柏艷紅，李林娟，田 娟，李 虹

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”為自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課，微機(jī)控制直流脈寬調(diào)速是該課程的主要內(nèi)容之一，包括直流PWM變換電路原理、微機(jī)控制閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件框架、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)、編碼器測(cè)速原理、數(shù)字濾波等內(nèi)容[1]。開設(shè)“單片機(jī)控制閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)可以鞏固和提升相關(guān)理論知識(shí)，但由于該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還涉及單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、程序編寫和調(diào)試，是對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”和“微機(jī)原理與微控制器技術(shù)”兩門課程知識(shí)的綜合應(yīng)用，因此無法在其中一門課程實(shí)驗(yàn)中完成。

跨課程的綜合實(shí)驗(yàn)，是對(duì)兩門以上相關(guān)專業(yè)課知識(shí)的大串聯(lián)，通常采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，圍繞項(xiàng)目開展教學(xué)活動(dòng)，將專業(yè)知識(shí)與項(xiàng)目融合在一起[2-3]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的綜合實(shí)驗(yàn)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高知識(shí)應(yīng)用和融會(huì)貫通的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、協(xié)作能力和解決復(fù)雜工程問題的能力[4-5]。西安交通大學(xué)生物工程專業(yè)、大連民族大學(xué)測(cè)控專業(yè)、山東科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)等均設(shè)置了綜合實(shí)驗(yàn)課[6-8]。

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)至少占總學(xué)分的 20%，標(biāo)準(zhǔn)的 12條畢業(yè)要求對(duì)知識(shí)、能力和素質(zhì)提出了全面要求，需要理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)協(xié)同支撐[9]。

我校自動(dòng)化專業(yè)以工程教育認(rèn)證為契機(jī)，在2015版課程體系中，設(shè)置了以“單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”為主線的“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”集中實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對(duì)該課程，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)裝置，制定了課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容，已在教學(xué)中實(shí)施。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)該課程開發(fā)了單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置組成見圖1，主要由 MSP430單片機(jī)開發(fā)板DM430-A、全橋IGBT模塊F475R12KS4、四單元IGBT驅(qū)動(dòng)板DA962A4Q、直流電機(jī)、電磁制動(dòng)器、600線數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器、MAX471電流檢測(cè)模塊、上位機(jī)等組成。直流電機(jī)為永磁電機(jī)，額定功率200 W，額定電壓220 V，額定電流2 A。上位機(jī)采用IAR開發(fā)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)裝置照片見圖2。

圖1 單片機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置組成

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置照片

實(shí)驗(yàn)裝置接線完全開放，單片機(jī)端子、PWM 電路形式可以自由選擇，學(xué)生可以按自己的設(shè)計(jì)方案自由接線。圖3為采用H橋PWM電路時(shí)的一種硬件電路方案，包括IGBT模塊接線原理、IGBT模塊與驅(qū)動(dòng)板接線原理、驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)開發(fā)板的接線原理、編碼器與單片機(jī)的接線原理等。

圖3 硬件接線方案示例

2 課程目標(biāo)制定

按照工程教育認(rèn)證“成果導(dǎo)向”理念和“反向設(shè)計(jì)”原則，課程目標(biāo)制定應(yīng)依據(jù)課程支撐的畢業(yè)要求[10]。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 12條畢業(yè)要求，包含了 6條專業(yè)技術(shù)能力和6條非技術(shù)性能力，畢業(yè)要求不再是傳統(tǒng)的知識(shí)要求，而是能力要求[11-12]。

在工程認(rèn)證理念指導(dǎo)下，本綜合實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和實(shí)驗(yàn)研究能力，同時(shí)還培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神等綜合素質(zhì)。具體教學(xué)目標(biāo)為：①了解直流脈寬調(diào)速微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，掌握硬件方案和設(shè)計(jì)方法，能夠編寫單片機(jī)實(shí)現(xiàn)程序，在設(shè)計(jì)中能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，主動(dòng)創(chuàng)新；②了解微機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)用電安全、器件和人身安全的考慮；③能夠針對(duì)直流脈寬調(diào)速微機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并能推廣應(yīng)用到其他電機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)控制系統(tǒng)；④通過以小組為單位的形式完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)的力量和團(tuán)隊(duì)合作的重要性，能夠勝任團(tuán)隊(duì)成員或團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的角色。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

按照分步實(shí)施原則將項(xiàng)目劃分為幾個(gè)子任務(wù)：電機(jī)開環(huán)運(yùn)行控制，編碼器測(cè)速和開環(huán)特性測(cè)試，閉環(huán)控制。針對(duì)子任務(wù)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制定實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目的。作為一門獨(dú)立課程，安排適量的課堂講授或總結(jié)討論環(huán)節(jié)，講解項(xiàng)目涉及知識(shí)。

按照工程教育理念，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)考慮對(duì)課程目標(biāo)的全面支撐，保證課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。主要教學(xué)內(nèi)容如下。

1）第一講 課程和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹（支撐目標(biāo)①）

主要內(nèi)容：課程性質(zhì)和地位、目標(biāo)、內(nèi)容、考核方式等。

2）第二講 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件方案（支撐目標(biāo)①）

主要內(nèi)容：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成；IGBT模塊及驅(qū)動(dòng)板、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器、單片機(jī)及開發(fā)板等實(shí)驗(yàn)裝置主要元器件介紹；實(shí)驗(yàn)裝置的硬件方案。

3）第三講 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及軟件方案（支撐目標(biāo)①）

主要內(nèi)容：PWM 電路原理、編碼器測(cè)速原理、開環(huán)系統(tǒng)組成原理及軟件方案、閉環(huán)系統(tǒng)組成原理及軟件方案。

4）第四講 MSP430單片機(jī)與 DM430-A開發(fā)板（支撐目標(biāo)①）

MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)；DM430-A開發(fā)板的組成及接線原理；MSP430的系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口、定時(shí)器等功能配置。

5）實(shí)驗(yàn)一 IAR編程環(huán)境及開發(fā)板使用（支撐目標(biāo)①）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誌AR編程環(huán)境及開發(fā)板使用；了解端口控制寄存器的定義和配置方法；掌握I/O操作和外部中斷編程思路和方法。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：IAR編程環(huán)境及開發(fā)板使用；按鍵中斷控制LED燈的編程與調(diào)試；按鍵掃描控制LED燈的編程與調(diào)試。

6）實(shí)驗(yàn)二 基本功能編程實(shí)現(xiàn)（支撐目標(biāo)①）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誏CD顯示編程；掌握定時(shí)器中斷配置和編程；掌握定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的配置和編程。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：可增減的LCD數(shù)值顯示編程與調(diào)試；定時(shí)中斷產(chǎn)生方波信號(hào)編程與調(diào)試；PWM 信號(hào)輸出編程與調(diào)試。

7）實(shí)驗(yàn)三 直流電機(jī)開環(huán)運(yùn)行及特性測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（支撐目標(biāo)①、②、③、④）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簭?fù)習(xí)鞏固直流電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)組成；掌握開環(huán)運(yùn)行和特性測(cè)試的程序架構(gòu)；復(fù)習(xí)鞏固編碼器測(cè)速方法，掌握編程實(shí)現(xiàn)M法測(cè)速的思路和方法；能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析電機(jī)特性。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)硬件方案確定；具有起?？刂坪退俣日{(diào)節(jié)功能的開環(huán)系統(tǒng)編程與實(shí)驗(yàn)調(diào)試；增加速度檢測(cè)顯示功能的開環(huán)特性測(cè)試系統(tǒng)編程與實(shí)驗(yàn)調(diào)試；開環(huán)系統(tǒng)控制特性測(cè)試與分析。

8）實(shí)驗(yàn)四 閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（支撐目標(biāo)①、②、③、④）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簭?fù)習(xí)鞏固直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成；掌握閉環(huán)系統(tǒng)的程序架構(gòu)；掌握PI算法的編程思路和方法；能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析閉環(huán)系統(tǒng)的性能；復(fù)習(xí)鞏固比例和積分控制的作用，了解PI參數(shù)的影響。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：能夠顯示速度設(shè)定值和實(shí)際速度、能夠調(diào)節(jié)設(shè)定速度、采用比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)編程與實(shí)驗(yàn)調(diào)試；測(cè)試比例控制系統(tǒng)的性能，觀察比例系數(shù)的影響；編寫采用PI的閉環(huán)系統(tǒng)程序，實(shí)驗(yàn)研究PI參數(shù)的影響。

9）實(shí)驗(yàn)五 拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（支撐目標(biāo)①）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^自主擬定實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)勤于思考的習(xí)慣以及自主創(chuàng)新的意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：總結(jié)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程，從需要改進(jìn)之處、未實(shí)現(xiàn)的功能、需要進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容等方面，擬定拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

參考實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：?jiǎn)伍]環(huán)程序優(yōu)化；單閉環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響研究；改進(jìn)PID算法；可逆直流脈寬調(diào)速實(shí)現(xiàn)；雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

10）第五講 總結(jié)討論（支撐目標(biāo)①、②）

主要內(nèi)容：總結(jié)微機(jī)控制直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的總體方案、硬件方案和軟件方案；討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法；討論直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)用電安全、器件或人身安全的考慮；討論自主創(chuàng)新之處。

4 教學(xué)實(shí)施

“計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)”共32學(xué)時(shí)，安排在大三第二學(xué)期末，已于2018—2019年面向2015級(jí)和2016級(jí)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生順利開設(shè)，采用 2人一組的分組形式。

采用五級(jí)制計(jì)分方式，依據(jù)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及完成情況、實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告、卷面測(cè)驗(yàn)進(jìn)行考核。

采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，促使學(xué)生積極分析解決問題，課堂氣氛活躍，大部分學(xué)生能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，個(gè)別學(xué)生在教師指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，通過適當(dāng)延時(shí)，最終也能完成。學(xué)生體驗(yàn)到項(xiàng)目完成后的成就感，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，獲得良好的教學(xué)效果。

但還存在以下問題：還有部分學(xué)生不能完成拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)選做項(xiàng)目；對(duì)相關(guān)知識(shí)和概念認(rèn)識(shí)不深刻；存在單片機(jī)程序生搬硬套的現(xiàn)象。擬重點(diǎn)從考核方式上作如下改進(jìn)：

（1）改變總結(jié)討論課后直接進(jìn)行卷面測(cè)驗(yàn)的方式，在討論課后留一段時(shí)間給學(xué)生自行總結(jié)，提交總結(jié)報(bào)告后再進(jìn)行卷面測(cè)試；

（2）利用微助教、學(xué)習(xí)通等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)工具，進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)，增強(qiáng)過程考核；

（3）明確拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的占分比例。

5 結(jié)語

“微機(jī)控制直流脈寬調(diào)速”是當(dāng)前直流調(diào)速的主要形式，也是“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的主要內(nèi)容之一，設(shè)置計(jì)算機(jī)控制綜合實(shí)驗(yàn)課程，將“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”和“微機(jī)原理與微控制器技術(shù)”兩門課程知識(shí)相融合，解決了“微機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”的實(shí)踐訓(xùn)練問題。按照工程教育認(rèn)證“產(chǎn)出導(dǎo)向”理念，制定了課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)了開放性實(shí)驗(yàn)裝置。該課程不但培養(yǎng)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，還培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和解決工程問題的能力，已面向兩屆學(xué)生順利開設(shè)，獲得良好的教學(xué)效果。