“电机调速”课程群启发式教学模式研究

王 宇，秦海鸿，邓智泉，刘 闯

(南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016)

“电机调速”课程群是高校电气工程及其自动化专业的一组重要课程。如何在本科教学中提高学生的动手能力和创新思维能力，增强学生对电机调速系统基本组成结构的感性认识，是新形势下提高该专业教学质量的关键。

1 目前教学环节存在的问题

“电机调速”课程群主要包括“现代调速技术”、“电机学”、“电力电子技术”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“自动控制原理”等课程，具有很强的综合性和实践性。我校“电机调速”课程群的教学存在如下两个主要问题[1，2]。

(1)理论教学方式单调

“电机调速”课程群教学如果只通过课堂授课，学生会感到比较枯燥。不利于激发学习兴趣和加深理解。比如讲到负反馈在闭环调速系统的作用及相对于开环调速系统的优越性时，学生可以说出优越性要点，并进行推导，但不清楚其在具体系统中的物理本质。再比如讲到电机电枢电流闭环的实现时，学生能讲出电流闭环的基本方式，但对开关管的具体开关模式缺乏感性认识。

(2)实践教学缺乏发散性和启发性

我校的“电机调速”课程群实验教学与理论教学是分开进行的。实验教学内容固定，强调基本操作，缺乏一定的发散性和启发性。教师在实验课上详细讲解实验方法、实验步骤、操作示范、注意事项和实验故障处理等。学生则根据实验指导书操作一遍，测量规定的数据，写上实验报告，即完成了实验任务。这种常规的实验教学在很大程度上限制了学生的创造思维和解决实际问题能力的提高。

2 电机工程实训平台的建设

通过以上分析可见，在这种传统教学模式和教学方法下，学生的实践机会较少，难以将理论与实践充分联系起来。为了解决上述存在的问题，我院拟构建贴近产业实际的电机工程实训平台。本实训平台主要完成以下任务。

(1)教会学生使用Matlab软件，引导学生完成电机转速外环、电流内环的双闭环调速系统控制算法的Matlab模型，进行仿真调试并分析结果[3]。

教会学生使用DSP软件，学会采用C语言将已完成的调速系统控制算法写成程序，进行程序调试及优化。培养学生认识系统—构思算法—Matlab仿真验证—DSP系统实现的一般科研步骤和方法。

(2)驱动电路设计是功率变换器系统设计的关键部分之一。教会学生使用PCB软件，并按照所设计驱动电路方案进行设计和仿真，比较不同驱动方案的优缺点。

教会学生焊制调试PCB板，分析并解决调试过程中遇到的问题。逐步培养学生了解原理—设计电路—原理图绘制—PCB图设计—焊接调制—分析总结的硬件电路设计步骤和方法。

(3)教会学生使用Ansys有限元软件，仿真得出电机的转矩和空载反电势波形，并与电机学和电磁场等理论教学中教授的磁路分析方法进行分析比较，分析差异，优化磁路模型，逐步培养学生“简化磁路模型—有限元仿真—样机测试”的电机本体一般设计方法。

我们构建的电机工程实训平台，在学生完成基本实验内容的前提下，由教师提出新的控制目标和实现功能，让学生自主设计解决方案和实施方法。教师组织学生进行小组讨论，分析学生提出的解决方案和实施方法的可行性和正确性，重点启发学生的创新思维能力。最后，指导学生相对独立地完成解决方案及软硬件制作和调试。

3 创新思维能力培养的教学实例

学生在完成三相永磁同步电机矢量控制理论学习的基础上，在电机工程实训平台上，获取如图1所示的三相永磁同步电机矢量控制波形图[4]。图中，Ea为电机A相绕组空载反电势，Eb为电机B相绕组空载反电势，Ec为电机C相绕组空载反电势，ia为电机A相绕组电枢电流，ib为电机B相绕组电枢电流，ic为电机C相绕组电枢电流，Te为电机电磁转矩。矢量控制的目的是使得电机的电枢电流全部为有功电流，同时使得电机的转矩脉动理论值为0。此时电流表达式为

图1 三相永磁同步电机矢量控制波形(正常运行)

我们在上述实验完成的基础上，拔掉A相绕组接线端，使得电机运行在缺相模式(未补偿)，如图2所示。虽然电机依靠B、C相依然能产生正转矩，驱动电机旋转，但是电机存在较大的转矩脉动。此时电机的电流表达式为

图2 三相永磁同步电机矢量控制波形(未补偿)

我们引导学生进行如下思考:在故障状态下，通过健康相(B、C相)绕组的电流进行幅值和相位变换，其核心思想是保证电机合成转矩电流的恒定，即电机零序电流i0=-0.5sin(ωt)。

那么根据3/2变换，得到电机电流为

在得出电机补偿电流的前提下，将其注入到电机中，得到如图3所示的波形。通过故障后电流重构的解决方法，培养了学生的创新思维能力。

图3 三相永磁同步电机矢量控制波形(缺相运行，补偿)

4 结语

本文在分析“电机调速”课程群教学存在问题的基础上，提出利用搭建电机工程实训平台培养本科生动手能力和思维能力的教学模式，充分利用Matlab仿真软件、DSP软件以及有限元软件，指导学生搭建调速模型的Simulink电气模型，编写并调试程序，进行仿真、实验分析，提高学生的分析问题和解决问题的能力。

[1]郝雯娟，陈传德.对“现代调速技术”课程改革的几点思考[J].南京:电气电子教育学报，2010，32(1):34-36.

[2]陈艳宁，杨军.电机实验室建设的探索与实践[J].南京:电气电子教育学报，2001，23(1):67-68.

[3]方志，郝丽丽.Matlab/Simulink在电气工程专业毕业设计中的应用[J].秦皇岛:教学研究，2009，32(3):55-58.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2006.