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摘要：针对“电气传动控制”课程涉及到多学科融合、理论性和实践性都很强的特点，以及采用传统理论教学方式教学效果不佳的问题，提出了一种基于不同类型电机和调速控制策略的专题式教学方法，通过以传动控制系统实现为核心的相关支撑知识讲授和应用，比较好地提高了学生的学习兴趣和学习效率。
关键词：电气传动控制；教学方法；专题式教学；系统实验
中图分类号：G642 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）17-0075-02
“电气传动控制”课程是电气工程专业的重要专业课程，主要讲述电气传动系统的现代控制方法，如基于电力电子变流器的直流电动机闭环调速控制方法，交流电动机的变频器调速控制、伺服系统的控制方法等，目的是使学生掌握现在电气传动控制系统的组成、原理及实现方法，为电气传动的实际应用打下良好的基础。该课程的理论性和实践性都很强，涉及到电机学、电力电子技术、控制理论、信号检测与处理技术、计算机控制技术、微电子技术等多门学科。[1，2]传统的教学方式是从支撑传动控制的基础理论入手，在介绍完相关的电机模型、变流器调制技术、自动控制技术和信号检测技术之后再介绍传动系统的构成及原理，最后以仿真和实验进行验证。这种讲授方法在前期灌输了大量、复杂的理论知识，学生一时体会不到其应用性，很容易造成学习疲劳。一些学者针对该问题提出了一些教学方式改革，如文献[3]、[4]提出了以实践设计为导向的教学方法，通过专门开设“电气传动综合实验”课程等方式，促使学生把所掌握的知识系统化、实践化。文献[5]提出采用现场直观教学、启发式教学、知识回顾等方式来提高教学效果。
实际上“电气传动控制”课程最终目标是解决各种类型电机的控制问题，因此，直接以电机调速控制系统的构建与实现为核心来组织课程学习，会有更强的针对性，构建系统所需的理论直接用于解决实际问题，可使学生体会到学以致用的好处，也容易激发学生的兴趣。当一个个调速控制被实现之后，学生也会很有成就感。因此，采用基于调速控制系统专题的教学方法不失为一种高效易行的“电气传动控制”课程教学方法。
一、“电气传动控制”课程的主要内容
各个高校的“电气传动控制”课程讲授内容会结合各学校自身的培养要求和目标定位而有所不同，课程设置的课时也不尽相同。个人认为，以培养具有“熟知”（即熟练掌握典型电气传动控制系统的结构、原理和特性）、“设计”（即能针对控制对象特点和要求完成控制系统设计）和“实现”（即根据设计好的传动控制系统，能够选择相应的硬件和软件，完成系统构建）三个层次能力的高素质电气工程师而言，“电气传动控制”课程的主要内容应该包括以下几个方面：第一，电气传动控制技术概述。介绍电气传动控制系统的组成，现代电气传动控制技术的发展概况及趋势。第二，电气传动系统的性能指标。介绍调速范围、调差率、超调量、过渡过程时间、动态转速降、等稳态与动态调速性能指标。第三，电动机的动态数学模型。重点介绍交流电动机在abc坐标系、αβ坐标系、dq坐标系下的数学模型及各个坐标系间的变换关系。第四，调速系统设计。主要包括调速系统建模、控制结构选择、调节器设计等。第五，调速控制策略。介绍交直流调速系统的调速控制方法，如直流电动机的电流、转速双闭环调速控制、异步电动机的恒压频比调速控制、交流电动机的矢量控制和直接转矩控制等。第六，变流器的拓扑结构及其PWM控制。介绍变流器的结构形式及其PWM控制和实现方法。第七，电气传动控制系统的仿真。基于MATLAB/Simulink、Simplore等软件的电气传动控制系统的模型建立及其调速特性仿真。第八，电气传动控制系统的实现。介绍电气传动控制系统的模拟及数字电路实现方法、电机角位置/转速的检测、电压及电流反馈信号的获取，完成软、硬件系统的构建和实验。
二、“电气传动控制”课程的专题划分
根据前面的分析可知，“电气传动控制”课程的讲授内容主要是围绕传动控制系统的实现，讲授了系统模型、控制指标、控制策略、传动控制闭环设计、变流器PWM技术、系统性能分析等。其最终目的是在理解传动控制系统的结构和原理的基础上，针对某一给定控制对象特点和要求设计出相应的传动控制系统，并通过软、硬件实现该系统。因此，“电气传动控制”课程的讲授，可以根据控制电机类型和控制策略的不同划分为几种传动控制系统专题，每一个专题只围绕一种电机的控制方法，介绍其构成、原理、模型、控制、实现（包括仿真和实验）以及特性，还可以介绍该类型电机的控制技术的发展现状及趋势，开阔学生视野。每一个专题都可构成一个相对独立的系统，以系统的形式呈现出来的知识点都是紧紧围绕系统实现服务，便于学生感受其实用性。当学生掌握一个系统并通过仿真和实验实现之后会有深深的成就感，自然会增加学习的主动性和趣味性。
专题的划分一般要求要有典型性、系统性和实用性。根据“电气传动控制”课程的总体教学内容，可以划分为以下几个专题进行讲授：第一，直流电动机转速、电流双闭环调速控制系统。直流电动机的模型和控制机理相对简单，因此可以作为第一个专题进行讲授。该部分的知识点包括：调速系统的性能指标、调节器（PI控制器）的设计方法、直流调速系统的建模及性能分析。其中调速性能指标和PI调节器设计方法是电气传动的共性内容，需要学生熟练掌握。第二，异步电动机磁场定向矢量控制系统。异步电动机及矢量控制是现代电气传动控制的主流，是“电气传动控制”课程学习的重点。该部分的知识点包括：交流电动机的动态数学模型、坐标变换方法、矢量控制的基本原理及实现。第三，永磁同步电动机直接转矩控制系统。永磁电动机因为其体积小、效率高而在中小功率的传动控制领域具有优势。直接转矩控制是现代交流电机控制技术中的另一个先进控制技术。该部分的知识点包括：同步电动机的数学模型、空间电压矢量及其对转矩和磁链的影响、SVPWM技术、磁通和转矩观测方法、直接转矩控制的原理及实现。第四，无刷直流电动机调速控制系统。无刷直流电动机是永磁电机的一种，其反电动势是梯形波，和三相变频器及位置传感器配合起来控制可以得到类似直流电动机的特性，可用于伺服传动领域。本专题的知识点：梯形波永磁电机的建模方法、无刷直流电动机的数字控制方法、位置传感器的使用。 上述四个专题的选取基本涵盖了现代电气传动领域里的常用驱动电机、控制策略、调节器设计方法、建模方法、PWM控制方法和系统实现方法。满足了所提出的典型性、系统性和实用性的要求。
三、“电气传动控制”课程的专题讲授方法
上节讲到专题的划分要求具有较强的系统性，但是通过分析各个专题的内容来看，各个专题之间又有较强的相关性。例如，调速系统的性能指标、闭环调节器的设计方法、反馈信号的检测方法等对于所有的传动系统都适用；交流电动机的动态模型的建立方法和坐标变换方法等对各种交流电动机也基本适用。这样，对于各个专题的共性理论（知识点）部分，可以有侧重地分散在各个专题中讲授，每一个理论在一个专题中可以直接应用解决一个问题，这样可以避免集中、大量地讲授理论知识，造成学生乏味的感觉。当一种理论在一种专题中讲授并应用过之后，在另一专题中就可以直接拿来应用，经过几次应用，学生基本就可以透彻地掌握该知识了。
当然，专题的讲授最终要围绕系统性来讲授，各个知识点都是为传动系统实现服务的，下面以“异步电动机磁场定向矢量控制系统”专题为例来说明专题的讲授方法。
图1是异步电动机转子磁场定向控制系统的原理框图，该框图中包含了异步电机矢量控制的所有知识点。讲授时，首先通过原理框图阐述系统的各部分组成、功能，然后类比直流电动机的控制机理得出异步电机磁场定向矢量控制的基本思想和原理，再结合坐标变换、异步电机动态数学模型、磁链观测方法三个知识点讲授支撑矢量控制系统的基本要素，最后再回到系统的概念，分析如何结合变频器PWM技术实现控制策略，完成对电机的驱动，最后通过Simulink完成对异步电机矢量控制系统的特性仿真分析，在条件允许的情况下搭建硬件实验系统进行验证，并对矢量控制系统的特点进行分析总结。框图中的坐标变换和数学模型两个知识点是交流电机电气传动的公用理论，需要详细介绍，调节器设计是直流调速专题中的讲授内容，此处只需对得到的结论进行应用。
四、结语
“电气传动控制”课程是电气工程专业的核心专业课程，涉及到多学科交叉融合，理论性和实践性都很强。采用按部就班的集中式理论授课方法，学生不易于掌握，教学效果不理想。本文针对“电气传动控制”课程的特点建议了一种专题式授课方式，选取几种典型的传动控制系统作为专题，围绕系统的实现，讲授系统的构成、控制策略、支撑理论和功能实现等，便于学生即学即用，提高学习兴趣和效率。通过海军工程大学两届学生的教学实践证明，该教学方式取得了令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]梁永春，刘建业.电气传动课程群开放式课程设计体系研究[J].中国电力教育，2011，（21）：167-168.
[3]孙醒涛，蔡燕.“电气传动控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育，2013，（33）：99-100.
[4]曲娜，牟荟瑾，柏逢明.电力电子与电气传动系列课程的改革与实践[J].长春理工大学学报，2012，（3）：140-141.
[5]李莺.电气传动课程教学改革的研究与实践[J].宜宾学院学报，
2010，（6）：109-110.
（责任编辑：王意琴）
关键词：电气传动控制；教学方法；专题式教学；系统实验
中图分类号：G642 ； ； ； ； ；文献标识码：A ； ； ； ； ；文章编号：1007-0079（2014）17-0075-02
“电气传动控制”课程是电气工程专业的重要专业课程，主要讲述电气传动系统的现代控制方法，如基于电力电子变流器的直流电动机闭环调速控制方法，交流电动机的变频器调速控制、伺服系统的控制方法等，目的是使学生掌握现在电气传动控制系统的组成、原理及实现方法，为电气传动的实际应用打下良好的基础。该课程的理论性和实践性都很强，涉及到电机学、电力电子技术、控制理论、信号检测与处理技术、计算机控制技术、微电子技术等多门学科。[1，2]传统的教学方式是从支撑传动控制的基础理论入手，在介绍完相关的电机模型、变流器调制技术、自动控制技术和信号检测技术之后再介绍传动系统的构成及原理，最后以仿真和实验进行验证。这种讲授方法在前期灌输了大量、复杂的理论知识，学生一时体会不到其应用性，很容易造成学习疲劳。一些学者针对该问题提出了一些教学方式改革，如文献[3]、[4]提出了以实践设计为导向的教学方法，通过专门开设“电气传动综合实验”课程等方式，促使学生把所掌握的知识系统化、实践化。文献[5]提出采用现场直观教学、启发式教学、知识回顾等方式来提高教学效果。
实际上“电气传动控制”课程最终目标是解决各种类型电机的控制问题，因此，直接以电机调速控制系统的构建与实现为核心来组织课程学习，会有更强的针对性，构建系统所需的理论直接用于解决实际问题，可使学生体会到学以致用的好处，也容易激发学生的兴趣。当一个个调速控制被实现之后，学生也会很有成就感。因此，采用基于调速控制系统专题的教学方法不失为一种高效易行的“电气传动控制”课程教学方法。
一、“电气传动控制”课程的主要内容
各个高校的“电气传动控制”课程讲授内容会结合各学校自身的培养要求和目标定位而有所不同，课程设置的课时也不尽相同。个人认为，以培养具有“熟知”（即熟练掌握典型电气传动控制系统的结构、原理和特性）、“设计”（即能针对控制对象特点和要求完成控制系统设计）和“实现”（即根据设计好的传动控制系统，能够选择相应的硬件和软件，完成系统构建）三个层次能力的高素质电气工程师而言，“电气传动控制”课程的主要内容应该包括以下几个方面：第一，电气传动控制技术概述。介绍电气传动控制系统的组成，现代电气传动控制技术的发展概况及趋势。第二，电气传动系统的性能指标。介绍调速范围、调差率、超调量、过渡过程时间、动态转速降、等稳态与动态调速性能指标。第三，电动机的动态数学模型。重点介绍交流电动机在abc坐标系、αβ坐标系、dq坐标系下的数学模型及各个坐标系间的变换关系。第四，调速系统设计。主要包括调速系统建模、控制结构选择、调节器设计等。第五，调速控制策略。介绍交直流调速系统的调速控制方法，如直流电动机的电流、转速双闭环调速控制、异步电动机的恒压频比调速控制、交流电动机的矢量控制和直接转矩控制等。第六，变流器的拓扑结构及其PWM控制。介绍变流器的结构形式及其PWM控制和实现方法。第七，电气传动控制系统的仿真。基于MATLAB/Simulink、Simplore等软件的电气传动控制系统的模型建立及其调速特性仿真。第八，电气传动控制系统的实现。介绍电气传动控制系统的模拟及数字电路实现方法、电机角位置/转速的检测、电压及电流反馈信号的获取，完成软、硬件系统的构建和实验。
二、“电气传动控制”课程的专题划分
根据前面的分析可知，“电气传动控制”课程的讲授内容主要是围绕传动控制系统的实现，讲授了系统模型、控制指标、控制策略、传动控制闭环设计、变流器PWM技术、系统性能分析等。其最终目的是在理解传动控制系统的结构和原理的基础上，针对某一给定控制对象特点和要求设计出相应的传动控制系统，并通过软、硬件实现该系统。因此，“电气传动控制”课程的讲授，可以根据控制电机类型和控制策略的不同划分为几种传动控制系统专题，每一个专题只围绕一种电机的控制方法，介绍其构成、原理、模型、控制、实现（包括仿真和实验）以及特性，还可以介绍该类型电机的控制技术的发展现状及趋势，开阔学生视野。每一个专题都可构成一个相对独立的系统，以系统的形式呈现出来的知识点都是紧紧围绕系统实现服务，便于学生感受其实用性。当学生掌握一个系统并通过仿真和实验实现之后会有深深的成就感，自然会增加学习的主动性和趣味性。
专题的划分一般要求要有典型性、系统性和实用性。根据“电气传动控制”课程的总体教学内容，可以划分为以下几个专题进行讲授：第一，直流电动机转速、电流双闭环调速控制系统。直流电动机的模型和控制机理相对简单，因此可以作为第一个专题进行讲授。该部分的知识点包括：调速系统的性能指标、调节器（PI控制器）的设计方法、直流调速系统的建模及性能分析。其中调速性能指标和PI调节器设计方法是电气传动的共性内容，需要学生熟练掌握。第二，异步电动机磁场定向矢量控制系统。异步电动机及矢量控制是现代电气传动控制的主流，是“电气传动控制”课程学习的重点。该部分的知识点包括：交流电动机的动态数学模型、坐标变换方法、矢量控制的基本原理及实现。第三，永磁同步电动机直接转矩控制系统。永磁电动机因为其体积小、效率高而在中小功率的传动控制领域具有优势。直接转矩控制是现代交流电机控制技术中的另一个先进控制技术。该部分的知识点包括：同步电动机的数学模型、空间电压矢量及其对转矩和磁链的影响、SVPWM技术、磁通和转矩观测方法、直接转矩控制的原理及实现。第四，无刷直流电动机调速控制系统。无刷直流电动机是永磁电机的一种，其反电动势是梯形波，和三相变频器及位置传感器配合起来控制可以得到类似直流电动机的特性，可用于伺服传动领域。本专题的知识点：梯形波永磁电机的建模方法、无刷直流电动机的数字控制方法、位置传感器的使用。 上述四个专题的选取基本涵盖了现代电气传动领域里的常用驱动电机、控制策略、调节器设计方法、建模方法、PWM控制方法和系统实现方法。满足了所提出的典型性、系统性和实用性的要求。
三、“电气传动控制”课程的专题讲授方法
上节讲到专题的划分要求具有较强的系统性，但是通过分析各个专题的内容来看，各个专题之间又有较强的相关性。例如，调速系统的性能指标、闭环调节器的设计方法、反馈信号的检测方法等对于所有的传动系统都适用；交流电动机的动态模型的建立方法和坐标变换方法等对各种交流电动机也基本适用。这样，对于各个专题的共性理论（知识点）部分，可以有侧重地分散在各个专题中讲授，每一个理论在一个专题中可以直接应用解决一个问题，这样可以避免集中、大量地讲授理论知识，造成学生乏味的感觉。当一种理论在一种专题中讲授并应用过之后，在另一专题中就可以直接拿来应用，经过几次应用，学生基本就可以透彻地掌握该知识了。
当然，专题的讲授最终要围绕系统性来讲授，各个知识点都是为传动系统实现服务的，下面以“异步电动机磁场定向矢量控制系统”专题为例来说明专题的讲授方法。
图1是异步电动机转子磁场定向控制系统的原理框图，该框图中包含了异步电机矢量控制的所有知识点。讲授时，首先通过原理框图阐述系统的各部分组成、功能，然后类比直流电动机的控制机理得出异步电机磁场定向矢量控制的基本思想和原理，再结合坐标变换、异步电机动态数学模型、磁链观测方法三个知识点讲授支撑矢量控制系统的基本要素，最后再回到系统的概念，分析如何结合变频器PWM技术实现控制策略，完成对电机的驱动，最后通过Simulink完成对异步电机矢量控制系统的特性仿真分析，在条件允许的情况下搭建硬件实验系统进行验证，并对矢量控制系统的特点进行分析总结。框图中的坐标变换和数学模型两个知识点是交流电机电气传动的公用理论，需要详细介绍，调节器设计是直流调速专题中的讲授内容，此处只需对得到的结论进行应用。
四、结语
“电气传动控制”课程是电气工程专业的核心专业课程，涉及到多学科交叉融合，理论性和实践性都很强。采用按部就班的集中式理论授课方法，学生不易于掌握，教学效果不理想。本文针对“电气传动控制”课程的特点建议了一种专题式授课方式，选取几种典型的传动控制系统作为专题，围绕系统的实现，讲授系统的构成、控制策略、支撑理论和功能实现等，便于学生即学即用，提高学习兴趣和效率。通过海军工程大学两届学生的教学实践证明，该教学方式取得了令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]梁永春，刘建业.电气传动课程群开放式课程设计体系研究[J].中国电力教育，2011，（21）：167-168.
[3]孙醒涛，蔡燕.“电气传动控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育，2013，（33）：99-100.
[4]曲娜，牟荟瑾，柏逢明.电力电子与电气传动系列课程的改革与实践[J].长春理工大学学报，2012，（3）：140-141.
[5]李莺.电气传动课程教学改革的研究与实践[J].宜宾学院学报，
2010，（6）：109-110.
（责任编辑：王意琴）