基于伺服电机驱动的《现代电气控制技术》教学改革探索

岳伟挺，曹月花

（杭州电子科技大学 信息工程学院，浙江 杭州）

一 引言

伺服电机驱动系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制，广泛应用于包括工业机器人、数控机床在内的智能制造领域。随着我国制造产业转型升级，伺服控制技术的应用范围正逐渐扩大，对伺服控制技术的人才需求日益增加。近年来随着大学生科技竞赛活动的推广，以中国智能制造领域规模大、规格高的国家A类竞赛 “西门子杯”中国智能制造挑战赛为例，设置了以伺服电机应用为基础的运动控制分项赛，这从侧面也反映出国内制造领域对伺服控制人才的现实需求。

我校作为应用型本科高校，本科生就业主战场和优势领域是浙江地区庞大的先进制造产业和智能控制行业。因此，基于应用型人才培养的目标，以及教育部对高校产教融合、协同育人的教学指导方针，本课题在伺服电机控制技术方向进行了教学改革和探索。无论是理论教学还是实践教学，重点符合智能制造产业与智能控制产业对人才能力的需求。把企业工程项目作为切入点，以伺服电机控制工程的项目为教学抓手，把企业的需求合理地融入到我校教学培养环节。本课题探索面向企业真实生产环境的任务式教学培养模式，为产业升级所需的应用型、技术技能型人才培养提供路径保障。

二 伺服控制方向的教学现状

（一）教学内容与课时分配不足

机电一体化伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。伺服控制方向的教学内容，通常涵盖于电机拖动技术、电力电子、电气技术及PLC控制等多个课程内，没有作为一门独立课程列入教学计划。因此，各高校教学内容和教学课时都是因地制宜、因校施策，根据各自的教学需求和就业需求进行安排。以《现代电气控制技术及PLC原理》这门课程为例，伺服控制方向的课时为4~6课时。但是，各高校也都意识到伺服控制的教学是必要的，并有强烈的人才需求，在这个方向进行的教学改革符合产教融合的需要。

（二）教材缺乏

在国内电气控制、机电控制的传统教学计划和教学大纲中，伺服电机控制方向并不是主要教学内容。因此在教材编著中，这一部分的内容比较缺乏。通常作为某一个选修章节，而不是重点教学内容。专门针对伺服控制方向的教材目前也非常缺乏，大部分高校是根据授课内容自编讲义。

（三）实验设备亟待更新

电气控制方向的教学设备大都停留在传统的交流三相电机的控制为主，基于伺服电机控制的实验设备和平台比较缺乏。理论教学缺少先进的实验平台的支撑。需要研究和制定技术先进、经济实惠的实验平台建设方案，更新实验设备和实践教学手段。

三 理论教学的创新与实践

针对目前国内高校自动化与电气专业的教学和课程现状，本课题以产教融合为基础、以校企协同育人为手段，基于应用型人才培养目标，开展面向伺服驱动的现代电气控制技术课程的教学改革。不仅让学生掌握伺服控制的基础理论，提高实践技能，还要培养学生的创新能力与解决复杂工程问题的能力。为了达到这个目标，本课题在实施过程中，与工程领域的专家保持沟通，研究工程领域对自动化类人才的实际需求，调整教学计划和课程，充实理论教学和实践教学。把伺服市场的人才供求比例、就业质量作为教学培养的重要依据。我校与兆融（杭州）科技发展有限公司、杭州韦德伺服科技有限公司、北京博创尚和技术公司等合作，共建伺服驱动与控制实验室，按照本科教学标准共同制定了在伺服电机控制方向的课程教学大纲。

理论教学改革的内容，重点是调整培养计划和教学大纲，包括调整课程学分、课时分配、教学内容、考核考察内容、教材选用等。在满足教学范围和大纲的基础上，课程内容与培养重点均要向伺服电机方向倾斜。在目前的教学内容中，培养计划和教学大纲中涵盖了伺服电机的原理与控制方法的教学，但并不作为各课程的主要部分或核心知识点。在我校目前的理论教学中，“现代电气控制与PLC应用”课程传统是以三相异步电机的学习为主，包括电机启停控制、正反转控制、顺序控制等。通过课程调整，开展以伺服电机驱动与控制为核心的课程群建设。把教学范围和教学重点，拓展到以伺服电机、步进电机的控制与应用为主，包括电机运行原理，PLC高速脉冲控制指令编程与传感器、触摸屏的综合应用等。伺服电驱系统是以伺服电机为执行元件，使移动部件的位移及速度等被控量能够跟随输入值变化的自动控制系统。伺服驱动与控制技术教学环节，任务就是讲授伺服系统基本原理以及在工业自动化领域中的应用。教学改革之后的内容如图1所示，不仅包含多种伺服电机驱动技术的理论知识，而且集成了系统设计和综合应用等工程能力和实践能力。

图1 伺服驱动与控制方向的教学内容

本课题在实施过程中，修订了2020级与2021级本科教学培养计划和教学大纲，增加了伺服控制方向的课时。在“现代电气控制及PLC应用”的教学计划中，把该环节课时从4课时理论课，增加到8课时理论课及8课时实验课。通过增加课时和学分，首先强化学生对伺服电机的基础学习和应用，其次培养学生熟练掌握伺服系统设计技术和设计方法，并综合运用控制理论、自动控制技术、机器视觉与人工智能等知识的能力，拓展工程视野。在教学内容的调整过程中，教师通过调研、培训与学习、备课，更新自身的知识储备，提高工程应用的业务能力，顺利完成课程的改革和建设。

四 实践教学体系的探索

（一）调整实践教学内容

在我校实验与实践教学中，借助于近年的实验室建设，目前已经能够完成三相异步电机的大部分驱动控制实验。但是也存在教学重点不突出、学生特色能力不明显的问题，实验教学内容不能贴合智能制造产业对电气控制技术的需求。以电机控制的教学环节为例，常规的实验内容项目众多，可开设的实验项目包括PLC控制三相异步电动机变频调速实验；三相异步电动机启停控制与正反转控制实验等。通过本课题，实验教学内容调整为以伺服电机为目标的实验设备，完成以伺服电机速度控制、位移控制为核心的实验内容。调整考核考察方向，加大对伺服电机应用能力的考核。2019年11月，我院机电工程系与兆融（杭州）科技发展有限公司、杭州韦德伺服科技有限公司联合共建了伺服驱动与控制实验室，提供了教学所需的基础实验环境和实验设备。

（二）实行三段式实践教学模式

在教学时间环节中，为解决伺服控制的过程复杂、综合性强的问题，提出了三段式的实验教学模式。把复杂工程问题分解为三个互相独立又紧密相关的阶段，即入门阶段学习、提高阶段学习和综合应用阶段学习。通过分层分类教学，把不同实验室、不同实验内容有机结合，逐步提高学生的实践与应用能力。具体过程为：学生起步阶段进行单机操作和单机学习，通过单轴驱动装置的实验，理解伺服控制的基本方法；在提高阶段，通过双轴、三轴的驱动装置，完成相对复杂的具体任务；在综合应用阶段，结合工业机器人、机器视觉等设备，完成对伺服设备的综合应用和控制。例如第一和第二阶段，可根据交流伺服电机的位置控制模式及PLC高速脉冲输出原理，设计交流伺服电机的PLC控制综合性实验。实验内容包括设置交流伺服驱动器参数、电气设计与连线、运用PLC的高速脉冲处理指令编制程序，以及控制电机按指定的速度运行、单轴快速定位和指定的加减速动作。通过不同层次和难度的实验,巩固和扩展理论知识、激发学习兴趣、提高教学质量。

（三）探索虚拟仿真实践教学

在实物实验平台的基础上，为了拓宽伺服电气控制技术的应用场景，本课题引入了基于虚拟仿真技术的实验教学模式，延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平。教学改革重点在于借助虚拟仿真技术，对基于伺服电机的复杂控制工程、工业机器人控制工程进行模拟仿真，通过形象、生动、具体的情景模拟和过程响应，动态地学习并理解电气控制原理与程序控制。在虚拟仿真课时内，要求学生完成控制系统建模、设备运动轨迹控制、控制算法和控制参数的程序设定等。虚拟仿真实训课程，可以与传统教学模式无缝连接，学习阶段和考核评价都有机结合。课程评价指标内容丰富，由浅入深，难度有不同等级，可以实现分层分类的教学和考核。该评价体系适合于应用型人才培养的目标和定位。

虚拟仿真克服了传统教学的瓶颈，不受实验设备数量和操作风险的影响；同时传统的实物型实训，可以对虚拟仿真的学习效果进行验证。复杂的、有一定难度的传统教学阶段，可以在虚拟仿真环境中完成；到达一定熟练程度之后，再结合实物实训来完成。此外，对具体的工程实际案例，也可在仿真平台上实施模型搭建，实现由伺服电机与工业机器人等组成的虚拟场景功能。

采用虚拟仿真技术的离线编程与操作，采用直观的用户界面，便于搭建工作环境，创建坐标系，设定机器人与电气设备的运动轨迹与目标。为多种工业设备应用预习设定进行离线编程。虚拟软件的模型库包含多个品牌的机器人、PLC控制器、伺服电机等设备。虚拟仿真将电脑上的3D模型与实物紧密地结合在一起，实现核心教学要素的仿真，使教学和知识传播从二维走向了三维。

五 重视工程应用能力培养

为提高学生工程应用与实践能力，采用了项目驱动、以赛促学的培养模式。在本教学改革中，工程能力就是伺服系统设计集成（即设计选型、接口设计、软件设计等） 与现场调试的实践能力。伺服运动控制技术课程理论性、实践性、综合性均较强，主要面向自动化技术领域培养具有伺服系统维护、设计与开发能力的高级应用型技术人才。课程教学内容不仅包括基本控制理论及应用，更强调伺服控制系统的设计与实现。目前，该课程群理论教学主要是讲授包括伺服电机在内的各种电机控制与驱动原理，课程理论强、数学逻辑复杂，教学重理论轻实践。市场和企业对具有伺服驱动工程能力的毕业生需求很大，这就迫切要求对课程教学方向和教学方法进行改革，培养学生实践能力与工程能力，以适应企业的要求。

在本课题实施中，选择了适合不同层次、不同能力的项目案例作为工程应用能力训练项目，以通过项目驱动学习进程，以完成具体任务为本阶段目标。在工程案例选择上，结合我校本科生长期以来的就业择业优势领域，主要面向智能制造与智能控制的相关典型运动过程的伺服系统设计，如“机床加工专用设备伺服系统设计”“机器人关节臂伺服系统设计”“基于机器视觉的伺服系统设计”等。项目特点要小而精，学生利用开放实验室、学生工作室，以及实验课进行完成，并计入课程成绩考核。难度稍高的项目被安排在课程设计、毕业设计以及大学生科技竞赛中完成，另行考核。在系统设计与实现时，强调单片机、可编程逻辑控制器、机器视觉系统等多种控制系统在伺服系统中的综合应用。

为了在实践教学层面上探索产教融合的途径，开展了学赛结合、以赛促学的模式。为拓展和延续伺服控制方向的学习，在校内组织成立了面向伺服控制的学习协会和竞赛队伍，并聘请产业公司的技术人员不定期进行实践教学指导。近两年组织指导学生参加了多项大学生科技竞赛。例如第14届、第15届“西门子杯”智能制造挑战赛 （教育部A类赛事），共有6名同学获得省赛奖励（1等奖1名，2等奖2名，3等奖3名），2名同学获得了国赛奖励（特等奖1名，二等奖1名）。通过学与赛的结合，让学生学会综合运用已学习的电气控制专业知识，并引领学生组成伺服控制系统来解决智能制造领域中的电气化、数字化、智能化问题，进一步提升学生的复杂工程应用能力。

六 结语

基于产教融合的培养方向，以培养应用型电气工程师为具体目标，开展了现代电气控制技术教学改革和实践。通过我国智能制造产业转型升级所急需的伺服控制技术人才为培养目标，开展了理论教学和实践教学的改革，有效地帮助学生建立和提升工程意识。在现代电气控制技术课程改革中，通过深化伺服电机控制的理论教学、开展层次丰富、递进式的分层分类实验教学，以及以赛促学、产教融合的实践能力培养，从三个层面培养和提高学生在伺服控制领域的自主学习、分析问题、解决问题的能力，获得良好的教学效果。实现了电气控制技术教学服务于智能制造领域，为我国工业产业提供有力的人才和技术支撑，也体现了电气控制技术课程的作用与特色。这个教学目标和模式，未来可进一步推广到其他课程，全面提升电气自动化教学与我国产业需求的融合程度。