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摘要：根据电气传动课程群间衔接关系紧密的特点，通过开放式综合课程设计将电机学、电力电子学、交直流调速和单片机技术等课程间的理论知识和应用技术紧密联系起来，有助于电气信息类本科生系统地、完整地掌握电气传动的综合知识，并将理论知识运用到实际课题的设计中，提高了学生的综合设计能力和科技创新能力，具备较强的实践能力。
关键词：电气传动；开放性；课程设计
作者简介：梁永春（1971-），男，河北石家庄人，河北科技大学电气信息学院，副教授；刘建业（1965-），男，河北石家庄人，河北科技大学电气信息学院，教授。（河北 石家庄 050018）
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0167-02
电气传动课程群间的理论知识具有很强的关系和连续性，电力电子和电机学是交直流调速课程的先修基础，交流调速和直流调速介绍电气传动的理论基础知识，单片机是利用现代计算机技术进行交直流调速的手段，几门课程之间的衔接关系非常紧密。但现有教学过程中，不同的课程由不同的教师完成，每门课程的实践环节-课程设计也是由各门课程的老师单独设计，人为地切断了课程之间的联系，不利于学生按照理论知识点的衔接顺序进行学习，往往是学了后者忘了前者，导致学生毕业设计时对如何进行电气传动类课题的系统设计毫无头绪。
为了弥补现有问题带来的缺陷，应实行学科结构综合化和课程的综合化，把知识分割过细、知识点间缺乏联系转变为强调知识的整体性和综合运用知识创造性地解决实际问题的能力，建立实验、课程设计、工程训练和科技创新的实践训练体系。[1，2]近年来各高校开始投入大量的物力和财力提高学生工程实践能力的培养，培养学生的工程意识、研究创新方法、解决问题综合能力等。[3，4]针对电气传动的特点，设置综合性、开放性电气传动课程群设计，是解决这一问题的一种有益的尝试，有利于加强各门相关课程的衔接关系，提高学生的动手能力，达到了培养学生综合掌握电气传动的理论知识和运用知识设计实际电气传动装置的目的。
一、综合开放性课程设计体系设置
现代电气传动课程群的教学目的就是利用计算机技术和电子技术实现对电力电子电路的控制和电机参数的检测，从而实现交直流电机的调速和控制。电气传动课程群包括电机学、电力电子技术、交流调速、直流调速、单片机技术等课程。电机学主要讲授交直流电机的结构、基本数量关系等知识点。电力电子技术主要讲授电力电子器件和利用电力电子器件进行变频、斩波、交流调压等基本的电能变换和电机调速的手段。交直流调速主要讲授交直流电机转速的调节方法和基本数量关系。单片机技术主要讲授基于未处理器的数据采集、显示、驱动等内容。
开放性电气传动课程群课程设计应以锻炼学生实践动手能力为目的，内容应包含上述各课程的内容。每门课程的课程设计是整个开放式课程设计中的一环，从而提高了学生对整个专业方向和课程群间关系的理解，增强了学生的动手能力和系统设计能力。
针对电气传动教学目的，本课程组设置了以交流异步电动机、直流永磁电机为对象的调速系统作为开放性课程设计的题目，要求学生完成三个主要环节的设计：基于电力电子技术的主电路设计，包括电源的设计、电力电子电路的选型、电力电子器件的选型和参数计算、主电路的构建；基于单片机技术的检测电路和驱动电路的设计，包括同步信号检测电路、电流和电压反馈信号检测电路、电机转速检测电路、电力电子器件驱动电路的设计；基于交直流调速的电机控制算法设计。
开放性课程设计应在电机学、电力电子技术、单片机、交流调速、直流调速等课程完成后进行，4-6名学生为一组，利用大四第一学期6周开展个性化教育开展。
二、开放性课程设计举例
本文以三相交直交变频电源为例介绍各学科之间的具体关系和开放性课程设计的内容。三相交直交变频电源是电力电子课程设计的一个传统题目，也是三相异步电动机变频调速的主要方式，要求学生完成主电路设计、电力电子器件的计算和选型、触发电路的设计，实现电机的调速目的。但原有的设计仅限于计算，且触发电路没有采用计算机技术和电子技术，调速指标也较低，并不能达到锻炼学生实践动手能力的目地，也不能实现各课程间的紧密衔接。
三相交直交变频电源课程设计包含四个主要环节：总体方案的设计，基于单片机技术和检测技术的电压、转速检测电路设计；基于SPWM生成集成块的驱动电路设计；基于计算机技术和交直流调速算法的电机调速控制方法设计；基于电力电子技术的主电路设计等内容。设计要求完成器件计算和选型、硬件电路的设计、控制算法的软件实现、最后完成整个系统的设计，实现电机的调速。
主要设计内容包括：
三相交直交变频电源电机三相异步电机，给定电机的功率，额定电压，额定电流，额定转速，调速范围，电机绕组电阻、电感等动参数。
主电路设计。包括主电路形式、整流变压器的设计、IGBT计算和选型、电流保护电路、过电压保护电路、关断电压保护等。
检测电路设计。电机调速与直流电压和输出频率有关，因此在控制时，需要随时检测直流侧的电压和电机的转速。电压检测可采用电压互感器或分压电阻，然后经A/D转换器送入单片机，单片机根据电压的高低选择合适的SPWM脉宽，驱动SA8281。电机转速是否达到控制要求可通过检测电机的转速来判断，电机转速采用光电编码盘检测，检测信号送入单片机，单片机通过与设定值的比较，决定是否调整及如何调整SPWM的脉宽。
控制方法设计。随着控制技术的发展，PWM技术已经广泛使用，因此开放性课程设计推荐采用SPWM控制方式实现电机的调速。
驱动电路设计。目前IGBT的驱动均采用现成的集成驱动电路，本课程设计采用专用的SPWM生成集成电路和专用的驱动模块。
通过一组同学的合作分工，并在教师的指导下完成理论计算和硬件电路的设计工作，完成整个题目。
图1给出了一种三相交直交变频电源的构成。整流电路采用二极管整流电路，逆变电路采用IGBT三相电压型逆变电路；电压检测采用电压互感器，转速检测采用光电编码器；SPWM由SA8281自动生成，驱动电路采用IR2110；单片机采用AT89C51，当进行复杂控制时刻采用DSP等高档微处理器。
图1中整流电路和三相逆变电路构成了三相交直交变频电路（如图2所示）。该三相交直交变频电源的整流电路采用二极管整流电路，三相逆变电路采用IGBT三相电压型逆变电路，即调压和调频均在逆变电路中完成。当整流电路中采用晶闸管时，可以将调压功能放在整流电路中完成，逆变电路仅完成变频功能。
本课程设计的电机为Y90S-4异步电动机，额定电流为2.8A，电压为380V。因此，主电路IGBT可选用FS10R06XL4，额定电流为6A，额定电压为600V。
单片机AT890C51与SPWM生成器SA8281连接电路原理图如图3所示。
SA8281产生的三相SPWM信号：RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB及零电位端ZPPR、ZPPY、ZPPB通过接线端子与IR2110驱动电路连接，然后接至6个IGBT的驱动端。
完成硬件设计后，电机调速控制的实现由单片机软件来实现，软件流程图如图4所示。
本课程设计采用的单片机是AT89C51，无法实现高级的控制算法，只能实现电机低精度的调速控制，但已经实现了由电力电子器件的选型、电子技术的信号检测与控制、交直流调速控制的算法等基本功能，对于学生全面理解电气传动课程群的知识点，增加实践动手能力有极大的帮助。学生在此基础上，在毕业设计阶段或以后的工作中可以利用DSP等高级微处理器实现电机的精确控制。
三、结语
通过开放性课程设计，电气信息类电气传动方向本科生可以系统地进行电机控制系统的设计。将电机学、电力电子技术、交流调速、直流调速、单片机技术等多门主要课程有机顺序联系起来，提高了学生对电气传动方向理论知识的完整理解，锻炼了实际动手能力，有助于学生顺利进行后续毕业设计环节，提高学生在就业中的竞争力。
参考文献：
[1]蒋洪元.试论高效素质教育中创新人才的培养[J].江苏高教,2001,(5):62-64.
[2]陈小虎,刘化君,朱晓春,等.电气信息与电子信息类应用型人才培养体系的创新与实践[J].中国大学教育,2006,(4):55-56.
[3]余建星,徐斌,孙克俐,等.工程创新人才培养模式的构建与成效[J].中国大学教育,2010,(1):28-30.
[4]康重庆,董嘉佳,董鸿,等.电气工程学科本科拔尖人才培养的探索[J].高等工程教育研究,2010,(5):132-136.
（责任编辑：刘丽娜）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：电气传动；开放性；课程设计
作者简介：梁永春（1971-），男，河北石家庄人，河北科技大学电气信息学院，副教授；刘建业（1965-），男，河北石家庄人，河北科技大学电气信息学院，教授。（河北 石家庄 050018）
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0167-02
电气传动课程群间的理论知识具有很强的关系和连续性，电力电子和电机学是交直流调速课程的先修基础，交流调速和直流调速介绍电气传动的理论基础知识，单片机是利用现代计算机技术进行交直流调速的手段，几门课程之间的衔接关系非常紧密。但现有教学过程中，不同的课程由不同的教师完成，每门课程的实践环节-课程设计也是由各门课程的老师单独设计，人为地切断了课程之间的联系，不利于学生按照理论知识点的衔接顺序进行学习，往往是学了后者忘了前者，导致学生毕业设计时对如何进行电气传动类课题的系统设计毫无头绪。
为了弥补现有问题带来的缺陷，应实行学科结构综合化和课程的综合化，把知识分割过细、知识点间缺乏联系转变为强调知识的整体性和综合运用知识创造性地解决实际问题的能力，建立实验、课程设计、工程训练和科技创新的实践训练体系。[1，2]近年来各高校开始投入大量的物力和财力提高学生工程实践能力的培养，培养学生的工程意识、研究创新方法、解决问题综合能力等。[3，4]针对电气传动的特点，设置综合性、开放性电气传动课程群设计，是解决这一问题的一种有益的尝试，有利于加强各门相关课程的衔接关系，提高学生的动手能力，达到了培养学生综合掌握电气传动的理论知识和运用知识设计实际电气传动装置的目的。
一、综合开放性课程设计体系设置
现代电气传动课程群的教学目的就是利用计算机技术和电子技术实现对电力电子电路的控制和电机参数的检测，从而实现交直流电机的调速和控制。电气传动课程群包括电机学、电力电子技术、交流调速、直流调速、单片机技术等课程。电机学主要讲授交直流电机的结构、基本数量关系等知识点。电力电子技术主要讲授电力电子器件和利用电力电子器件进行变频、斩波、交流调压等基本的电能变换和电机调速的手段。交直流调速主要讲授交直流电机转速的调节方法和基本数量关系。单片机技术主要讲授基于未处理器的数据采集、显示、驱动等内容。
开放性电气传动课程群课程设计应以锻炼学生实践动手能力为目的，内容应包含上述各课程的内容。每门课程的课程设计是整个开放式课程设计中的一环，从而提高了学生对整个专业方向和课程群间关系的理解，增强了学生的动手能力和系统设计能力。
针对电气传动教学目的，本课程组设置了以交流异步电动机、直流永磁电机为对象的调速系统作为开放性课程设计的题目，要求学生完成三个主要环节的设计：基于电力电子技术的主电路设计，包括电源的设计、电力电子电路的选型、电力电子器件的选型和参数计算、主电路的构建；基于单片机技术的检测电路和驱动电路的设计，包括同步信号检测电路、电流和电压反馈信号检测电路、电机转速检测电路、电力电子器件驱动电路的设计；基于交直流调速的电机控制算法设计。
开放性课程设计应在电机学、电力电子技术、单片机、交流调速、直流调速等课程完成后进行，4-6名学生为一组，利用大四第一学期6周开展个性化教育开展。
二、开放性课程设计举例
本文以三相交直交变频电源为例介绍各学科之间的具体关系和开放性课程设计的内容。三相交直交变频电源是电力电子课程设计的一个传统题目，也是三相异步电动机变频调速的主要方式，要求学生完成主电路设计、电力电子器件的计算和选型、触发电路的设计，实现电机的调速目的。但原有的设计仅限于计算，且触发电路没有采用计算机技术和电子技术，调速指标也较低，并不能达到锻炼学生实践动手能力的目地，也不能实现各课程间的紧密衔接。
三相交直交变频电源课程设计包含四个主要环节：总体方案的设计，基于单片机技术和检测技术的电压、转速检测电路设计；基于SPWM生成集成块的驱动电路设计；基于计算机技术和交直流调速算法的电机调速控制方法设计；基于电力电子技术的主电路设计等内容。设计要求完成器件计算和选型、硬件电路的设计、控制算法的软件实现、最后完成整个系统的设计，实现电机的调速。
主要设计内容包括：
三相交直交变频电源电机三相异步电机，给定电机的功率，额定电压，额定电流，额定转速，调速范围，电机绕组电阻、电感等动参数。
主电路设计。包括主电路形式、整流变压器的设计、IGBT计算和选型、电流保护电路、过电压保护电路、关断电压保护等。
检测电路设计。电机调速与直流电压和输出频率有关，因此在控制时，需要随时检测直流侧的电压和电机的转速。电压检测可采用电压互感器或分压电阻，然后经A/D转换器送入单片机，单片机根据电压的高低选择合适的SPWM脉宽，驱动SA8281。电机转速是否达到控制要求可通过检测电机的转速来判断，电机转速采用光电编码盘检测，检测信号送入单片机，单片机通过与设定值的比较，决定是否调整及如何调整SPWM的脉宽。
控制方法设计。随着控制技术的发展，PWM技术已经广泛使用，因此开放性课程设计推荐采用SPWM控制方式实现电机的调速。
驱动电路设计。目前IGBT的驱动均采用现成的集成驱动电路，本课程设计采用专用的SPWM生成集成电路和专用的驱动模块。
通过一组同学的合作分工，并在教师的指导下完成理论计算和硬件电路的设计工作，完成整个题目。
图1给出了一种三相交直交变频电源的构成。整流电路采用二极管整流电路，逆变电路采用IGBT三相电压型逆变电路；电压检测采用电压互感器，转速检测采用光电编码器；SPWM由SA8281自动生成，驱动电路采用IR2110；单片机采用AT89C51，当进行复杂控制时刻采用DSP等高档微处理器。
图1中整流电路和三相逆变电路构成了三相交直交变频电路（如图2所示）。该三相交直交变频电源的整流电路采用二极管整流电路，三相逆变电路采用IGBT三相电压型逆变电路，即调压和调频均在逆变电路中完成。当整流电路中采用晶闸管时，可以将调压功能放在整流电路中完成，逆变电路仅完成变频功能。
本课程设计的电机为Y90S-4异步电动机，额定电流为2.8A，电压为380V。因此，主电路IGBT可选用FS10R06XL4，额定电流为6A，额定电压为600V。
单片机AT890C51与SPWM生成器SA8281连接电路原理图如图3所示。
SA8281产生的三相SPWM信号：RPHT、YPHT、BPHT、RPHB、YPHB、BPHB及零电位端ZPPR、ZPPY、ZPPB通过接线端子与IR2110驱动电路连接，然后接至6个IGBT的驱动端。
完成硬件设计后，电机调速控制的实现由单片机软件来实现，软件流程图如图4所示。
本课程设计采用的单片机是AT89C51，无法实现高级的控制算法，只能实现电机低精度的调速控制，但已经实现了由电力电子器件的选型、电子技术的信号检测与控制、交直流调速控制的算法等基本功能，对于学生全面理解电气传动课程群的知识点，增加实践动手能力有极大的帮助。学生在此基础上，在毕业设计阶段或以后的工作中可以利用DSP等高级微处理器实现电机的精确控制。
三、结语
通过开放性课程设计，电气信息类电气传动方向本科生可以系统地进行电机控制系统的设计。将电机学、电力电子技术、交流调速、直流调速、单片机技术等多门主要课程有机顺序联系起来，提高了学生对电气传动方向理论知识的完整理解，锻炼了实际动手能力，有助于学生顺利进行后续毕业设计环节，提高学生在就业中的竞争力。
参考文献：
[1]蒋洪元.试论高效素质教育中创新人才的培养[J].江苏高教,2001,(5):62-64.
[2]陈小虎,刘化君,朱晓春,等.电气信息与电子信息类应用型人才培养体系的创新与实践[J].中国大学教育,2006,(4):55-56.
[3]余建星,徐斌,孙克俐,等.工程创新人才培养模式的构建与成效[J].中国大学教育,2010,(1):28-30.
[4]康重庆,董嘉佳,董鸿,等.电气工程学科本科拔尖人才培养的探索[J].高等工程教育研究,2010,(5):132-136.
（责任编辑：刘丽娜）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文