科教融合的《电机与拖动》的课堂教学

宿州学院机械与电子工程学院 曹吉花 温 艳 李 彪 朱 光 胡 旋

文章首先阐述了电机与拖动的课程内容，而后介绍了直流电机三种调速方法的仿真研究与实验研究，并探讨了直流电机双闭环调速系统所涉及的教学内容，最后结合自己的研究课题，将相关研究热点融入到电机与拖动的课堂教学中，增加学生的学习兴趣，提高教学效果。

科教融合这一理念最早是由德国的教育学家洪堡提出的，他第一次在大学内部确立了科研与教育统一的思想，他提出科学应建立在宽宏的人文主义关怀之上，提倡在高等教育中教育与科研有机结合，科教融合成为世界一流大学的核心办学理念。我国高等教育从科教并重转向科教融合则是高等教育强国建设的必然选择。科教融合旨在把教师的科研成果与相关课程的教学内容相融合，以科学探究的方法组织课堂教学活动，提高学生的学习兴趣，开阔学生的视野。本人在《电机与拖动》的课堂教学中，结合自己的科研项目，把自己的研究内容、知识和方法等贯穿到《电机与拖动》的课堂教学中去，重塑课程体系和教学方法，提高学生的学习兴趣。

1 《电机与拖动》教学内容

《电机与拖动》课程是自动化、电气工程及其自动化等电类专业普遍开设的一门重要的专业基础课，该课程的实践性和理论性都很强，学生在学习过程中需要理解许多抽象概念，既要具有电路的基础知识又要有磁路的基础知识，同时还需要掌握电机的起动、调速和制动等应用方法。为了更好的掌握电机的使用方法，学生需要做一些关于电机和变压器的实验，由于实验时电压比较高，电流比较大，学生对实验的操作都存在一定的畏惧心理。对于电动机的堵转、变压器的短路等具有一定危险性的实验，学生在操作时更是战战兢兢，老师在上课时也是提心吊胆，总担心学生操作时失误伤害到学生或者损毁设备。因此《电机与拖动》的理论课和实践课的教学与学习都具有一定的难度。同时《电机与拖动》又是电气工程、自动化等专业必修的专业基础课，电动机更是各种控制方式的研究对象，因此学生必须学好这门课程。本人在《电机与拖动》的教学过程中根据电气工程、自动化等专业学生将来就业的方向以及当前的研究热点，注重从直流电机的调速方法研究入手，进行科教融合，把自己的科研成果融入到课堂教学中，明确该课程的发展方向、激发学生对这门课程的学习热情，提高学生的学习兴趣。

2 “科教融合”下的教学内容研究

电机与拖动课程的教学内容较多，根据电气工程、自动化等专业学生将来就业的方向以及当前的研究热点，结合本人的科研项目内容，注重从直流电机和交流电机调速方法研究入手，整合教学内容，打破常规的课堂讲授教学方式，采用学生自主讨论、专业软件仿真及实验验证的方式，使学生掌握直流、交流电机的调速方法。电机的调速是指在负载一定的条件下，根据需要人为改变电机的转速。直流电机与交流电机的结构不同，其调速的方式也不同。

2.1 直流电机调速方法仿真研究

直流电动机有比较好的调速性能，且应用广泛。直流电动机的转速表达式是：

从转速的表达式可以看出，要改变电动机的转速有三种方法：（1）降低电枢绕组的电压Ua；（2）转子绕组串电阻；（3）改变励磁电流。

向学生介绍了直流电机的三种调速方法后，为了使学生对电机的调速方法有更直观的理解，结合PSIM仿真软件向学生介绍三种调速方法的仿真结果。直流电动机的仿真原理图如图1所示，图2是电枢电压为220v和180v时直流电动机的转速仿真波形，从仿真波形可以看出，220V电压时电机的转速是1016转/分钟，180V电压时电机的转速是824转/分钟，随着电枢电压的降低，直流电动机的转速降低，降压调速是向下调速的。同样可以仿真得到电枢串1Ω电阻和1.5Ω电阻时电动机的转速波形，串1Ω电阻时，电动机的转速接近535转/分钟，串1.5Ω电阻时电动机的转速接近294转/分钟，随着电枢串电阻阻值的增加，电动机的转速降低，调速方向也是向下调。利用PSIM软件对改变励磁电流时电动机的转速进行仿真，2A的励磁电流时，电动机的转速是1373转/分钟，1.5A的励磁电流时，电动机的转速是1630转/分钟，随着励磁电流的减小，电动机的转速增加，调速方向是向上的。

图1 他励直流电动机的仿真原理图

图2 220V与180V电枢电压时电动机的转速

2.2 直流电机调速方法实验研究

利用学院现有的实验设备对直流电机的三种调速方法进行实验验证，直流电机的参数为：Uf =Ua=220V，Rf=75Ω，Ra=0.2Ω，CEΦ=0.175，T=83.56Nm，改变电枢电压、电枢串电阻、减小励磁电流调速时电机的转速如表1所示。

表1 改变电枢电压、电枢串电阻、减小励磁电流调速时电机的转速

2.3 直流电机调速方法的深入研究

直流电动机的调速方法有三种，降低电枢绕组的电压调速是直流电动机首选的调速方式，这种调速方式调速范围比较宽，调速的平滑性和稳定性都比较好。但是需要用到可调的直流电源，目前电压的变化采用PWM技术，通过DSP28335产生需要的PWM波形从而改变直流电动机的电压，进而改变电动机的转速。

从电动机的调速仿真波形可以看出，电动机在启动时转速波动较大，经过较长的时间才能达到稳定，而且速度受负载扰动较大，为了解决这些问题，工业生产中直流电动机的调速常常采用双闭环形式，即速度调节器和电流调节器，这两个调节器采用PI调节器，两者之间串行连接，电流调节器的最大给定电压由转速调节器的最大输出电压所决定的，同是它也决定了晶闸管整流器的最大输出电压，双闭环直流调速系统起动过程是接近理想的启动过程。

直流电机的双闭环调速是目前研究的热点，也是工农业生产中常采用的调速方式。结合双闭环调速的电路原理图向学生讲授电流调节器、速度调节器组成，带着学生回顾所学过的模拟电子技术的知识，通过PWM调节器、直流斩波电路向学生介绍电力电子技术的知识。通过双闭环的反馈控制向学生介绍自动控制课程的相关知识。

2.4 科研项目与教学内容融合方案

本人主持了安徽省高校自然科学研究项目：《基于SCADA的煤矿通风机在线监控系统研究》和《基于WinCC及PLC的无极绳连续牵引车综保系统研究》。《基于SCADA的煤矿通风机在线监控系统研究》项目主要研究矿用通风机运行时的在线监控，煤矿主通风机是煤矿生产的主要设备之一，担任着向井下提供新鲜风流，冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，防止发生各种伤害和爆炸事故的任务。通风机的运行状态直接影响整个生产系统的正常运行和安全生产，一旦发生故障将造成巨大的停产损失和安全问题。通风机变频调速系统利用触摸屏、PLC、变频器、主通风机及传感器组成闭环控制系统。《基于WinCC及PLC的无极绳连续牵引车综保系统研究》主要研究煤矿井下无极绳连续牵引车的安全运行，为了使无极绳连续牵引车安全稳定运行，需要添加综合保护系统，对电机的保护主要有短路保护、过载保护及欠压保护等。本项目中所用到的电机调速采用PWM控制的调压调速，其中PWM波形则采用DSP28335产生，即采用数字控制技术，数字控制技术涉及自动控制、单片机技术、数字信号处理、DSP技术等多门课程，是多学科交叉性研究课题。近年来，由于单片机技术的发展，以单片机为控制器的数字控制器在许多的场合取代了模拟控制器，对电动机这一被控对象进行控制。在以上两个项目完成的过程中，对电机的运行特性、调速及保护都进行了相关的研究，发表了5篇论文，对自己开发的源程序申请了2项软件著作权保护。

结合自己的2项研究课题向学生介绍电机在工农业生产中的应用，在实际使用中电机调速方法的实现，及为了对电机进行调速所需要学习的其他的课程知识。例如为了使电机稳定运行，快速响应需要用到自动控制的相关内容，为了实现闭环控制需要用到模拟电子技术、传感器等相关内容，为了产生PWM波形需要用到DSP技术、电力电子技术等相关内容。

3 总结

科研活动与教学过程相融合是一种向学生传授知识，激发其科研兴趣的过程。本人在完成科研项目的过程中，对电动机的调速及保护进行了研究。《电机与拖动》课程的重点是直流电动机、交流电动机的调速，结合自己的研究经历与研究成果，向学生介绍电机调速系统的研究，激发学生学习兴趣，提高教学效果。