馮宗軍

（廣西科技師范學(xué)院，廣西 來賓546199）

1 前言

“電機與拖動”是新能源電動汽車相關(guān)的高校教學(xué)課程，以往傳統(tǒng)的教學(xué)過程，各高校均有一定的電機類實訓(xùn)類的教學(xué)平臺基礎(chǔ)。但隨著當(dāng)前數(shù)字化與智能化技術(shù)發(fā)展，在汽車技術(shù)領(lǐng)域，在新能源汽車的智慧化技術(shù)趨勢下，為實現(xiàn)教學(xué)與實訓(xùn)練有效結(jié)合，使學(xué)生方便直觀掌握電動機原理、構(gòu)造及拖動常識，建立更具數(shù)字化及智能化的電機教學(xué)實驗平臺的必要性尤為突出。

本文調(diào)查相關(guān)研究文獻(xiàn)領(lǐng)域，但總體來說結(jié)合電機教學(xué)試驗平臺研究領(lǐng)域不多，《基于PXI 的永磁同步電機RCP教學(xué)實驗平臺設(shè)計》一文，介紹了永磁電機的教學(xué)領(lǐng)域基于PXI 的永磁同步電機快速控制原型教學(xué)實驗平臺，闡述了實驗平臺的整體硬件結(jié)構(gòu)和軟件應(yīng)用[1]?！峨姍C與拖動信息化教學(xué)設(shè)計構(gòu)建》一文，進(jìn)行了教學(xué)融合設(shè)計介紹，介紹了教學(xué)設(shè)計中的一些教學(xué)方法，實現(xiàn)了線上和線下混合式教學(xué)的高度融合[2]。

基于新能源汽車的智慧化發(fā)展環(huán)境下，在針對教學(xué)知識新的需求方面，本文設(shè)計一種新型電機教學(xué)試驗平臺，相比傳統(tǒng)教學(xué)實驗平臺增加數(shù)字遠(yuǎn)程可視化技術(shù)、IoT 技術(shù)。

為實現(xiàn)試驗教學(xué)平臺實施直流電機及交流電機演示教學(xué)為目的，構(gòu)建一種結(jié)合電機應(yīng)用教學(xué)、遠(yuǎn)程數(shù)字信息教學(xué)、智能傳感技術(shù)教學(xué)一體的教學(xué)試驗平臺設(shè)計。

2 電動機教學(xué)實踐要點

“電機與拖動”教學(xué)過程，通過教學(xué)電機的理論、應(yīng)用、電氣控制方法、電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成，讓學(xué)生成為一名電機及控制技術(shù)方面的應(yīng)用型技術(shù)人才。

理解電機工作原理除了要掌握電學(xué)、磁學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)理論同時，也需靈活運用分析時間概念及空間概念，因此，在分析各種電機和電力拖動的實際問題時，可通過試驗平臺現(xiàn)場教學(xué)，更可直觀掌握電機的具體結(jié)構(gòu)，也可通過培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作技能和電機運用工況計算能力。所以，新型的教學(xué)實驗平臺首先要實現(xiàn)如下教學(xué)實踐功能：①具備直流和交流電機驅(qū)動功能，整車控制系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)功能聯(lián)動實驗知識；②驅(qū)動系統(tǒng)功率扭矩試驗知識；③電機及控制器總體效率試驗知識；④電機空載試驗知識；⑤過載能力的試驗體驗；⑥再生能量回饋試驗知識體驗；⑦電機最高工作轉(zhuǎn)速、超速試驗；⑧電機堵轉(zhuǎn)知識及試驗體驗；⑨溫度、溫升試驗知識體現(xiàn)；⑩電機額定功率測試知識試驗。

3 系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計

為實現(xiàn)以上實訓(xùn)需求，開展教學(xué)實驗平臺的具體的硬件系統(tǒng)設(shè)計，總體方案包括電機拖動平臺、數(shù)據(jù)采集平臺、遠(yuǎn)程可試化監(jiān)控平臺三大模塊構(gòu)造方案，如圖1 所示。

圖1 教學(xué)實驗平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

電動機單元平臺：本文構(gòu)造方案實現(xiàn)直流電機及交流電機互相試驗的功能。在試驗平臺設(shè)計中，考慮實踐實物與原理講解需求，在實驗臺旁側(cè)也安裝一個帶剖視圖的電機模型，實現(xiàn)電機結(jié)構(gòu)展示效果，展示電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，通過整體剖面模型展示，使學(xué)生在體系電機傳動性能的同時，也可使教學(xué)更具現(xiàn)場感，如電機電樞繞組標(biāo)識電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動勢方向等一些動態(tài)展示。

傳感檢測模塊：是本教學(xué)實驗平臺的機構(gòu)運動檢測數(shù)據(jù)收集裝模塊，實現(xiàn)試驗檢測功能包括轉(zhuǎn)速參數(shù)采集檢測、負(fù)載轉(zhuǎn)矩參數(shù)檢測、電壓參數(shù)采集檢測（交流系統(tǒng)時采用交變電流傳感器）。

在傳感模塊中，不同參數(shù)檢測傳感器結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計精度要求，進(jìn)行檢測范圍精度標(biāo)定，標(biāo)定偏差率采取相關(guān)元件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。

負(fù)載拖動模塊：采取負(fù)載電機或模擬負(fù)載（比如車輪轂或其他執(zhí)行單元），考慮進(jìn)行過載試驗，負(fù)載調(diào)節(jié)范圍比電機額定負(fù)載10%～20%之間。

控制模塊：模塊模塊是本教學(xué)試驗平臺的關(guān)鍵選型單元，針對交流型驅(qū)動電機采取行業(yè)專用的電機控制器作為教學(xué)試驗平臺的控制單元，如DPS 逆相控制的MOS 管組成的控制器等[3]。

GPS 遠(yuǎn)程傳輸模塊：實現(xiàn)與控制模塊的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳速功能；通過遠(yuǎn)程傳輸，電機運轉(zhuǎn)平臺檢測到的參數(shù)可向非現(xiàn)場的（如教研室）中控顯示平臺傳輸試驗運作相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)?？紤]教學(xué)實驗平臺與工業(yè)產(chǎn)品整車通訊系統(tǒng)更貼近，實驗平臺的控制通訊系統(tǒng)設(shè)計遵循SAEJ1939 商用車通信協(xié)議。

可視化顯示模塊：此模塊為接收平臺的單元，采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)云平臺服務(wù)方式，通過開發(fā)數(shù)據(jù)整合軟件包，進(jìn)行電機運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實現(xiàn)呈現(xiàn)可視化的演示教學(xué)功能，另外，當(dāng)教學(xué)試驗平臺能夠值入故障診斷系統(tǒng)時或?qū)W校范圍內(nèi)多臺教學(xué)實驗平臺設(shè)計需求時，預(yù)留相關(guān)IoT 車輛網(wǎng)接口設(shè)計拓展，可采用NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)接口[4]。

為實現(xiàn)教學(xué)試驗平臺可靠性，系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，考慮了軟件的功能包括采集信號反饋計算、信號延時控制計算等功能。同時建立高可靠的線路走向接口，包括直流（或交流）電源線路、電機控制線路、負(fù)載電機線路、傳感器線路、控制單元控制輸輸入及輸出線路、顯示平臺線路、云平臺服務(wù)器線路等。

4 教學(xué)試驗平臺運行指標(biāo)設(shè)計

根據(jù)電機教學(xué)及教案重點要求，開發(fā)云平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)目梢暬虒W(xué)模式，搭建如下試驗平臺性能目標(biāo)：①噪聲控制指標(biāo)。滿足試驗室環(huán)境要求，保持較好機外噪聲輻射控制水平。②壽命設(shè)計指標(biāo)。演示運作試驗保持較長的運轉(zhuǎn)耐久性，滿足1 000 課時/學(xué)年的使用頻次。③能耗指標(biāo)。采用中低功率電機選型設(shè)計，實現(xiàn)較好的能耗水平，總體能耗低于1 000 kW·h/學(xué)年。④實現(xiàn)可視化教學(xué)觀測演示數(shù)據(jù)3 類以上，例如電機轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、故障參數(shù)等。

5 搭建教輔需求的內(nèi)部功能

電動機課程教學(xué)最終實現(xiàn)學(xué)生對電機拖動原理的掌握，掌握直流（交流）電機基本結(jié)構(gòu)及原理，因此，結(jié)合日常教案重點實訓(xùn)要求，在試驗平臺中需搭建如圖2 所示的系統(tǒng)支撐功能。

圖2 試驗平臺中的系統(tǒng)支撐功能

為使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，在教學(xué)試驗平臺功能設(shè)計時，對數(shù)據(jù)測量模塊功能進(jìn)行相關(guān)傳感器偏差標(biāo)的，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計。同時，系統(tǒng)設(shè)計測量數(shù)據(jù)整定功能，形成電機運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)檢測輸入，數(shù)據(jù)整定好變成圖形能輸出，實現(xiàn)演示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)輸出，并通過控制系統(tǒng)傳輸至GPS 通信模塊發(fā)送云平臺進(jìn)行服務(wù)器存儲。

6 教學(xué)實驗平臺效果驗證

教學(xué)試驗平臺的設(shè)計最終目標(biāo)為學(xué)生進(jìn)行電機拖動現(xiàn)場實踐體驗效果，通過本文構(gòu)建面向可視化教學(xué)實驗平臺功能使學(xué)生加深電機拖動知識認(rèn)識。驗證結(jié)果表明，更具有以下現(xiàn)場教學(xué)效果：①學(xué)生試驗體驗效果，通過直觀可視化系統(tǒng)觀察電機性能變化，學(xué)習(xí)聚焦關(guān)注率更高；②課程教學(xué)書面化向現(xiàn)場化教學(xué)的效果轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生專業(yè)實踐感知能力；③促進(jìn)教研一體新技術(shù)融合，在電機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、電流、電壓等參數(shù)整定方面，通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)钠聊伙@示屏幕教學(xué)實踐內(nèi)容，在線實時率偏差可實現(xiàn)毫秒級效果。

7 結(jié)論

總之，構(gòu)建一種能夠面向數(shù)字化與智能化的新型電機教學(xué)試驗平臺，將增強現(xiàn)代化教學(xué)實訓(xùn)效果，同時，本文研究的遠(yuǎn)程化系統(tǒng)搭建，促進(jìn)傳統(tǒng)的實訓(xùn)試驗平臺向遠(yuǎn)程數(shù)字化、智能化的技術(shù)路線實現(xiàn)；不但拓寬了教輔模式設(shè)計方法的思路，在新能源技術(shù)發(fā)展中及新時期教學(xué)環(huán)境方面，對相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)創(chuàng)新效果也起促進(jìn)提升作用，在融“教、學(xué)、做”氛圍建設(shè)方面，也促進(jìn)學(xué)員對電機傳動的性能驗證從“學(xué)”到“做”的轉(zhuǎn)變，本新型教學(xué)試驗平臺研究是對專業(yè)課程教學(xué)創(chuàng)新實踐的一種新探索。