基于CDIO 的伺服与变频技术实验设计与实施方法

冯凌云，徐月华，郭灿彬，吴迪

（广东机电职业技术学院 电气技术学院，广东 广州 510515）

交流伺服与变频技术是现代工业自动化的支撑性技术之一，在包装机械、食品机械、造纸机械、物流机械及机器人等领域得到了广泛应用[1-4].随着中国“新基建”时代到来，在传统制造向智能制造全面转型升级的大趋势下，伺服系统与工业变频器正面临巨大的发展机遇.为满足社会发展的需求，许多高校（特别是高职院校）在机电类专业中开设了交流伺服与变频技术相关课程[5-7].该课程实践性和工程性强，其中的实验教学是提高教学质量和效果的重要环节[8].但在多年教学过程中，发现普遍存在实验项目脱离工程实际、内容缺乏设计性和创新性等现象，不仅制约学生的学习积极性，也不利于培养学生的工程实践及创新能力.此外，高职院校生源渠道日趋多元化，学生水平参差不齐，如何满足新形势下学生差异化诉求已成为教育教学工作者亟须解决的重要课题.

CDIO 是21 世纪初由美国麻省理工学院等4 所世界知名大学共同研究并提出的新型工程教育理念，其名称源于构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）4 个英文单词的缩写[9].它倡导将教学融入具体的、接近实际的工程应用之中，以产品生命周期为载体引入项目情境，激发学生兴趣，引导学生以主动的、实践的以及发现性的方式进行学习，从而实现工程基础知识、个人能力、团队合作能力和工程系统能力的培养.CDIO 在中国经过20 余年的实践与创新发展，已成为推进高等教育教学改革的重要手段，具有很强的实践可操作性和普遍适应性[10-14].因此，将CDIO 理念融入交流伺服与变频技术的实验课程，设计和实施基于CDIO 的项目式教学，是解决教学现状诸多问题的有效途径.

1 实验平台及项目简介

1.1 实验平台结构

实验项目的开展依托学校自主搭建的伺服系统与变频器实验平台，设备选型贴近工程实际且兼顾经济性，主要由PC 机、PLC、触摸屏、变频器、减速电机M1、伺服系统、外部操作盒及相关连接线缆组成，整体结构见图1.

图1 实验平台整体结构

PC 内安装Multisim12，STEP7-MicroWIN SMART，WinCC flexible SMART 等软件，PLC 选用西门子的S7-200 SMART 小型可编程控制器，触摸屏采用西门子推出的高性价比触摸屏SMART 700IE，交换机将PC机、PLC 和触摸屏连接起来组成一个局域网，以便实验过程中组态、编程等.外部操作盒（见图2）是自行设计制作的外部手动控制设备，通过快速插拔接线端口能与PLC 或变频器的DI/AI 相连.操作盒的拨动开关和旋钮可自定义使用，实现对变频器或伺服驱动器的运行控制.变频器选用三菱公司E500 系列高性能、经济型产品FR-E540，其三相输出通过功率电缆与4GN-15K 型减速电机相连，控制回路端子可与PLC或外部操作盒连接.平台的V80 伺服驱动系统是西门子公司推出的一款简易型伺服产品，包括伺服驱动器和伺服电机M2 两部分.伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用，其指令脉冲及I/O连接端口X1 可通过专用信号电缆与PLC 的输入输出端子连接.此外，还准备了传送带、迷你风机等控制对象，可通过联轴器连接电机，从而模拟变频器与伺服控制器在工业现场的控制过程，使学生在实验中成为工程实践者.

图2 外部操作盒

1.2 实验项目简介

交流伺服与变频技术课程的实验项目共5 个，每个项目安排课内2 学时完成，详见表1.通过实验，让学生掌握伺服系统与变频器应用所需的理论知识；能熟练操作、使用通用型变频器和伺服驱动器，并初步具备故障的分析与处理能力；能够根据不同的控制要求，规划问题解决方案，利用变频器和伺服驱动器解决工程实际问题.为学生学习后续专业核心课程、毕业综合实践及今后走上工作岗位打下坚实的基础.

表1 交流伺服与变频技术实验项目

2 基于CDIO 的实验项目设计

项目设计是CDIO 工程教育的精髓，也是能否实现既定教学目标的关键.以项目5 为例，按照CDIO理念分构思、设计、实现、运行4 个环节阐述实验项目的设计.伺服系统是工业自动化系统中实现精确定位、精准运动的必要途径.实验平台中V80 伺服系统与S7-200 PLC 可以构成简单经济的伺服定位系统，在各种需要精密定位的场景中进行应用[15].

2.1 构思：产品构思

本环节立足项目知识重点，即“伺服定位控制技术”.通过对相关领域行业的需求挖掘和分析，提出一个具有市场前景的产品，并充分利用实验平台软、硬件资源形成产品的构思.以物流快递行业为例，近几年随着电子商务的兴起飞速发展.物流快递整个运转作业中，物流分拨环节极为重要，需要实现快递包裹的准确分拣和快速输送.物流分拣传输带的出现大大提高了生产效率，有很好的市场前景.它是伺服定位控制技术的典型应用，实验平台能体现该产品的实际工程环境.产品构思：通过PLC 和伺服系统控制传送带将位于初始位置的物料块运送至目标位置，模拟物流快递企业使用传送带将快递包裹运送至指定的分拣道口，以便进行后续堆码、装车作业.

2.2 设计：方案设计

本环节根据产品构思进行硬件、软件、控制算法详细方案的设计.

2.2.1 硬件方案 硬件上，以实验平台为基础设计产品的样品.使用联轴器将伺服电机与传送带连接，通过伺服电机带动传送带运行，将旋转运动转化为直线运动.通过改变伺服驱动器输入脉冲的个数和频率，实现传送带行程和速度的高精度控制.此外，沿传送带方向等间隔设置若干位置点并做好标记（见图3）.其中，#0 点位为物料块初始位置，#1～#8 点位为8 个目标位置.

图3 物流分拣传输带

2.2.2 控制算法 为实现传送带精准定位控制，需要进行行程脉冲计算.实验平台中伺服电机在输入脉冲数N时转动1 圈同时带动传送带移动距离d，则脉冲当量δ为

人工测得#0～#8 点位间长度为L，于是可得到行程脉冲计算公式

即将物料块从#0 点位运送至#n点位所需的脉冲总数.式中：1＜n＜8 为目标位置编号；N为电机每转脉冲数，由伺服驱动器上指令脉冲旋钮开关确定，本例中设置为1 000.

2.2.3 软件方案 软件开发采用西门子S7-200 SMART 控制器专用软件STEP7-MicroWIN SMART.首先，建立软件与控制器间的通信连接；其次，通过软件中“运动向导”功能组态运动轴；然后，调用生成的运动控制子例程编写初始化、参考点搜索、传送带行走定位等PLC 程序；最后，将程序下载至控制器中进行调试和运行.

2.3 实现：制作实现

制作实现是将设计方案付诸实际，形成产品的关键环节，需要完成电气接线、运动轴组态和PLC 程序编写等任务.

2.3.1 电气接线 根据图1 使用相关线缆把伺服电机、伺服驱动器、外部操作盒、PLC 等设备连接起来，完成产品电气接线，PLC 的I/O 地址分配使用见表2.

表2 I/O 分配表

2.3.2 组态运动轴 S7-200 SMART 的运动轴功能为伺服电机的速度和位置控制提供了统一的解决方案，可在STEP7-MicroWIN SMART 软件中使用“运动向导”功能组态运动轴控制伺服电机.本例中关键步骤包括：组态“轴0”；测量系统选择“相对脉冲”；脉冲输出方式设为单向（2 输出），Q0.0 为脉冲信号输出口，Q0.2 为方向控制输出口；启用参考点开关输入并设置为I1.0；启用伺服使能输出并设置为Q0.4；存储器按“建议”方式或根据实际需要进行分配，详细步骤见表3.配置完成后，即可在程序里调用相关指令例程用于伺服电机控制.

表3 运动轴组态步骤

2.3.3 编写程序 采用典型的顺序控制结构编写PLC 程序并下载至控制器，程序流程见图4.

图4 程序流程

整个程序需要用到AXIS0_CTRL（启用和初始化运动轴）、AXIS0_DIS（启用/禁用电机）、AXIS0_RSEEK（搜索参考点）、AXIS0_GOTO（命令轴转动到所需位置）等运动轴子例程.其中AXIS0_GOTO子例程是传送带行走定位的关键，首先通过4个输入开关I0.0～I0.3构成组信号映射至内部存储器模拟目标位置编号（即数值0～8），然后根据式（2）计算出行程脉冲，最后AXIS0_GOTO子例程按照给定的速度值（Speed）、行程脉冲（Pos）和运动模式（Mode）控制传送带将物料块准确运送到指定位置.

2.4 运行：运行测试

本环节主要对产品进行试运行和测试，检验产品是否达到构思、设计的预期效果.本例中测试物流分拣传送带的运行效果：系统启动后首先初始化并通过I0.4启用电机；接着通过I1.1启动参考点搜索，I1.0确定传送带零点位置；然后将物料块放在零点位置即#0点位，并组合使用I0.3～I0.0确定目标位置（如0111表示#7点位）；最后接通I0.5命令传送带将物料块运送至目标位置，运送过程中如遇紧急情况可随时使用I0.6停止传送带.完成一次分拣运送后，将I0.3～I0.0均断开使传送带返回原点，准备第2次分拣运送，以此类推.

产品不足及改进措施见表4，产品试运行测试过程中会发现问题或不足，要对之前的构思、设计、实施过程重新评估和改进.通过不断改进形成最优产品，这与实际工程项目中产品迭代的过程是相似的.

表4 产品不足及改进措施

3 “循环分段”教学实施方法

基于CDIO 理念设计的实验项目将知识点以完整的工程项目形式串成整体，能够在产品生命周期整个活动过程中帮助学生自主构建知识体系，培养学生工程调试能力、系统设计能力和综合创新能力.但是高职院校面临的现状是，同一个班级内生源结构组成包括高考普招生、注册生、中专单招生、自主单招生等，甚至还会有下岗职工、农民工等社会扩招生[16].由于基础不同，学生学习能力存在很大差异.部分学生觉得教学进度缓慢、实验内容不够丰富，部分学生却跟不上进度，任务也难以完成.在整个班级中开展完整的CDIO 项目教学效果并不理想.针对这个问题，采用了一种循环分段方式实施教学，具体分成3 个阶段（见图5）.

图5 CDIO 循环分段式教学实施流程

3.1 第1阶段（S1-E1）

全部学生都要完成本阶段实验.由教师提供案例，精讲产品构思和设计方案，学生负责制作产品和运行测试，即教师负责C 和D，学生进行I 和O.通过本阶段练习，学生能够掌握基本知识，做到理论联系实际，具备工程调试能力.

3.2 第2阶段（S2-E2）

拥有高中基础的学生必须完成本阶段实验，其余学生不做强制要求.由教师指定产品，学生参与方案设计，然后制作和测试.实验任务强化到D，I，O 的3 个内容，学生能力锻炼进一步拓展到系统设计能力.

3.3 第3阶段（S3-E3）

针对思维活跃、学有余力的学生.完全由学生主导，自行发挥想象力和创造力，感受创新的艰辛与乐趣，完成整个CDIO 的全过程，学生综合创新能力得到提高.教师在这个过程中主要提供技术支持和指导.

通过3个阶段由简到难开展实验教学，不同水平层次的学生都能在实践中得到满足感和获得感，实现个人能力的分段训练、递进提升.

4 结语

近2 年，在机电一体化、工业机器人技术等机电类专业交流伺服与变频技术的实验课中基于CDIO 理念，采用循环分段教学方法，学生参与实验的积极性和主动性明显提高.问卷调查显示，大部分学生认同并享受这样的教学方式，已毕业学生普遍认为实验内容与工程实际紧密对接，进入企业后在较短时间内能适应和胜任相关工作岗位.不同基础的学生通过实验取得了进步，部分学生组队参加全国职业院校技能大赛，荣获国赛二等奖2 次、三等奖1 次及省赛一等奖6 次、二等奖5 次、三等奖4 次；在挑战杯、“互联网+”等大学生科技创新创业比赛中获省一等奖2 次、三等奖4 次，获奖学生中有34%是由中职升学而来.

交流伺服与变频技术作为现代工业自动化的支撑性技术，在高职院校机电类专业教学中越来越得到重视.为解决该课程传统实验教学的不足，专业教师自主开发了贴近工程实际的经济型实验平台，并将CDIO工程教育理念融入实验项目中，实现实验教学过程与产品生产过程的无缝对接，有效激发了学生兴趣和动手实验的积极性，促进工程实践及创新能力的培养.同时，针对当前生源结构多元化的形势和趋势，提出采用循环分段方式实施教学，满足了学生的差异化诉求.