运动控制系统课程教学模式改革研究

刘汉忠 万 其 温秀兰

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

随着国民经济的发展，培养既懂理论又有实践能力的人才，已成为高校特别是应用型本科院校教学改革的必由之路。运动控制系统是高等院校自动化专业的一门核心专业课，具有很强的理论性与实践性。其具有以下几个特点：(1)专业性。课程的理论性较强，课程主要介绍各类电机的系统控制理论、控制方法。(2)实用性。课程应用触及工业各个领域，在航空航天、数控机床、机器人控制、轨道交通等各行各业应用广泛。(3)综合性。课程以自动控制原理、电力电子、电机与拖动、模电、数电、单片机原理、C语言、检测技术等专业基础课为基础，课程综合性很强[1-4]。

1 理论教学和实践教学模式的改进

鉴于课程的实用性，几乎所有高校自动化专业都会开设这门课，但是由于本课程专业性和综合性较强，学生普遍反映课程不好学、学不好。经过多年的教学实践及工程项目经历，本文认为要让学生学好这门课，可以从以下几方面做改变。

1.1 MatLab仿真应用到课堂教学

将MatLab控制系统仿真引入课堂，可以在课上随时演示理论设计相对应的MatLab仿真模型，增强学生对抽象理论知识的理解能力，改善教学效果。

在讲授直流调速系统时，利用MatLab仿真可以验证说明众多问题，比如P调节系统为什么总是存在静差？PI调节为什么可以实现无静差？P，I分别起什么作用？利用MatLab可以很方便地建立控制系统模型，轻而易举地得到振荡、有静差、无静差、超调大或者启动快等不同的转速曲线。经过比较可以发现，系统的稳定性和快速性是一对矛盾，必须根据工程的要求，选择一个合适的PI参数，通过MatLab仿真，使学生很直观地理解双闭环启动过程的三个阶段：电流上升、恒流升速、转速调节。

在讲授交流变频调速时，通过在MatLab建立SPWM或者SVPWM交流变频调速系统模型，通过仿真分析电压、频率、磁通的关系，可以看到磁链运行的轨迹，帮助学生了解异步电机运行原理，验证VVVF变频控制的特点，有助于学生掌握变频调速控制方法；同样通过建立异步电机、同步电机的矢量控制仿真模型，使学生直观了解矢量控制各功能模块，掌握较复杂、抽象的矢量控制原理。

在讲授位置控制时，通过对位置系统进行MatLab仿真，使学生直观了解、掌握跟随误差与开环增益、跟随误差与前馈补偿、开环增益与稳定性以及两轴合成运动时位置给定信号形式，了解直线插补和圆弧插补时影响轮廓误差的因素等，所有这些抽象、不好解释的结论都可以通过MatLab说明。

MatLab仿真有助于学生增强课程理论知识与实际应用之间联系，将仿真研究引入课堂理论教学，可促进学生对课程基本理论的理解和掌握。

1.2 工程实际项目融入理论课堂教学

运动控制系统理论内容讲授时，可以通过MatLab解释、了解、验证一些结论，但是仅仅通过仿真还是无法培养学生的工程实践能力，必须结合工程实际项目来增加学生对工程实践的感性认识，培养学生理论、实际相结合的能力，因此以项目为导向是本课程教学方法改革上的重点，具体如下。

(1)在讲授直流调速时，可以把有刷直流电机、无刷直流电机结合到一起介绍，并以电动自行车控制器的设计为项目案例，首先，让学生了解一下电动自行车的发展历史及其国内外研究现状，制作一些形象生动的视频，增加学生的感性认识；其次，讲解该系统设计的总体框架和思路，根据总体框图介绍各部分硬件功能模块的具体实现，重点介绍驱动放大电路、电流采样电路、欠压过流保护电路，霍尔信号检测处理电路等设计；再次，介绍软件设计，如如何避免上下桥直通、速度如何计算，电流调节器、速度调节器PI控制算法如何实现，无刷直流电机如何实现电子换相等。通过具体项目介绍，让学生直观掌握直流电机双闭环数字控制的实现过程。这也使学生充分感受到运动控制系统课程是对电力电子、模电、数电、自控原理、检测技术、C语言以及单片机等知识的综合运用，使学生有意识地对这些前期课程进行复习和回顾。

(2)在讲授变频调速时，可以以普通变频器设计为例，介绍交-直-交变频器的硬件结构，包括整流及启动电路、控制电源电路、IPM模块逆变电路、电流检测电路等。重点介绍SPWM控制算法、SVPWM控制算法、三次谐波注入SPWM控制算法如何实现，而不是停留于书上的一大堆公式，使学生陷入“云里雾里”。通过项目教学，可使学生较快掌握变频器的设计与实现过程。

(3)永磁同步电机控制系统和位置控制内容可以交流伺服驱动器的设计为例来介绍，先介绍硬件设计，然后重点介绍如何实现速度采样、初始定位等，通过实际案例使学生能比较直观地理解FOC理论知识，并能较好地掌握、应用。

利用项目教学法可以把书本上复杂、抽象的内容直观、形象、具体地呈现给学生，学生也会更容易接受、掌握这些内容。

1.3 验证性到设计性实验实践教学改革

目前运动控制系统课程实验主要以验证性实验为主，基于本课程实用性以及培养学生工程应用能力的考虑，要求学生尽可能参与到实践中，培养工程应用能力，包括硬件设计能力、软件编程能力、调试能力等，因此验证性实验对学生掌握电机控制原理和控制方法作用不大。本课程另一实践性环节—课程设计，主要内容是伺服系统的MatLab仿真，但仍然无法培养学生电机控制的实战能力。因此考虑把8学时的实验和一周的课程设计合并起来，进行为期两周的课程实习，课程实习主要基于自制的电机控制实验板做控制程序设计，将当前无刷直流电机换相验证性实验、VF变频验证性实验、直流调速PI控制验证性实验全部变成设计性实验，即自行设计程序实现无刷直流电机换相、自行设计SPWM，SVPWM程序实现VF变频调速、自行设计PID程序实现电机闭环控制。

电机控制实验板提供硬件原理图，实习开始后，首先给学生介绍硬件原理图、元器件的焊装工作，有兴趣的学生可以利用课余时间完成，电机控制实验板采用程序开源模式，即嵌入式程序外设配置以及一些接口函数都已经做好，学生主要参与纯C语言的控制算法设计，例如，学生自行编写无刷直流电机换相控制程序，通过霍尔指示灯与开关管指示灯验证程序的对错；而现有实验装置只能单纯地通过霍尔指示灯与开关管指示灯的变化验证换相过程，相比前者，后者无法达到培养学生工程设计能力的目的。再如，由学生编写SPWM，SVPWM变频控制程序，利用示波器观察阻容还原以后的VF波形，这种设计训练一定会使学生真正掌握电机的变频控制算法；而现有装置单纯验证VF关系实验是无法做到的。另外，为培养学生建立控制系统的概念，让学生动手编写速度控制闭环调节程序，包括P程序、PI程序，观察速度响应及稳态误差，从而更好地理解有静差、无静差系统；而现有实验装置无法让学生自己编程实现速度闭环控制，因此通过这些程序设计性实验的训练，一定可以使学生真正掌握电机控制原理和方法，建立“给定—反馈—偏差—调节”的系统概念，达到培养更强的工程设计能力的目的。

2 结语

本文针对运动控制系统课程涉及的专业基础课多、综合性较强等特点，结合多年教学情况，对理论教学、实践环节进行了教学方式的思考和探讨，提出了将MatLab仿真融入理论教学，并采用项目教学法把理论知识做进一步诠释，使学生能较直观地理解复杂、抽象的运动控制知识，针对实践性环节，提出以设计性实验取代只能看、不能真正参与的验证性实验，从而更好地培养学生工程设计及应用能力。