计算机控制综合实验课的设计与实践

柏艳红，李林娟，田 娟，李 虹

（太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024）

“运动控制系统”为自动化专业的重要专业课，微机控制直流脉宽调速是该课程的主要内容之一，包括直流PWM变换电路原理、微机控制闭环直流脉宽调速系统的组成、系统硬件结构和软件框架、数字PI调节器设计、编码器测速原理、数字滤波等内容[1]。开设“单片机控制闭环直流脉宽调速系统”实验可以巩固和提升相关理论知识，但由于该实验项目还涉及单片机外围电路设计、程序编写和调试，是对“运动控制系统”和“微机原理与微控制器技术”两门课程知识的综合应用，因此无法在其中一门课程实验中完成。

跨课程的综合实验，是对两门以上相关专业课知识的大串联，通常采用项目驱动的教学方式，围绕项目开展教学活动，将专业知识与项目融合在一起[2-3]。项目驱动的综合实验，可以充分调动学生的学习兴趣和主动性，提高知识应用和融会贯通的能力，培养创新能力、实践能力、协作能力和解决复杂工程问题的能力[4-5]。西安交通大学生物工程专业、大连民族大学测控专业、山东科技大学自动化专业等均设置了综合实验课[6-8]。

工程教育认证标准明确规定，工程实践与毕业设计至少占总学分的 20%，标准的 12条毕业要求对知识、能力和素质提出了全面要求，需要理论教学和实践教学协同支撑[9]。

我校自动化专业以工程教育认证为契机，在2015版课程体系中，设置了以“单片机控制直流脉宽调速系统实现”为主线的“计算机控制综合实验”集中实践环节。针对该课程，开发了实验装置，制定了课程目标，设计了教学内容，已在教学中实施。

1 实验装置

针对该课程开发了单片机控制直流脉宽调速系统实验装置。该装置组成见图1，主要由 MSP430单片机开发板DM430-A、全桥IGBT模块F475R12KS4、四单元IGBT驱动板DA962A4Q、直流电机、电磁制动器、600线数旋转编码器、MAX471电流检测模块、上位机等组成。直流电机为永磁电机，额定功率200 W，额定电压220 V，额定电流2 A。上位机采用IAR开发环境。实验装置照片见图2。

图1 单片机控制直流脉宽调速系统实验装置组成

图2 实验装置照片

实验装置接线完全开放，单片机端子、PWM 电路形式可以自由选择，学生可以按自己的设计方案自由接线。图3为采用H桥PWM电路时的一种硬件电路方案，包括IGBT模块接线原理、IGBT模块与驱动板接线原理、驱动板与单片机开发板的接线原理、编码器与单片机的接线原理等。

图3 硬件接线方案示例

2 课程目标制定

按照工程教育认证“成果导向”理念和“反向设计”原则，课程目标制定应依据课程支撑的毕业要求[10]。工程教育认证标准规定了 12条毕业要求，包含了 6条专业技术能力和6条非技术性能力，毕业要求不再是传统的知识要求，而是能力要求[11-12]。

在工程认证理念指导下，本综合实验课程培养知识的综合应用能力和实验研究能力，同时还培养创新意识、团队合作精神等综合素质。具体教学目标为：①了解直流脉宽调速微机控制系统设计的主要环节，掌握硬件方案和设计方法，能够编写单片机实现程序，在设计中能够体现创新意识，主动创新；②了解微机控制直流调速系统设计和实现过程中对用电安全、器件和人身安全的考虑；③能够针对直流脉宽调速微机控制系统，设计实验测试方案、进行实验测试、分析实验结果，并能推广应用到其他电机控制系统或微机控制系统；④通过以小组为单位的形式完成实验项目，认识到团队的力量和团队合作的重要性，能够胜任团队成员或团队负责人的角色。

3 教学内容设计

按照分步实施原则将项目划分为几个子任务：电机开环运行控制，编码器测速和开环特性测试，闭环控制。针对子任务的实现设计实验项目，并针对每个实验项目制定实验任务和目的。作为一门独立课程，安排适量的课堂讲授或总结讨论环节，讲解项目涉及知识。

按照工程教育理念，教学内容设计时考虑对课程目标的全面支撑，保证课程目标的实现。主要教学内容如下。

1）第一讲 课程和实验系统介绍（支撑目标①）

主要内容：课程性质和地位、目标、内容、考核方式等。

2）第二讲 直流脉宽调速系统的硬件方案（支撑目标①）

主要内容：单片机控制直流脉宽调速系统的组成；IGBT模块及驱动板、直流电机驱动模块、编码器、单片机及开发板等实验装置主要元器件介绍；实验装置的硬件方案。

3）第三讲 直流脉宽调速系统的基本理论及软件方案（支撑目标①）

主要内容：PWM 电路原理、编码器测速原理、开环系统组成原理及软件方案、闭环系统组成原理及软件方案。

4）第四讲 MSP430单片机与 DM430-A开发板（支撑目标①）

MSP430单片机的特点；DM430-A开发板的组成及接线原理；MSP430的系统时钟、I/O端口、定时器等功能配置。

5）实验一 IAR编程环境及开发板使用（支撑目标①）

实验目的：掌握IAR编程环境及开发板使用；了解端口控制寄存器的定义和配置方法；掌握I/O操作和外部中断编程思路和方法。

实验任务：IAR编程环境及开发板使用；按键中断控制LED灯的编程与调试；按键扫描控制LED灯的编程与调试。

6）实验二 基本功能编程实现（支撑目标①）

实验目的：掌握LCD显示编程；掌握定时器中断配置和编程；掌握定时器产生 PWM 信号的配置和编程。

实验任务：可增减的LCD数值显示编程与调试；定时中断产生方波信号编程与调试；PWM 信号输出编程与调试。

7）实验三 直流电机开环运行及特性测试系统实现（支撑目标①、②、③、④）

实验目的：复习巩固直流电机开环控制系统组成；掌握开环运行和特性测试的程序架构；复习巩固编码器测速方法，掌握编程实现M法测速的思路和方法；能够设计实验测试分析电机特性。

实验任务：单片机控制直流脉宽调速系统硬件方案确定；具有起停控制和速度调节功能的开环系统编程与实验调试；增加速度检测显示功能的开环特性测试系统编程与实验调试；开环系统控制特性测试与分析。

8）实验四 闭环直流脉宽调速系统实现（支撑目标①、②、③、④）

实验目的：复习巩固直流电机闭环控制系统组成；掌握闭环系统的程序架构；掌握PI算法的编程思路和方法；能够设计实验测试分析闭环系统的性能；复习巩固比例和积分控制的作用，了解PI参数的影响。

实验任务：能够显示速度设定值和实际速度、能够调节设定速度、采用比例控制的闭环系统编程与实验调试；测试比例控制系统的性能，观察比例系数的影响；编写采用PI的闭环系统程序，实验研究PI参数的影响。

9）实验五 拓展创新实验（支撑目标①）

实验目的：通过自主拟定实验，培养发现问题、解决问题的能力，培养勤于思考的习惯以及自主创新的意识。

实验任务：总结单闭环调速系统实现过程，从需要改进之处、未实现的功能、需要进一步研究内容等方面，拟定拓展实验内容。

参考实验项目：单闭环程序优化；单闭环系统各参数对系统性能的影响研究；改进PID算法；可逆直流脉宽调速实现；双闭环系统实现。

10）第五讲 总结讨论（支撑目标①、②）

主要内容：总结微机控制直流脉宽调速系统的总体方案、硬件方案和软件方案；讨论实验中遇到的问题及解决方法；讨论直流调速系统设计和实现过程中对用电安全、器件或人身安全的考虑；讨论自主创新之处。

4 教学实施

“计算机控制综合实验”共32学时，安排在大三第二学期末，已于2018—2019年面向2015级和2016级自动化专业学生顺利开设，采用 2人一组的分组形式。

采用五级制计分方式，依据实验表现及完成情况、实验总结报告、卷面测验进行考核。

采用项目驱动的教学方式，促使学生积极分析解决问题，课堂气氛活跃，大部分学生能够在规定时间内完成单闭环调速系统实现，个别学生在教师指导和同学的帮助下，通过适当延时，最终也能完成。学生体验到项目完成后的成就感，激发了学习兴趣，获得良好的教学效果。

但还存在以下问题：还有部分学生不能完成拓展创新实验选做项目；对相关知识和概念认识不深刻；存在单片机程序生搬硬套的现象。拟重点从考核方式上作如下改进：

（1）改变总结讨论课后直接进行卷面测验的方式，在讨论课后留一段时间给学生自行总结，提交总结报告后再进行卷面测试；

（2）利用微助教、学习通等现代网络工具，进行随堂测验，增强过程考核；

（3）明确拓展创新实验的占分比例。

5 结语

“微机控制直流脉宽调速”是当前直流调速的主要形式，也是“运动控制系统”课程的主要内容之一，设置计算机控制综合实验课程，将“运动控制系统”和“微机原理与微控制器技术”两门课程知识相融合，解决了“微机控制直流调速系统实现”的实践训练问题。按照工程教育认证“产出导向”理念，制定了课程目标，设计了教学内容，开发了开放性实验装置。该课程不但培养知识的综合应用能力，还培养学生创新意识、团队精神和解决工程问题的能力，已面向两届学生顺利开设，获得良好的教学效果。