课程设计在电气主干课教学中的桥梁作用

陈 权，杨喜军，李国丽，郑常宝

(1.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥230601;2.上海交通大学电气工程系，上海200240)

0 引言

“电子技术(模拟电子技术、数字电子技术)”、“电力电子技术”和“运动控制系统”是电气工程及其自动化专业的三门主干课程。学生需要在两学年内依次学完这三门课:培养计划这样安排课程次序有一定的科学性，是沿着由简易至繁难、由理论至应用、由低级至高级的顺序安排。但如此安排课程存在一个问题:尽管学生顺利地通过这些课程的考试(考查)，并取得好的成绩，但是到了毕业设计阶段，由于学生缺乏系统级的思考能力，从而很难将过去所学知识联系起来设计一个系统[1]。针对这一问题，很多学校采取了有益的教改方案，如因材施教、分类培养和拔尖人才培养等，目的是挖掘学生的潜力[2，3]。然而，大学教师不应仅仅做到传授每门课程的知识，还应教会学生灵活运用所学知识及知晓所学知识的关联性、系统性。

本文所介绍的教学方法，受网络电子地图搜索启发:在搜索窗口输入某个地址，电子地图将精确地提供位置，卫星地图功能甚至可以看清楚街景。但如果要迅速明确目的地在地图中的位置。则必须调整地图比例，使该目的地“缩小”为一个小点，如果根据“放大”方式搜索街景，将无法明确知道如何到达此地。这三门课的传统教学，就如同地图搜索的“放大”方式，学生只了解或掌握了各门课程的具体内容，等到毕业时仍不能知晓如何综合应用所学知识设计出一个功能系统，因为学生没有将所学知识“缩小”，来宏观把握所学知识间的联系。

根据国家教育部培养高层次人才要求，现阶段的本科生培养方案均重视了实践教育环节，对于工科专业，课程设计是重要的实践教育方式之一[4]。我们可以借助典型的课程设计，采用上述教学方法，使学生将所学知识融会贯通。

1 课程间的关系

图1给出了“电子技术”、“电力电子技术”和“运动控制系统”三门课程之间的关系。作为系统级的课程，“运动控制系统”涉及电机理论、自动控制理论、机械系统模型、传感与检测、电气传动理论及电力电子技术等。作为第2层级的“电力电子技术”课程也基于一些知识，例如电路原理、固态物理、信号处理、电磁场和电子技术。“电子技术”课程是很多后续课程的基础，其中包括“电力电子技术”。这三门课程有一个清晰的上下层次关系。在本科生培养计划制定及教学过程中，尽管不能完全颠倒这些课程的次序和内容，但如果能够从开始就向学生介绍这些课程之间的关系，通过课程设计就能真正认识到所学知识的作用及联系，那么无论对学生学习、教师教学还是专业培养目的实现都将有事半功倍的效果。因此，对于不同课程安排具有代表性的课程设计是实现目标的第一步。

图1 课程之间的相互关系

1)电子技术

在我校“电子技术”课程教学中，有一个课程设计项目“基于晶闸管的调光器”，其内容涉及晶闸管驱动电路和以电力电子器件为主电路的变换器电路。该课程设计的系统示意图如图2所示。

图2 基于晶闸管调光器的系统图

图中，斩波器(电力电子变换器)处理功率流，而SCR驱动电路(电子电路)主要作用是产生驱动信号，该调光器所包括的系统模块如图3所示。

图3 基于晶闸管调光器的系统模块

电力电子变换器电路包括半导体开关(此例中为晶闸管)、交流电源和负载(此例中为灯泡)。晶闸管触发电路一般由7个功能模块组成，它们分别是锁相/过零检测电路、缓冲器、触发角控制单元、振荡器、数字逻辑电路、放大器和隔离电路。以上各功能模块正常工作需提供±5V直流电源。实际应用中尽管可以用数字或IC电路来实现驱动功能，但是为了学生实践在“电子技术”课程中所学大部分的知识，要求学生通过基本逻辑电路实现。在进行该课程设计时，具体要求如下:

(1)学生3人—组，在3周内完成并提交如下的(2)～(5)材料;

(2)带有系统框图的设计方案，各部分完成的时间表及小组成员分工;

(3)详细的设计文档及仿真验证;

(4)最终设计的电路及测试结果;

(5)最终的项目报告和演示。

学生根据从“电子技术”所学的主要知识完成以下工作:

(1)应用二极管整流器和LM7805电压调节器实现DC电源;

(2)采用史密斯触发器实现过零检测/锁相;

(3)采用电压跟随器实现缓冲器;

(4)采用74LS123及电容的充放电特性实现触发角控制;

(5)采用555定时器来实现振荡器;

(6)采用7408 TTL与门实现逻辑电路;

(7)采用BJT实现电流放大器;

(8)采用脉冲变压器实现电子电路与功率电路的隔离。

图4给出了30°触发角下在面膜板上搭建上述平台的测试结果。

图4 基于晶闸管调光电路及实验结果

2)电力电子技术

“电力电子技术”课程主要传授电能变换的技术，不同类型的变换器是这门课程的重点，也是电能变换的基础，它包括 DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC等。这门课程假定学生已具备驱动电路、传感器、电磁场和控制电路等知识，因此在教材涉及知识时往往仅用箭头或方框表示，甚至在分析变换器工作原理时不再提及与其他学科相关的知识。然而，这些基础知识实际上是经常起作用的。例如，学生已具有“电子技术”课程设计“基于晶闸管调光器”的基础。不过，在“电子技术”课程设计时，学生仅仅能够看到晶闸管的外部接线端口，其内部电路只是一个黑箱，里面内容并不清楚。在“电力电子技术”课程设计时，教师会讲解:若晶闸管实现电能变换的功能，需要门极控制其开通，而且触发角大小需可调;其中晶闸管的开通时刻由输入达林顿接法的双NPN晶体管的信号控制，该控制信号由锯齿波与触发角控制信号经过逻辑电路产生。这与“电子技术”课程设计“基于晶闸管调光器”控制方式一致，而且触发控制信号控制角的产生方式也一致，均主要由电位器与电容实现;为了实现与输入交流电源同步，亦采用了类似过零检测的方式。与“电子技术”课程设计不同的是:一方面，这里的晶闸管具有双脉冲或宽脉冲触发;另一方面，这里的所有功能模块均采用集成电路实现。当学生得知这个黑箱的主体部分与“电子技术”中的课程设计几乎一样时，便会知晓所学知识之间的联系，非常自信且顺畅地进行新课程的学习。

为了与更具综合性的课程适当地建立联系，在“电力电子技术”课堂教学中涉及有关电力电子技术应用的内容，引入一些运动控制的概念。一般地，与电力电子技术相关的运动控制系统框图如图5所示。可见，在一个综合性的功能系统中，一个复杂的电力电子系统可以用一个简单的I/O模块来表示。从而在课程教学中采用“缩小”方式，使学生深刻认识到所学知识的关联性。

图5 运动控制系统框图

3)运动控制系统

图5所示的包含电机的通用运动控制系统，包括了功率变换单元、电机检测、负载和实现控制策略的控制器。在我校电气工程及其自动化专业“运动控制系统”这门课程的实验教学过程中，实验平台主要基于DDSZ-1型电机及电气技术实验装置(基础实验)和DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置，从教学效果来看，这样的实践教育方式并不好。基于学生已进行上述“电子技术”课程设计及相关“电力电子技术”实验，我校电气工程专业实验室在授课教师的配合下，于第7学期后4周设置了一个和这门课程相关的课程设计，该课程设计所涉及主要部件如下:

(1)DDSZ-1型电机及电气技术实验平台;

(2)负载(异步电动机-直流电动机对拖系统);

(3)传感器(测速电机);

(4)基于MOSFET的三相主电路、驱动板、采样电路;

(5)基于DSP的控制器及PC机。

基于DSP的控制器控制程序已由硕士研究生预先编制并调试，存于PC机中，学生只要按要求下载至DSP控制板运行即可。“运动控制系统”课程设计平台框图如图6所示。这里仅说明“电力电子技术”课程与“运动控制系统”课程的结合。

图6 “运动控制系统”课程设计平台框图

“运动控制系统”课程学习的内容是电气工程及其自动化主要课程的系统集成。这门课程是在学生具有电子技术、电力电子技术、传感与驱动、控制等知识的基础上，主要传授不同传动系统的设计、运行与控制。由于在“电力电子技术”课程中的介绍，学生很容易想象出图5的功率变换单元实际上就是一套三相开关模式的变换器。尽管一些细节被忽略，但通过“缩小”模式，学生有了整体的概念。当需要了解各部分细节时，学生可以在框图中“放大”一个子系统进一步了解。对电力电子技术的理解，有助于学生设计与实现如图6所示的功能模块。图7为课程设计进行过程中测量异步电机侧的线电压和电流波形。

图7 运动控制系统课程设计线电压、电流波形

2 考核与评价

我校2010级约有120名电气工程及其自动化学生进行运动控制系统的课程设计，我们选择了其中20名学生(每组4人，5组，)进行该课程设计，对这20名学生和部分没有进行该课程设计的学生进行了调查和比较，结论是:参与“运动控制系统”课程设计的学生对知识把握的系统性相对更强。从毕业论文答辩所回答问题的过程中也有相同的体现。

同时，20名进行该课程设计的学生也提出一些建议，为下届“运动控制系统”课程教学改进方向提供了很好的意见。归纳如下:

(1)课程设计说明材料进一步规范、完善;

(2)每组人数2～3人;

(3)专人负责并协调课程设计，储备常用元器件;

(4)有关实践经验在课程设计前集中辅导;

(5)在提交的报告中增加仿真与实际测量结果的比较。

3 结语

为加强电气工程及其自动化专业学生对本科阶段所学知识的掌握，认识“电子技术”、“电力电子技术”和“运动控制系统”等三门专业主干课程的关联性，本文提出了三个相互关联的课程设计和实验项目。显然，这三门课程有一个自上而下的联系，“运动控制系统”位于顶层(系统级)，“电力电子技术”

位于中层(专业核心)，“电子技术”位于底层(专业基础)。实践证明这三门课程不是相互分离的，位于高层的课程或概念在低层课程中体现并介绍，认清这种关系，学生对知识系统便有一个宏观的认识和把握。这种教学方式使学生能知道学习每门课程的目的，从而不迷失在繁杂的知识点之中。

[1]Juan J.Rodriguez-Andina，Luís Gomes，and Seta Bogosyan.Current Trends in Industrial Electronics Education[J].IEEE Trans.On.Industrial Electronics.Vol.57，No.10，Oct.2010，pp 3245-3252.

[2]韩力，肖冬萍，熊兰，杨岳.电气工程本科人才分类培养[J].南京:电气电子教学学报，2013，5:13-15.

[3]康重庆董嘉佳董鸿孙劲松.电气工程学科本科拔尖创新人才培养的探索[J].武汉:高等工程教育研究，2010，5:132-137.

[4]教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年).2010年7月29日颁布