機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

摘" 要" 新工科建設(shè)對(duì)機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)提出更高的目標(biāo)和要求。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)復(fù)合型人才具有重要意義，但也存在教學(xué)難度大、教學(xué)效果欠佳等問(wèn)題。課題組通過(guò)研究案例教學(xué)的設(shè)計(jì)策略，選取矢量控制器作為教學(xué)案例，采用TI公司的開(kāi)發(fā)套件作為教具，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)一體化，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞" 新工科；機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；案例教學(xué)；矢量控制器

中圖分類號(hào)：G642" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0101-03

0" 引言

隨著智能制造、人工智能等新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)以及新工科建設(shè)的提出，培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型人才，已成為工科專業(yè)人才培養(yǎng)的共識(shí)[1-2]。在此背景下，江蘇大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)新開(kāi)設(shè)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，將先前的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和機(jī)電伺服技術(shù)的核心內(nèi)容進(jìn)行綜合與拓展，強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械和電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造機(jī)電控制系統(tǒng)，其技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、智能制造、人工智能等領(lǐng)域。

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)械、傳感與檢測(cè)、伺服控制等多學(xué)科知識(shí)，熟悉機(jī)、電、液、氣一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，掌握一體化控制系統(tǒng)的接口、精度設(shè)計(jì)和可靠性等系統(tǒng)總體技術(shù)。該課程內(nèi)容豐富、學(xué)科交叉多、理論和實(shí)踐性強(qiáng)、創(chuàng)新要求高，如何不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的理論和實(shí)踐能力，是該課程教師一直努力研究的課題[3]。

結(jié)合該課程特點(diǎn)，授課教師大多采用案例教學(xué)法。但以往的案例教學(xué)更多的是針對(duì)單個(gè)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，很難做到系統(tǒng)運(yùn)用，教學(xué)效果不佳。為此，課題組針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，對(duì)該課程案例教學(xué)策略進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套可供拓展并具有很強(qiáng)實(shí)踐性的教學(xué)案例及教學(xué)方法，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

1" 以往案例教學(xué)存在的問(wèn)題

案例教學(xué)法是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的教學(xué)案例，把理論知識(shí)傳授、分析設(shè)計(jì)能力與實(shí)踐能力培養(yǎng)等教學(xué)內(nèi)容融入其中，引導(dǎo)學(xué)生自主探索、分析、解決案例中包含的科學(xué)和技術(shù)相關(guān)問(wèn)題，從而掌握相應(yīng)的理論知識(shí)和實(shí)踐能力。由于課程的特點(diǎn)，在以往案例教學(xué)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1" 案例單一，系統(tǒng)性不足

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及多個(gè)學(xué)科，講課時(shí)往往分章節(jié)講授，針對(duì)不同內(nèi)容選取對(duì)應(yīng)的案例教學(xué)。例如：講授傳感器時(shí)，會(huì)選取旋轉(zhuǎn)變壓器相關(guān)的案例；講授電機(jī)控制時(shí)，會(huì)選取直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的案例。這種方式將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行人為分割，不能建立系統(tǒng)聯(lián)系，教學(xué)效果不佳。

1.2" 案例理論性不強(qiáng)

電梯是機(jī)電一體化案例教學(xué)時(shí)常用的案例[4]，其具有一定的系統(tǒng)性，而且學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)，易于接受。但由于電梯行業(yè)的多樣化和自身商業(yè)屬性，電梯案例過(guò)于工程化和模塊化，許多理論知識(shí)無(wú)法深入展開(kāi)。例如：曳引機(jī)采用的是異步電機(jī)還是同步電機(jī)？是電勵(lì)磁還是永磁？電機(jī)采用何種控制策略？由于行業(yè)細(xì)分太多，很難給學(xué)生一個(gè)統(tǒng)一的答案，一定程度上使案例流于表面化，對(duì)核心知識(shí)涉獵不夠。

1.3" 案例創(chuàng)新性不夠

直線一級(jí)倒立擺也是機(jī)電一體化課程教學(xué)中經(jīng)常推薦使用的案例[5]，它把機(jī)械模型、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，能很好地反映機(jī)電一體化的特征，但在新工科建設(shè)背景下，該案例的新穎性和創(chuàng)新性略顯不足。因此，有教師提出采用機(jī)器人的案例[6]，該案例固然體現(xiàn)出創(chuàng)新性，但由于內(nèi)容過(guò)多、硬件成本高等問(wèn)題，在教學(xué)中的推廣受到限制。

2" 案例設(shè)計(jì)策略

針對(duì)上述問(wèn)題，授課教師對(duì)該課程的教學(xué)案例設(shè)計(jì)策略進(jìn)行研究，分別從內(nèi)容選取、教學(xué)實(shí)施、拓展創(chuàng)新等方面給予明確規(guī)劃。

2.1" 內(nèi)容選取

案例內(nèi)容的選取是開(kāi)展案例教學(xué)的第一步，以高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)為目標(biāo)，在知識(shí)的理論性上，案例必須賦能人工智能、智能制造等新一代信息技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，不能是單一的應(yīng)用案例；在實(shí)踐性上，案例必須有較好的工程價(jià)值和可操作性，方便在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、協(xié)作能力以及專業(yè)工具的使用能力；在創(chuàng)新性上，要求所選案例能培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

綜合上述思路，梳理課程教學(xué)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)矢量控制器是很好的教學(xué)案例，目前工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用的變頻器、伺服控制器等產(chǎn)品，其核心就是矢量控制技術(shù)，而此類技術(shù)和產(chǎn)品長(zhǎng)期以來(lái)被ABB、西門子等國(guó)際大廠壟斷，國(guó)內(nèi)人才相對(duì)缺乏。

2.2" 教學(xué)實(shí)施

在確定好案例內(nèi)容后，還需要充分考慮案例的教學(xué)實(shí)施：

1）該案例要盡可能地覆蓋該課程的知識(shí)點(diǎn)，便于理論知識(shí)的講授；

2）案例還需要有很好的工程實(shí)踐性，能設(shè)計(jì)動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)，方便學(xué)生參與其中。

構(gòu)建案例教學(xué)流程：提出問(wèn)題—分析問(wèn)題—學(xué)習(xí)知識(shí)理論—設(shè)計(jì)求解模型—實(shí)踐檢驗(yàn)—明確結(jié)論。在這一過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，并在實(shí)踐中強(qiáng)化知識(shí)和訓(xùn)練能力。在矢量控制的案例教學(xué)中，可開(kāi)發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生參與實(shí)踐，目前市面上此類教學(xué)工具或開(kāi)發(fā)套件比較豐富，可選性大。案例教學(xué)使學(xué)生會(huì)采用矢量變換的方法解決控制問(wèn)題，通過(guò)編程和仿真增強(qiáng)對(duì)矢量控制的理解并得到實(shí)踐鍛煉。

2.3" 拓展創(chuàng)新

案例的教學(xué)不能僅限于案例本身，要能夠舉一反三，讓學(xué)生把該案例的解決方法用于其他問(wèn)題，這就需要在設(shè)計(jì)教學(xué)案例時(shí)充分考慮案例的可拓展性和創(chuàng)新性。仍以矢量控制為例，學(xué)生在掌握矢量變換的原理后，需要進(jìn)一步運(yùn)用該理論實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的矢量控制、同步電機(jī)矢量控制、最佳轉(zhuǎn)矩電流比控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等；在實(shí)踐拓展方面，學(xué)生可自主開(kāi)發(fā)矢量控制的軟、硬件系統(tǒng)，甚至開(kāi)發(fā)專用的矢量控制器，工程能力得到極大的訓(xùn)練。

3" 矢量控制器案例教學(xué)實(shí)踐

基于上述分析，教師在教學(xué)實(shí)踐中采用矢量控制器作為教學(xué)案例，該案例很好地將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，理論知識(shí)豐富，工程實(shí)踐性強(qiáng)，便于后期拓展。

為配套案例教學(xué)，筆者教學(xué)中選取TI公司官方推出的TMDSHVMTRPFCKIT開(kāi)發(fā)套件作為教具，該套件提供一套完整的電機(jī)控制軟硬件，包含DSP控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、控制程序以及開(kāi)發(fā)軟件，還可以選配對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，技術(shù)資料豐富，直接面向應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力很有幫助。

3.1" 理論教學(xué)

矢量控制技術(shù)的知識(shí)體系涵蓋電機(jī)原理、自動(dòng)控制技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、矢量控制技術(shù)、電力電子與電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)，基本覆蓋全部教學(xué)要求，在理論教學(xué)時(shí)可以逐一講解，最后集中歸納，具有很好的系統(tǒng)性。借助TMDSHVMTRPFCKIT開(kāi)發(fā)套件中的技術(shù)資料，學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)永磁電機(jī)與同步電機(jī)運(yùn)行原理、磁場(chǎng)定向控制、矢量控制基本配置、數(shù)字信號(hào)處理器在電機(jī)控制上的應(yīng)用等理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，其中大量直接面向應(yīng)用的圖文解釋，如電動(dòng)機(jī)的工作原理、矢量控制原理及仿真框圖等，可有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。在教學(xué)實(shí)踐中，作為對(duì)理論知識(shí)的檢測(cè)，采用課后作業(yè)的形式，要求學(xué)生對(duì)相關(guān)的控制策略進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。

3.2" 實(shí)踐教學(xué)

借助開(kāi)發(fā)套件，在進(jìn)行理論教學(xué)的同時(shí)，靈活開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容包含電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、磁場(chǎng)定向控制、位置伺服控制等。該開(kāi)發(fā)套件提供開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制時(shí)的軟件框圖與代碼，只需設(shè)置相應(yīng)的外部電路和軟件模塊，就可實(shí)踐操作，并通過(guò)輸出端口在線觀測(cè)控制結(jié)果。

3.3" 拓展訓(xùn)練

矢量控制器開(kāi)發(fā)套件是一個(gè)開(kāi)放的軟、硬件系統(tǒng)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)講授和實(shí)踐能力培養(yǎng)的同時(shí)，還可以借助該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行拓展訓(xùn)練。利用該系統(tǒng)平臺(tái)，不僅可以開(kāi)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服控制器、機(jī)電液伺服系統(tǒng)等，還可以開(kāi)發(fā)配套的上位機(jī)通信和檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)與控制。結(jié)合教學(xué)案例和開(kāi)發(fā)套件，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，組織學(xué)生開(kāi)發(fā)永磁同步電機(jī)通用矢量控制器以及上位機(jī)調(diào)試和監(jiān)測(cè)軟件，如圖1所示。

該永磁同步電機(jī)通用矢量控制器及調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)成完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和測(cè)試平臺(tái)，也是創(chuàng)新、開(kāi)放的教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)修改電機(jī)及控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電機(jī)的矢量控制，也可基于該硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)新的控制策略，如力矩控制、位置伺服控制等，方便二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)升級(jí)。通過(guò)以上實(shí)踐，學(xué)生基本具備面向該行業(yè)應(yīng)用的自主開(kāi)發(fā)能力。

4" 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)作為我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的重要支撐，也是推動(dòng)智能制造、人工智能發(fā)展的重要力量。在新工科建設(shè)背景下，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型機(jī)電人才為目標(biāo)，意義重大。該課程既要講授多學(xué)科的理論知識(shí)，又要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，適合采用案例教學(xué)。本課題組教師通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、內(nèi)容梳理、精心策劃，設(shè)計(jì)一套可供拓展并具有很強(qiáng)實(shí)踐性的教學(xué)案例及教學(xué)方法，實(shí)踐表明，其具有良好的教學(xué)效果，有一定的借鑒與推廣意義。

參考文獻(xiàn)

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[3] 許宇翔，郝利峰，鄭慧萌，等.“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”混合式教學(xué)模式改革[J].教育教學(xué)論壇，2020（17）：210-211.

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[5] 徐洋，盛曉偉，孫志軍，等.基于案例教學(xué)的機(jī)電系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)探討[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2019（5）：188-189.

[6] 徐洋，孫志軍，孫志宏，等.基于案例的《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制》課程教學(xué)探討[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2019（8）：85-86.

*項(xiàng)目來(lái)源：2021年度江蘇大學(xué)教改項(xiàng)目“新工科、學(xué)科交叉背景下機(jī)電專業(yè)學(xué)生多元化創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系研究”（2021JGYB008）。

作者：黃平林，江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制技術(shù)；錢鵬飛，江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)橐簤杭夹g(shù)（212013）。