直流拖动控制系统教学改革探讨与实施

高娟娟+史顺东+刘福才+朱浩然

[摘要]针对直流拖动控制系统课程传统教学偏重于理论教学，导致学生工程实践能力不足等问题，提出了教学内容调整方案——理论教学与课程项目相结合，给出了具体的PWM直流调速系统项目实施方案，并通过教学跟踪与考核可观的评价学生学习理解程度、实验分析能力及系统设计能力。改革后的教学方案能更好地培养学生对课程内容的理解，提高学生运用所学知识解决工程问题的能力，使学生具备独立设计系统及其安装调试的能力。提出一些待改进问题，如实训时间规划调整、硬件选型改进。

[关键词]工程实践；直流调速；系统设计；安装调试

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]10054634（2017）02006504

0引言

近年来，国家大力支持高等教育的发展，特别重视提高工科类院校学生工程实践能力，教育部组织实施的“质量工程”对加强高校的实践性教学环节提出了新的要求。因此，工科专业必须把培养学生工程实践能力和创新能力作为教学计划的重点来抓。

《直流拖动控制系统》是高等学校本科电气自动化专业的一门重要的专业限选课。该课程主要讲授直流拖动自动控制系统、随动控制系统以及近年来发展较快的脉宽调制（PWM）等系统，是自动化专业的核心课程，它既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一门把理论基础应用到工程实践中去的典型课程，不但能培养学生的系统概念，还能培养学生应用基本理论与方法进行工程设计的能力。该课程的教学质量对学生工程实践能力的培养以及未来就业起着至关重要的作用。

本文首先分析了该课程以往教学的不足，针对具体问题提出了改革方案，给出了具体的实施过程。通过专业实训教学环节的PWM直流调速系统设计项目，在实践中培养学生的设计与工程能力，对系统分析、测试解决实际工程问题能力。学院将理论与实践相结合，摸索出了一套科学的、行之有效的PWM直流调速系统设计的教学改革新方案。

1课程现状

《直流拖动控制系统》课程的教学目的与任务是：让学生获得直流拖动控制系统必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解直流调速系统的应用与国内外直流拖动控制系统的发展概况，能独立地应用这些基本概念、基本理论和基本方法来分析和计算实际工程中遇到的问题。

许多高校已开设《直流拖动控制系统》课程，但课程改革相对落后。传统教学仍然停留在理论教学层面，注重培养学生对直流调速系统的理解与设计，教授学生各类直流系统的工作原理与性能分析，导致很少學生能做到学以致用，将所学知识应用到实际系统设计中，不能够做到“所学即所用”。近年来，一些高校陆续展开了本课程的教学改革探讨。晏永红认为直流电机调速教学为主的电力拖动自动控制系统不能适应当今交流电机控制主流趋势，提出了以计算机技术为教学手段，配合交流调速系统内容的理论和实践改革措施，在教学实施中收到了良好的效果[1]。冯兴田提出了“以工程设计学理论、以模型仿真促实践、以科研案例析应用”的教学改革理念。从教学内容、教学方法和考核方法等方面设计了实施方案，注重培养学生的理论分析、实践动手和科研创新能力，提高了教学效果[2]。陈梅介绍了一种新型直流调速实验装置，通过HMC面板完成参数测试，基于PC设计控制系统并建立Matlab模型，控制电动机组。改进教学培养了学生工程设计能力，巩固了对课堂内容的理解[3]。

燕山大学在本文所述课程改革之前，主要教学手段和方法为：课堂教学（选用多媒体课件）与课程设计相结合，课堂教学教材使用陈伯时的《电力拖动自动控制系统》（运动控制系统第3版）[4]，课程设计有指导教师分发题目，设计内容往往以理论设计为主。教学方式相对单一，加之课程理论深度较高、学习难度大以及近些年来课时压缩等，导致原有教学方式不能充分培养学生的工程实践能力，因此不适合当前的人才培养计划。笔者就该课程教学现状提出以下几点问题。

1） 理论与实践脱节导致学生工程实践能力偏低，不能够做到学以致用。本课程属高等教育的专业技术课程，旨在教授学生直流拖动控制理论知识的基础之上，让学生具备一定的独立工程设计能力。以往的教学，主要侧重于理论知识的教授，方式只停留在书本内容上，学生工程设计能力培养则只体现在课程设计上。以往的课程设计几乎全部是模式化理论设计，并没有根据设计内容搭建实际系统，将其应用到工程中，进而也很难验证系统的实用性、可靠性。因此，提高教学效果，提升学生的实际工程设计能力的方法对本课程的教学改革显得尤为重要。

2） 课时减少，引入多媒体教学，导致课堂学习效率降低。近些年来，一些其他科目的引入等原因，导致本课程教学课时减少。随着电脑技术不断提高，多媒体教学使用率增加，大大提升了课堂教学的内容量，解决了课时减少教学内容不能完成的顾虑，也导致学生课堂内用信息量太大，不能有效地将课堂知识化为己用，学生课堂做笔记的时间是有限的，导致学生大多数只是被动地接受知识，注意力不集中，课堂学习效率低下。此外，理论基础不牢固可能导致学生在实际工程设计中，不知道如何去开展、设计调速系统，甚至只参照课本或者教师教学内容搭建了系统。

针对上述问题，本文从教学内容上做出了一些调整。课堂教学中，有重点的教学，加强学生对重要知识点的理解与记忆；开设习题课，巩固和深化对课程内容的理解，提高控制系统分析能力；增设实训环节，培养学生的动手能力，通过小组式完成实际系统的设计，更好地培养自动化专业学生的专业技术能力和综合素质。

2教学内容调整

本次教学改革内容的调整，旨在培养学生对直流拖动控制系统基本理论、基本知识、基本技能的理解；掌握单闭环直流调速系统、转速电流双闭环直流调速系统及直流脉宽调速系统的工作原理；通过实训项目设计，培养学生能够综合运用所学知识解决实际工程问题的能力，并培养其分析问题、解决问题的能力及对实际直流拖动控制系统的认识能力。

2.1教学内容

针对燕山大学该课程以往教学方式上存在的理论与实践脱节、课堂学习效率低等不足，提出了教学内容调整方案：从原先的纯理论课堂教学（56学时）调整为课堂理论教学（40学时）与课程研究项目（16学时）相结合，具体课程学时分配如表1所示。

实训项目开展，目的是为了使学生在掌握电力拖动自动控制系统课程理论的基础上，结合嵌入式单片机技术和模拟电路等知识深入了解并掌握电机控制的相关知识与设计，使学生具备独立设计并搭建直流调速系统及其安装调试的基本能力，提高综合应用已有知识解决工程实际问题的能力，更好地培养学生的专业技术能力和综合素质。

2.2项目内容

直流拖动控制系统课程教学调整的重点是在教学环节过程中加入动手实践项目环节——PWM直流调速系统设计，该项目是《电力拖动自动控制系统》课程学习的一个重要组成部分。

PWM直流调速系统项目以小组式展开，2名学生为1组，从最初的方案制定、硬件系统设计、软件编程调试到最终实现控制要求都需要学生相互协作、独立完成，2人分别负责系统硬件和系统软件设计；在最终的项目报告中标明每人在项目中负责的内容。项目进行整个过程中，配置4名实验老师对学生进行全程跟踪辅导，并提供实践项目所需要的工具及实验室等。项目内容安排见表2，要求实教老师对学生各阶段都要进行检查考核。

3实训环节实施

本课程项目的实施，主要是为了培养学生以下几点能力：（1）理解PWM直流调速系统设计原理及具体实施方案；（2）用一种编程软件对嵌入式单片机系统编程调试，用软件绘制系统框图和系统原理图；（3）小组式团队分工协作，培养团队意识，交流表达及组织管理能力，掌握撰写系统报告方法。

下面针对上述培养要求给出实训的实施方案，主要包括系统总体方案设计、硬件部分设计、软件部分设计以及项目实施过程中遇到的几点问题与改进方案。

3.1系统总体方案设计

PWM直流调速系统实训，采用STM32嵌入式单片机作为控制器，选用PWM直流调速调节电机转速，并通过编码测速做反馈控制调节电机转速，输入部分可以选择键盘或者触摸屏，输出显示部分可以选择数码管或液晶显示屏。学生可根据指导教师给出概要方案自己动手搭建系统，图1为具体实施范例。

图1中，选用矩阵键盘作为系统控制输入，液晶屏幕作为系统显示。PWM控制选用可逆PWM变换器，其主电路形式多样，最常用的是桥式（亦称H形）电路。电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改變，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种。图1中选用的是单极式PWM驱动模块L298N驱动12V直流电机。

3.2系统硬件设计

1） 电源模块设计。实训系统采用220V交流供电，学生需要根据原理图，自己动手设计整流电路[5]，把220V交流电转换为12V直流电。整流电路原理如图2所示，主要由变压、整流、滤波和稳压部分组成，交流220V通过变压器、整流器、电解电容、稳压管LM7812和LM7805输出12V直流电和5V直流电。

2） 控制部分器件选型。针对首次PWM直流调速系统项目实施中，控制电路部分让学生自主选型采购造成邮费增加、资源浪费、采购无发票、经费范性支出难规等问题，在第二次实训中，控制部分器件的统一采购，控制部分设备采购清单如表3所示。

3.3系统软件设计

系统软件设计部分，使用KEIL或IAR软件程序编写，主要包括LCD显示、矩阵键盘扫描、PWM电机驱动、正交编码测速、PID调速等部分。指导教书负责指导学生学会使用软件建立工程文件并载入单片机，实现程序功能；指导学生根据1602 模块时序图，编写LCD显示程序；教授学生矩阵键盘行列扫描原理，学生需根据原理编写STM32按键扫描程序；教授学生编码测速资料和数字式PID公式原理，学生需自己查阅资料，完成编码测速程序和通过PID反馈控制实现PWM直流电机调速程序的编写与调试。STM32单片机GPIO、TIM等功能程序参考STM32库函数开发实战指南编写[6]。

3.4问题及改进

1） 本次实训选用的12V直流测速电机，测速码盘采用霍尔传感器，测速码盘只有13线，即电机每旋转一周输出13个周期脉冲，测速精度低。下次采购建议选用精度更高的编码测速传感器，如日本万宝至的385PH16140测速电机，测速码盘具有448线，输出AB两路正交脉冲信号。

2） 控制部分与电机动作部分为电源模块统一供电，变压器输出功率仅为2.04W，选用的12V直流电机额定功率则为4.32W，在电机低速运行时电源提供功率不足，造成控制系统重启，下次建议选用8W以上功率的电压器。

3） STM32主控板选择，综合考虑成本、功能实现及端口裕量，下次实训建议选择108针脚的STM32F103V8T6核心板。

4） 实训工作任务包括电源制作及控制部分安装连接、KEIL软件及STM32库函数使用、各模块程序编写几部分。任务量较重，在规定时间内，只有几组有STM32编程基础的学生独立完成任务；其余同学则是在讲解的例程上，一部分进行程序修改编写，一部分甚至不懂如何编写程序。建议下次实训适当增加学时，最终项目内容进度表如表4所示。

4教学跟踪与考核

1） 教学跟踪。课堂教学和实训项目过程中分别进行了阶段性测试，客观评价学生的学习情况和进度，有针对性地做出适当课程调整，以便达到更好的教学效果，让学生更多更好地深入理解本课程学习内容。项目实训阶段分配4名实验员，给学生做出宏观方向指导，分节点检查学生硬件系统搭建、程序调试情况。在学生遇到问题不能独立解决时，实验员能够尽快作出指导，以便在实训规定时间内能够完成实训规定任务。

2） 教学考核。直流拖动控制系统课程最终教学考核主要由平时测试情况（5%）、作业完成情况（5%）、出勤率（5%）、项目情况（35%）和卷面考核成绩（50%）构成。其中，项目情况又包括几个方面：团队合作情况、项目完成情况、演示汇报情况。卷面考核可以用来评价学生对本课程的了解及理论学习深度；根据演示汇报和项目完成情况可以看出学生的实际工程设计能力；团队合作情况培养学生良好的团队合作意识，并在团队中发挥作用。

5结论

本文首先分析了燕山大学《直流拖动控制系统》课程以往教学方式的不足：（1）理论与实践脱节导致学生工程实践能力偏低，不能够做到学以致用；（2）课时减少，引入多媒体教学，导致课堂学习效率降低。提出了教学内容调整方案：理论教学与课程研究项目相结合。给出了具体的实施过程，并通过两次PWM直流调速系统设计实训，在实践中发现问题，分析并解决问题，理论结合实践，培养学生的工程实践能力，提出了一套科学的、行之有效的PWM直流调速系统设计的改革新方案。

改革后的教学方案，能够更好地培养学生对课程内容的理解，运用所学知识对系统组成及工作原理进行分析设计；使学生具备独立设计系统及其安装调试的基本能力，提高综合应用已有知识解决工程实际问题的能力。通过教学跟踪与考核，能比较客观地评价学生的学习理解程度、实验分析能力及系统设计能力，很好地区分了学生的学习效果。在项目实施过程中也发现一些问题待改进，如实训时间规划调整、硬件选型改进，使学生更充分地理解学习。

参考文献

[1]晏永红.《电力拖动自动控制系统》教学改革探讨[J].现代商贸工业，2011（16）：197.

[2]冯兴田，王平，胡慧慧.“直流调速系统”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2014（1）：1819+22.

[3]陈梅，李鑫，陈薇，陈波，岳胜.直流调速系统综合实验教学改革初探[J].电气电子教学学报，2009（S2）：4446.

[4]陈伯时.《电力拖动自动控制系统》——运动控制系统第三版[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]康华光，陈大钦，张林.《电子技术基础——模拟部分》第五版[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]刘火良，杨森.《STM32库开发实战指南》[M].机械工業出版社，2013.

AbstractThe traditional teaching of DC drive control system focus on theoretical teaching，it leads to problems such as lower project practice ability of students.According to the problems，teaching content adjustment scheme is proposed about combination of theory teaching and curriculum project in this paper.This paper puts forward the specific project implementation scheme of the PWM DC speed control system，and through the tracking teaching and examination objective evaluation of students′ understanding situation，experimental analysis ability and systematic design ability.The reform teaching scheme can cultivate students′ understanding of course content better，improve students′ability to use knowledge to solve engineering problems，make the students have the ability of independent design system and its installation and debugging.Finally，some problems in need of improvement are put forward，such as planning adjustment to the training time and the improvement of hardware selection.

Keywordsengineering practice；DC speed control；system design；installation and debugging