基于模块化实验系统的电力电子技术实验教学改革

王晓刚 黄俊滨 谢鹏俊

摘  要：针对电力电子技术实验教学存在的问题，开展教学改革与实践。首先，基于模块化思想，设计包含实验电路和上位机软件的新型实验系统。然后，基于该实验系统，提出一种遵循成果导向教育理念，课前、课中、课后三位一体的实验教学模式。实践结果表明，学生的实验兴趣得到激发，理论水平和实践能力均得到提升，实现知识的融会贯通。

关键词：电力电子技术；实验教学；成果导向教育；模块化；教学模式

Abstract： To solve the problems existing in experimental teaching of the power electronics course， the teaching reform and practice are carried out. First， based on the ideas of modularity， a new experimental system including experimental circuit and host computer software is designed. Then， a new experimental teaching model based on the experimental system contains "before class"， "during class" and "after class" is proposed， which follows the outcomes-based education concept. The practice results show that the experimental interest of the students is stimulated， both theoretical level and practical ability of the students are promoted， and the integration of knowledge is achieved.

Keywords： power electronics; experimental teaching; outcomes-based education; modularity; teaching model

电力电子技术是电气工程及其自动化专业的专业必修课和核心课程。随着双碳目标的提出，新能源发电技术越来越受到重视，大部分新能源发电需要采用电力电子技术与电网接口。此外，在直流输电、电能质量治理、大规模储能、电动汽车和不间断电源等技术和设备中，电力电子技术更是不可或缺。因此，这门课程对电气专业的学生有着不言而喻的重要地位。

传统的电力电子技术课程实验教学存在实验设备陈旧、验证性实验多、考核方式单一等问题。各高校积极开展电力电子技术课程实验教学改革，可分为实验方法的改革和实验装置的改进两个方面。前者包括翻转课堂法[1]、混合学习法[2]、仿真法[3-4]等，后者包括自制实验系统[5-8]、采用半实物装置[9-10]等。

本文分析了当前电力电子技术实验教学中存在的问题，基于工程教育认证倡导的成果导向教育理念，设计了一种创新型的电力电子技术实验系统，该系统具有模块化的特点。以降压（Buck）变换器实验为例，详细说明了实验系统的原理和构成。提出一种课前、课中、课后三位一体的实验教学模式，给出了详细的教学设计方案。

一  电力电子技术实验教学的痛点

电力电子技术是一门实践性很强的课程，实验环节在课程教学中占据重要的位置。但是，目前实验教学存在一系列问题，可归纳为以下几点。

（一）  实验设备陈旧、功能简单

传统的电力电子技术实验教学需要在大型实验台上完成。这种实验台上画出了主电路拓扑和控制电路图，为学生接线提供了指示，锻炼了学生的动手能力。但是也存在造价高、占地面积大、更新周期慢（一旦购置，通常要使用十年以上）、能开设的实验项目有限、实验项目多为验证性和不易开发新实验项目等缺点，无法真正提高学生的工程实踐能力，不符合工程教育认证的要求。

（二）  验证性实验多，实验内容模式化

电力电子技术开设的实验都为一些验证拓扑工作原理的验证性实验。实验课上，通常采取教师讲解实验原理和实验步骤，学生按部就班完成的方式。实验内容未做到及时更新，创新性不强，学生参与度不高，与教师的互动不积极。电力电子技术是电子技术、电力技术、控制技术三门学科的交叉，但开设的实验项目对控制技术的训练不够，未达到综合运用所学知识的目的。

（三）  考核方式不够合理

部分教师仍然习惯性地将课堂教学作为教学活动的主体，认为理论教学能体现教师的教学水平，实践教学只是理论教学的一种补充，各类质量工程项目和教学改革研究项目也往往围绕着理论教学开展。在实践教学中，通常采取教师讲解实践内容和步骤，学生按部就班完成的方式。实践内容未做到及时更新，创新性不强，学生参与度不高，与教师的互动不积极。传统的实践环节考核以教师主观打分为主，存在评价不够准确、缺少过程性考核、不易考察毕业要求达成度等问题。在教与学双方对实践教学均抱着应付态度，且评价机制不合理的情况下，实践教学难以起到培养学生创新能力的作用。

二  新型模块化实验系统

针对电力电子技术实验教学中存在的痛点问题，开发了一种新型的模块化实验系统。以Buck变换器实验为例，说明新型模块化实验系统的组成和设计思想。

实验系统由实验电路和上位机（含软件）组成，实验电路是由单片机控制的Buck变换器硬件电路，上位机则是一台安装了实验软件的计算机。整个实验系统的结构如图1所示，实验系统实物图如图2所示。

（一）  基于模块化思想的实验电路设计

电力电子变换器由主电路、驱动电路、控制电路（含采样电路）组成，为了体现这一特征，将Buck变换器设计成4个电路板：主电路板、驱动电路板、采样电路板和单片机控制板。主电路板包括MOSFET、电感、电容、二极管、缓冲电路、保护电路、电源接线端和负载接线端；驱动电路板接收来自控制电路板的PWM信号，将其放大为MOSFET开通和关断所需的驱动信号并送至主电路板；采样电路板包括电压电流采样电路和信号调理电路，将信号转换为符合单片机AD转换器输入要求的信号，送至控制电路板；控制电路板实现AD转换、控制程序的运行和PWM信号的产生，主控芯片采用ATmega128单片机。

电路板采用插接件的连接方式，形成积木式结构。这种结构也能让学生熟悉工程实际，因为积木式结构能够保证产品批量生产的质量，降低系统成本，调试和维修方便，因而在实际产品中得到比较多的应用。

实验电路与上位机采用串行通信方式，ATmega128单片机的通用异步收发器（USART0）和TTL转RS485模块配合，将实验电路的信息发送至上位机。

（二）  上位机软件

上位机实验软件有三大功能：根据变换器的参数手动输入PI控制参数、收集实验结果、生成实验结果图片。软件采用Visual Studio开发，通信部分采用NET Framework 2.0类库中的SerialPort 串口控件。实验开始后，学生计算出PI参数并在上位机软件中输入，点击“运行”，PI参数通过串口传输至实验电路；随后Buck变换器启动，将输出电压数据上传给上位机，上位机记录启动波形。实验完成后，点击“保存实验结果”，软件将生成一张包含实验波形、小组学生学号姓名、波形主要指标的图片，如图3所示，由学生在课后附在实验报告上。图片中网格图和曲线波形的绘制使用了Graphics对象的Drawline（）函数，将多个数据点连接成一个连续的波形。

三  基于新型实验系统的实验教学设计

每节实验课分为课前、课中、课后三个环节，三者结合构成一体化的教学模式。

（一）  课前

课前布置实验预习任务，要求学生实验前完成以下工作。

1）学习Buck变换器的反馈控制原理。课堂上虽然讲授了Buck变换器，但是局限于拓扑结构和基本工作原理。因此教师准备了Buck变换器建模和反馈控制方面的学习资料，发给学生学习。要求学生掌握常用的Buck变换器状态空间平均模型，得到传递函数，掌握Buck变换器的PI控制方法及PI参数整定方法。要求学生学习输出电压单闭环控制和电压电流双闭环控制两种反馈控制方法。

2）用MATLAB/Simulink完成仿真。首先，用MATLAB的bode函数绘制Buck变换器传递函数的幅频特性和相频特性曲线，验证整定的PI参数是否能获得理想的幅值裕度和相位裕度。然后，用Simulink实现Buck变换器闭环控制仿真，Simulink包含电力工具箱，可以用于仿真各种电力电子变换器。让学生使用Simulink的PI模块实现对Buck变换器的闭环控制，并用虚拟示波器观察输出电压、电感电流、PWM脉冲等关键物理量和信号的时域波形，以期进一步掌握Buck变换器的特性。

3）将教师设计好的基于ATmega128单片机的Buck变换器反馈控制Proteus原理图及单片机程序发给学生。要求学生学习看懂原理图和程序，特别是PI控制部分和PWM产生部分。需要注意的是，Proteus原理图应与实际的实验电路一致。

4）撰写实验预习报告。

（二）  课中

实验课中主要使用模块化实验系统完成实验，课堂教学过程如下。

1）将学生分组，两人一组效果较好。每组使用一套实验系统。

2）教师出讨论题，组织学生讨论，讨论结束后提问，检验学生课前学习效果。

3）教师讲解课前学习的重点，巩固所学知识。

4）教师讲解实验要求、实验原理、实验步骤，以及实验系统的操作方法。

5）学生接通实验电路电源，打开上位机软件，启动上位机与实验电路的串行通信。

6）教师在确认每组学生实验环境均准备好后，宣布实验开始。教师在实验室的屏幕上给出实验电路中Buck变换器的主电路和采样电路参数（与课前仿真的不同），要求学生用MATLAB整定PI参数。

7）学生根据课前所学的知识，开始整定PI参数。整定结束后，在上位机软件输入PI参数，启动Buck变换器。

8）启动后，实验电路将启动电压波形和一段时间的稳态波形发送至上位机。

9）上位机接受传送过来的波形数据，在软件中再现波形，并生成包含学生学号和姓名的实验结果图片。

10）实验时间到，实验结束。

11）教师在实验室屏幕上向学生展示若干有代表性的实验波形（波形可由局域网发送到教师计算机），组织学生讨论和评价。对于Buck变换器实验，评价针对的是Buck变换器输出电压的质量，从电压的超调量、稳定时间、稳态误差等方面进行综合评价。

12）教师点评本次实验。归纳总结实验的经验、收获与教训。

13）教师布置课后任务。

（三）  课后

为了巩固实验效果拓展知识，布置了课后学习任务。

1）学生分析上位机软件记录的实验结果，思考是否能進一步改进。

2）教师将准备好的课后学习资料发给学生，要求学生学习。课后学习资料的内容是基于UC3842的Buck变换器。Buck变换器除了可以用单片机控制外，也可以用控制芯片控制。UC3842就是一种常用的电源控制芯片，有电压反馈引脚和电流检测引脚，外接少量的电阻、电容元件就能实现Buck变换器的双闭环控制。该芯片的电流控制采用峰值电流控制，还可以让学生了解占空比大于0.5时出现的不稳定现象及其成因，以及利用斜坡补偿使变换器稳定的方法。MATLAB/Simulink适合于原理性仿真，而PSIM软件更贴近工程实际，集成了常用的电源控制芯片模型。将基于UC3842的Buck变换器PSIM仿真文件发给学生，学生自行完成仿真学习。PSIM仿真原理图如图4所示。

3）对使用单片机和使用控制芯片控制Buck变换器做出比较，归纳各自的优点和缺点。

4）完成实验报告的撰写。实验报告中要包含课前、课中、课后的学习与实验结果，还要写一段心得体会。

（四）  评价

实验采用的是过程化与个性化相结合、形成性评价与结果性评价相结合的学习考核及评价方式，评价更加客观合理。实验各环节的成绩分值见表1。

表1  实验成绩分值             分

四  教学实践与反思

基于上述实验系统和实验教学设计开展了教学实践。在实践中，学生对课前、课中、课后的学习内容和实验过程普遍感到满意，认为实验系统和实验教学设计很有新意，打破了以往按部就班按照实验指导书的实验步骤完成实验的陈旧思维，而且知识拓展比较多，学到很多书本上没有的知识，收获非常大。期末考试后开展了课程达成度评价，结果由0.736提高至0.823。

改革后的电力电子技术实验对教师和学生的要求比較高。教师对从课前到课后的整个实验过程应有全局的把握，且课前和课后要投入更多的时间，教学管理上的难度也有所增加。对学生而言，基础知识的掌握变得更为重要，还应具备扎实的单片机和自动控制原理知识，才能实现融会贯通。

五  结束语

实验是电力电子技术课程重要的教学环节，本文提出一种模块化电力电子实验系统，并基于该系统开展了实验教学改革与实践。结果表明，教学改革实施后，学生在实验中起主导作用，实验兴趣得到很大的提高。实验过程中理论和实践并重，学生将电力电子与单片机技术和自动控制原理的知识结合起来，工程实践能力和融会贯通的能力大大增强。改革措施遵循成果导向教育理念，符合工程教育认证要求。

参考文献：

[1] 南余荣，孙惠英.翻转课堂模式在电力电子技术实验中的应用[J].教育教学论坛，2019（7）：192-194.

[2] 刘金华，吴佳楠，余翼.基于混合学习的电力电子技术实验教学改革研究[J].教育教学论坛，2018（44）：117-118.

[3] 常世杰，杜云明，徐颖，等.一种基于MATLABGUI的电力电子实验教学平台设计[J].中国科技信息，2021（17）：69-70.

[4] 杨树德，刘杰，张继勇，等.基于DLL和PLECS的电力电子仿真实验教学[J].电气电子教学学报，2019，41（6）：142-146.

[5] 史敬灼，张亚楠.“电力电子技术”课程实验教学改革[J].电气电子教学学报，2021，43（2）：169-173.

[6] 宋冬冬，张丽红，崔丽娜，等.模块化软、硬件集成电力电子实验平台研究[J].中国科技信息，2018（21）：69-72.

[7] 陈超，陈小元，周洪强，等.电力电子技术通用实验箱的设计与实现[J].电工技术，2021（19）：113-115.

[8] 杨树德，张继勇，蒋伟.基于双变流器的电力电子课程创新实验平台设计[J].中国现代教育装备，2021（7）：56-58，61.

[9] 李湘峰，屈莉莉，张惠桃，等.基于RT-LAB的电力电子技术仿真实验设计[J].中国现代教育装备，2020（17）：59-62.

[10] 代云中.PSIM数字控制平台在电力电子类课程实验教学中的应用[J].高教学刊，2020（7）：82-84.