机电传动与控制开放式综合实验平台开发及实践教学应用

许 明， 倪 敬， 孙 珺， 陈国金

(杭州电子科技大学 机械工程学院，杭州 310018)

机电传动与控制开放式综合实验平台开发及实践教学应用

许 明， 倪 敬， 孙 珺， 陈国金

(杭州电子科技大学 机械工程学院，杭州 310018)

针对机电传动与控制课实践教学中普遍存在的课程知识体系树不明晰，课程部分理论及实验环节与工程实际联系不紧密，课程实验设计性和创新性不明显，实验平台开放和利用效率不够高等问题，将CDIO工程教育模式融入课程实践教学，开发综合实验平台，该平台突出“一个核心、两个要素和三层次实践”，即以培养学生应用能力为核心，以电机和控制为两个要素，以基本实验(“看中学”)、设计性实验(“做中学”)和开放型实验(“用中学”)构成三层次实践。该综合实验平台具备开放性、模块化、易集成扩展等特点，不仅能为本科生的课程实验服务，还能满足本科生竞赛、研究生工程设计能力实践学习等需求。实践证明该实验平台能够有效激发学生的学习兴趣，加深对机电传动与控制的理解和掌握程度，与工程实际有较好的对接，锻炼了学生的系统设计及综合应用开发的能力。

实践教学； 机电传动； 综合实验平台； 三层次实践； 工程教育

0 引 言

机电传动与控制课程是工科院校机械类本科专业中培养学生机电一体化设计能力和创新能力的一门重要专业课，是大学生从事机电产品设计的主干技术课程，该课程的突出特点是非常强调动手实践进行产品设计和研发[1-5]，整个实践教学是本课程教学中的重要一环，是促进学习兴趣、加深知识点理解、锻炼动手能力和提升系统设计开发能力的有效载体。但在课程的多年教学过程中，发现普遍存在课程知识体系树不明晰，课程理论和部分实验环节与工程实际联系不紧密，课程实验设计性和创新性不明显，课程实验平台开放和利用效率不够高等问题[1-11]。① 课程的知识体系树不明晰，实践教学重点不突出。传统教学及实践基本从机电传动系统动力学方程开始，然后直流电动机、交流电动机、控制电动机、继电接触控制、PLC控制等，学生在学习及实践过程中抓不住有效沟通各块内容的主线，从而孤立学习，没有有效连接各知识点而形成系统概念；② 课程部分理论及实践内容与工程实际脱节，例如交流电动机的改变转子回路电阻调速等，但为追求理论体系的完备性，课程实验不仅包括这些脱节内容，还将其作为重点，学生的工程实践应用能力得不到提升；③ 课程实验项目侧重验证性而轻设计性和创新性，该课程实验一般由专职实验教师负责，在教学实验室内完成，学生在实验时仅需按规定的步骤操作，简单接线及验证即可，未能有效结合各内容模块，从而导致为实验而实验，没有培养起系统设计和实际工程应用的能力；④ 现有实验平台一般仅针对本科生课程实验，利用效率不高，而且不具备开放性，不能完成课程之外的创新性实验要求。

针对上述实践教学中存在的问题，本文将CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate，构想-设计-实施-操作)工程教学模式渗透到课程实践教学中，开发综合实验平台，突出“一个核心、两个要素和三层次实践”，即以培养学生应用能力为核心，以机电传动与控制课程的电机和控制为两个要素，以基本实验、设计性实验和开放型实验构成三层次实践。该综合实验平台具备开放、易集成扩展等特点，不仅能为本科生的课程实验服务，还能满足本科生竞赛、研究生工程设计能力实践学习等需求。该综合平台的总体设计方案、组成原理以及相关实践教学组织情况及其效果如下。

1 综合实验平台的总体方案

根据课程教学团队近10年的教学实践与经历，以及对课程知识点内容的精炼，总结得到了符合课程大纲要求的知识树体系结构，如图1所示[1]。

图1 机电传动与控制知识树体系结构

课程围绕电动机及其传动控制，从基本动力学方程出发引申出机电传动方程，即电动机驱动转矩、负载转矩、转动惯量、转速之间的关系方程。然后从电动机转矩特性出发，引出目前在工程实际中广泛使用的直流电动机、交流电动机、步进电动机以及伺服电动机，说明它们的工作原理，以及启动、调速、制动特性。最后，结合工业生产中的主流控制方式——继电接触控制和PLC控制，对机电传动系统进行控制。从上述分析可以看出，课程知识点已经能够有机联系起来，从机电传动方程的基础理论出发，到两大要素——电动机(直流电动机、交流电动机、步进电动机、伺服电动机)和控制(继电接触控制、PLC控制)的原理及工作特性方式，最后运用所学知识对机电传动系统进行系统设计及应用开发。可以看到，上述知识体系结构将课程各知识点进行了有机衔接，便于学生在实践学习中抓住主线，培养系统意识。

按照功能特性划分，可将该综合实验台划分为图2所示的5个功能模块：4个电动机实验模块、1个基于PLC和继电接触控制的控制模块，4个电动机实验模块与控制模块之间仅有线缆连接，这样既便于实验平台的集成及扩展，又符合机电传动控制领域的技术要求。

图2 综合实验台结构原理

图3所示为本综合实验平台的三层次实践组成，基础性实验——“看中学”，设计性实验——“做中学”，开放型实验——“用中学”。该综合实验平台不仅将CDIO的教学理念科学合理的融入到实践教学中，提升本科生课程实验的设计性和创新性，还能够为本科生竞赛、研究生工程能力培养服务。在教学方式上，三层次实践环节以实践小组的形式进行研讨式实践，通过小组研讨，调动每位同学的参与性[13]。

图3 综合实验平台的三层次实践

2 综合实验平台的具体构成

综合实验平台包括5个功能模块。

(1) 控制模块。控制模块采用PLC为主控制器，结合空气开关、接触器、继电器等继电接触控制元件，对各电机实验模块进行控制及运行状态的监视，是综合实验平台的核心。

PLC是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)的简称，在工程自动化方面应用极其广泛。考虑到目前国内工程实际中采用西门子PLC的较多，所以综合实验平台以西门子S7 200系列PLC中的CPU224XP为例，通过实验来让学生接触PLC在机电传动控制中的应用。CPU224XP 是西门子公司的小型CPU，该机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点，满足一般小型自动控制系统的需求[12]。部分实验项目如表1所示。

表1 控制模块部分实验项目

控制模块采用工程应用广泛且功能完备的西门子CPU224XP为主控制器，并结合继电接触控制系统，构成机电装备、产品生产线等工程实践中典型的控制系统，通过该控制模块的三层次实践，加深了学生的电控系统设计及应用能力，复杂工业控制问题的分析及实现能力等。

(2) 直流电动机模块。直流电动机以其调速性能好和启动转矩大等优点，被广泛应用于生产制造、交通牵引、电动玩具等各个方面。结合直流电动机的发展趋势，综合实验平台的直流电动机模块不仅包括传统的有刷直流电动机，还包括日益发展的无刷直流电动机。通过滚珠丝杆滑台负载的连接，不仅可进行直流电动机启动、调速、反转、制动等基本实验。还针对自动化设备及生产线中重要的基础部件——多自由度机械臂，利用直流电动机进行驱动实验。此外，开发一些开放性实验项目，如直流电动机驱动器，来锻炼学生的知识综合应用能力和创新思维。表2为直流电动机模块部分实验项目。

表2 直流电动机模块部分实验项目

(3) 交流电动机模块。交流电动机的结构简单、制造方便、容量大，已经成为工业企业最广泛使用的电动机。结合继电接触控制或PLC控制，进行交流电动机的启动、反转、调速、制动等实验。考虑到工程实际中基本采用变频器来对交流电动机进行调速，因此综合实验平台也通过变频器来对交流电动机进行调速实验，摈弃简单的接线及验证性实验模式，在综合实验平台上，学生要从负载形式及要求开始，进行相关计算、元件(变频器、交流电动机)选型及电气接线图设计并接线，并在PLC上编程实现交流电动机的调速要求。此外，设计了一些开放性创新性的实验项目，例如如何制作简易型的变频器等。交流电动机模块部分实验项目如表3所示。

表3 交流电动机模块部分实验项目

(4) 步进电动机模块。步进电动机具有快速启停，无需闭环控制就能实现高精度定位，价格便宜等优点，在需要精确定位的自动化生产线、精密机械等场合得到了广泛的应用。综合实验平台的步进电动机模块包括步进驱动器和步进电动机，负载对象是滚珠丝杆滑台，进行步进电动机的启动、调速、反转、定位等实验。除此之外，设计一些开放性创新性的实验项目，例如如何制作步进驱动器等。步进电动机模块部分实验项目如表4所示。

表4 步进电动机模块部分实验项目

(5) 伺服电动机模块。伺服电动机由于其调速性能好、控制精度高等优点，更适合应用于精密驱动等领域。结合PLC控制模块，进行伺服电动机的调速实验。鉴于三菱的伺服驱动系统使用较多，因此拟采用三菱的伺服电动机及伺服驱动器。除此之外，设计了一些开放性创新性的实验项目，例如如何设计伺服驱动器等，还可引导学生了解并熟悉机器人中广泛使用的舵机，并比较舵机、步进电动机、伺服电动机等的相同和不同点。表5为伺服电动机模块部分实验项目。

表5 伺服电动机模块部分实验项目

上述4个电动机实验模块都采用技术成熟且广泛使用的电动机及驱动部件，与工程实践的联系十分紧密，并通过三层次综合实践的体系架构，使得学生不仅能够掌握常用电动机的原理、使用方法，还可以通过CDIO工程教育理念渗透式的设计性实验，让学生接触并逐步提高机电系统的构思能力、设计能力、实施能力、调试能力、文档撰写能力等，并通过开放型实验，锻炼知识综合运用能力及创新思维。

3 综合实验平台的实践教学组织

本文所开发的综合实验平台定位为教学科研开放式平台，具备模块化、开放性、易集成扩展等特点，不仅能为本科生的课程实验服务，还能满足本科生竞赛、研究生工程设计能力实践学习等需求。下面从这3个方面来简要说明该综合实验平台的实践教学组织及利用情况。

(1) 本科生课程实验。课程实验依据“工程实际应用、工程电气图纸和工程项目管理模式”的三进原则进行设计和安排，采取小班化分组型实验模式，将一个教学班级30～40人分为8组，每组3～5人，设组长1名，分组分人在综合实验平台上进行课程实验。在综合实验平台的基础上，从学生和教师的角度分别进行课程的实验教学组织(如图4所示)。并且将研讨式教学方式贯穿于实验准备、实验过程和实验结果处理的全过程中，注重理论知识与工程相结合的研讨，注重自学和互学，实施主讲、补充、相互提问和教师补充的实验研讨教学模式。

图4 综合实验平台上的本科生实验教学组织

(2) 学生竞赛的开放式平台。该综合实验平台涉及到机电传动及控制领域的多个方面，在本科生实践教学之外的时间，可作为学生竞赛的开放式平台。预约使用后，在指导教师的协助下，进行竞赛相关的机电传动及控制方面的实验。基于该综合实验平台，作者指导的学生连续在第十三届和第十四届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛中获得国赛一等奖。

(3) 研究生工程能力培训。由于研究生的生源多样化，各本科学校、各专业在机电传动控制课程的实践教学方面有种种差异，从而使得有些研究生进入实验室之前，缺少机电传动控制相关的读图能力、设计能力、实践能力等[14-15]。为此，针对研究生工程实践能力培养的需求，基于综合实验平台进行相关的设计性实验及开放型实验，提高研究生的综合分析、系统设计和工程调试能力等。

4 结 语

该综合实验平台由专业教师基于机电传动的工程实践能力培养而开发，涵盖课程主要知识和技能，并减少验证性实验，加大设计性实验和开放型实验的比例。通过设计性实验和开放型实验，锻炼学生的综合分析能力、实验动手能力和在工程实践中发现问题、分析和解决问题的能力，培养学生严谨求实、探索创新、团结协作的精神。在该综合实验平台推出的近4年里，对本科生和研究生工程实践能力培养起到了良好的促进作用：在读本科生及研究生普遍认为该实验平台的功能完备，通过综合实践使得对机电传动控制的理解和掌握更为深入，设计能力和综合应用能力得到了锻炼；已毕业学生及用人单位普遍认为该综合实验平台与工程实践紧密对接，通过在实验平台上的实践和锻炼，学生进入企业后在较短时间内都能适应和胜任机电装备、生产线等的机电传动系统设计、调试等任务。

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Design of an Open Comprehensive Experimental Platform of the Electromechanical Transmission Control Course and Its Practical Teaching Applications

XUMing,NIJing,SUNJun，CHENGuojin

(School of Mechanical Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

The practical teaching of electromechanical transmission control course exists several common problems, such as indistinct curriculum knowledge tree, loose connection of some theoretical and experimental contents with the practical engineering, inconspicuous design and innovation training in course experiments, less openness and utilization efficiency of the experimental platform. This paper discusses the design and implementation open comprehensive experimental platform based on CDIO (conceive-design-implement-operate). The novel platform highlights “one core, two elements, and three-level practices”. The core is the student’s application ability, the two elements are electrical motor and control, and the three level practices are fundamental experiments (learning from observation), design experiments (learning from designing) and innovation experiments (learning from utilizing). In addition, the novel platform has some advanced features: openness, modularization, easy integration and extension etc. It can not only be used in course experiments for undergraduate students, but also serve undergraduate in competitions and graduate engineering design. The platform has been proven that it can stimulate students learning interests effectively, deepen the understanding and mastering of electromechanical transmission control course, connect with the engineering practices compactly, train the ability of system design and integrated application for undergraduates and graduates effectively.

practice teaching; electromechanical transmission; comprehensive experimental platform; three-level practice; engineering education

TP 273

A

1006-7167(2017)06-0196-05

2016-06-15

杭州电子科技大学高等教育研究资助项目(ZD201505)；杭州电子科技大学基于MOOCS/SPOC的“翻转课堂”改革项目(液压与气动(甲))

许 明(1982-)，男，湖北黄梅人，博士，副教授，主要研究方向：机电传动控制。Tel.: 13819170630；E-mail: xumzju@163.com