能力，增強分析與解決問題的能力。