《基于项目的DSP原理与应用和电力电子技术课程融合教学》
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摘要：文章在分析DSP原理及应用课程与电力电子技术课程教学过程中存在的现实问题基础上提出了基于项目的课程融合教学改革思路.在实际教学中,以项目化为导向,采用企业规范的项目开发流程完成DSP与电力电子技术课程的项目式教学.通过课程融合教学,使学生将学到的零散知识系统化,做到学以致用,融会贯通.
关键词：DSP原理及应用;电力电子技术;课程融合;项目开发
中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：2096-000X（2020）16-0085-04
Abstract： Based on the analysis of the practical problems existing in the teaching process of DSP principle and application course and power electronics course, the reform idea of the integration teaching course based on the project is put forward in the paper. In the actual teaching, taking project as the orientation, the project development process of enterprise standard is adopted to complete the project teaching of DSP and power electronics courses. Through the course integration teaching, the students make the scattered knowledge learned systematize, practice what you he learned and achieve mastery through a comprehensive study of the subjects.
Keywords： DSP principle and application; power electronics; integration teaching; project development
引言
随着数字化、信息化技术的快速发展,数字信号处理器 （Digital Signal Processing,DSP）的研究与应用均日益成熟.DSP已成为众多科学研究和工程应用的关键技术,其应用已遍布各个领域,如家用设备类、消费电子类、航空航天、军事国防等[1-2].
电力电子技术是一门新兴的电子技术,应用范围十分广泛.它不僅应用在交通运输、电力系统、通信系统、新能源系统等新型领域中,而且在节能照明、家用电器、一般工业领域中也有广泛的应用.由此可见,学院开设这门课程的必要性,以及学生掌握这门课程的重要性.
本文涉及的两门课程是电气工程及自动化专业的核心专业基础课.目前的教学方式倾向于传统教学,由于受实验条件限制注重理论教学,学生缺乏学习兴趣.为了使学生更好地理解、掌握它们,有必要进行教学改革.关于电力电子技术教学改革的文献有很多,一部分电力电子技术教学改革方案倾向于利用仿真软件[3-5],但仿真软件不能锻炼学生的动手能力;一部分注重项目式教学[6-7].DSP教学改革的文献也有很多[1-2,8-9],大多数是从教学内容、教学手段进行改革.从目前教学改革文献来看,两门课程独立教学改革,没有课程融合教学改革.本文将两门课程融合教学进行了探索.采用多课程融合教学既可改善传统教学存在的一些问题,又可突显项目化专业知识的连贯性.一个实验装置可以完成多门课程的实验课,既避免了实验室重复建设,又节省了成本.一个实验装置就是一个简单的项目,与企业项目接轨,使学生一开始就以实际项目锻炼自己,为以后就业打下基础,不至于从课堂所学的知识与企业实践严重脱轨.
一、电力电子技术和DSP原理及应用教学中存在的问题
(一)课程内容偏重理论知识
我院开设了40学时的“DSP原理及应用”课程,其中,8学时的实验课程.该课程的理论知识主要包含了DSP的硬件结构、存储器配置、寻址方式、指令系统以及通信模式等基础知识;实验课程则要求学生掌握DSP的开发流程及仿真调试技术验证所编的程序是否正确.该课程的目的是使学生掌握DSP芯片原理与应用.鉴于DSP课程难度较大,并且在教学过程中存在着教学学时有限而知识点繁多、教学内容陈旧、教学方法单一等多种问题,一定程度限制了DSP课程的教学效果.而且学生普遍反映这门课难懂,限制了DSP应用化.
对于电力电子技术课程,我院安排了48学时的理论教学和8学时的实验课.教学内容包含了各种器件、整流电路、斩波电力、逆变电路和交流调压变频电路、PWM控制技术以及软开关技术等.教学内容较多,原理分析较多.教学中采用的仍然是传统的授课方式（PPT幻灯片+板书）.这种授课方式比较单一,导致所传授的知识有限以及学生所掌握的知识也有限.实验教学也存在缺陷,受实验设备和实验时间的限制,学生分组做实验,很多学生不能亲自动手做实验.而且做实验也是按照接线图,插几根线,看下实验现象就结束了,也没有留给学生一定的发挥空间.直到毕业设计或者参加竞赛,学生的综合分析问题、解决问题的缺陷显现出来.在课堂上学生学到的是零散的知识,没有一个完整的知识架构与整体性的概念,所以在后期毕业设计环节,教师指导学生很辛苦,简直就是手把手教.学生所学的专业知识最终还是要转化为实际工程应用,所以教师在教授课程知识时应举实例说明,先整体后局部,采用项目式模块化教学.另外,市场上涌现出各种各样的仿真软件,而且学生每人都会有一台笔记本电脑,学生可以借助于仿真软件进行课下巩固学习.教师采用多种教学手段替代单一课堂教学,可以使学生加深对本课程专业知识的理解.
（二）两门课程相互独立
由于讲授电力电子技术课程和DSP课程的教师并非同一人,教师专业背景、教学计划也会有所不同,使得两门课程独立,无关联,不能对两门课程融合教学.比如器件的开通、关断需要DSP 控制器发出驱动信号控制.所以,在授课时要加强DSP与电力电子技术的紧密联系,使学生能够学以致用并做到理论联系实践.因此,DSP与电力电子技术课程的融合教学是十分必要的.在一个完整的电源产品中,控制器、采集调理、保护电路、主电路是缺一不可的.DSP控制器的输入是靠传感器采集信息,调理电路和保护电路对采集的信息进行处理满足DSP输入电平的要求.DSP控制器的PWM引脚输出的是PWM脉冲信号,用来控制电力电子器件的导通与关断.主电路则是由电力电子器件构成的各种变换器.调理保护电路则由数字电子电路课程中的运算放大器等构成.所以,一个项目所涉及的专业技术知识是由大学时期所开设的专业课多门课程联合构成.
目前,多门课程学完之后,学生不能系统地将多门课程的内容知识结合起来使用,知识零散.学生也困惑学的知识不知道怎么用,其实是学生缺乏不同课程之间的融合训练.项目式教学可以融合各门课程知识,做到学以致用、融会贯通,是教师教学生的最终目的.
二、基于项目的课程教学融合实施
我院模拟电子技术、数字电子技术以及传感器与测量技术课程开课安排在大二上学期.而大二下学期开设了电力电子技术（56学时）和DSP原理与应用（40学时）课程.依据项目化的DSP技术与电力电子技术融合教学的要求,授课学时需要调整.两门专业课的应用性较强,需要加入课程设计实践环节.为了使两门课程相互衔接,承担这两门课程的教师尽量专业相同,且在开课前需要共同制定教案、教学计划等.理论教学与基础实验由各任课教师单独组织,课程设计需由两门任课教师共同指导完成.基础实验和课程设计都可在融合实践平台上完成.
三、基于项目的课程融合实践平台的实施
(一)项目实例确定
根据电力电子技术课程的教学计划,选取典型且简单实用的变换器为例,使实践教学平台适应企业生产发展的需要.预选取buck、boost电路, 三相桥式PWM整流器和单相桥式PWM逆变器这几个项目实践平台,让学生掌握DSP是如何控制电力电子器件以及加深理解各种变换原理,学生通过动手操作这几个项目,系统地将所学知识联系起来,训练了他们的电力电子科研实践的基本技能,拓宽了专业视野.该实践平台既可用于两门课程的实验课以及课程设计也可用于各种电力电子设计大赛训练.
(二)实践平台构建
实践平台系统结构原理示意图,如图1所示,可满足实验教学和研发需要.该系统结构主要由主电路、控制电路、信号调理＼保护电路、驱动电路、传感器等功能模块组成.实践平台开发的主电路有buck电路模块、boost电路模块、 三相桥式PWM整流器模块和单相桥式PWM 逆变器模块.学生做哪个项目调换相应的主电路模块,根据电气原理图,连接相应的接口构成一个简单的项目系统.在该平台上,学生可自由发挥,比如改进控制算法,自己编程、调试等.该平台配有每个模块的使用说明书,以及文字介绍说明各个模块功能,强化学生对相关知识的认识与理解.该平台是个通用版,可自由开发,适合做各类电源产品、电机驱动实验等.
图1中实践平台系统的控制器采用了DSP与CPLD/FPGA相结合的方式来实现.DSP控制器的主要功能是为了实现整个系统的控制算法和软件保护的工作,而CPLD则是完成对系统硬件保护的工作.整个控制系统中的硬件电路还包括采样调理电路、保护电路和IGBT器件的驱动电路等.交流信号采样调理电路的原理图如图2所示.由于负的电压信号不能作为DSP控制器的输入信号,因此有必要对交流信号的零位进行电平抬升,使其最小值也能保持在0V之上.如果采集的信號是直流信号,则不需要这么复杂,只需要将电平控制在0～3.3V即可.控制系统在实际运行中,难免会出现一些故障.为了防止系统被破坏,需要加保护电路.保护电路的工作原理就是将实时检测的信号与设定的信号阀值相比较,当输入信号超过阀值时,输出电平翻转,输入给可编程逻辑器件CPLDM4A5-128,通过CPLD内部逻辑电路,产生一个高电平信号,送到74F245的使能端和DSP,两者同时封锁PWM波输出,断开控制电路和主功率电路,做到软硬件双重保护.交流信号过流保护电路原理图如图3所示.由于CPLD 不接受交流信号,需要将输入的交流信号变成直流信号,这就需要绝对值电路.图中标注的绝对值电路是通过附加了2个二极管将交流信号变成直流信号的.如果输入的是直流信号,去掉这2个二极管即可.图4为故障显示电路,可以查看系统发生了什么故障,不同的LED灯对应不同的故障信号.
图1中的DSP控制板和调理保护电路PCB板是按照虚线框中的电路原理图制作而成,其中,采样调理接口留有余量,根据设计情况选择使用.为了让程序调试方便、直观,实现控制指令的传递和反馈,需实现上位机和硬件电路的通讯,它利用了DSP片内集成的串口通讯模块SCI,采用了标准串行通信RS232.整个实验平台的接口如图5所示, 包含了系统电源接口、系统信号接口和SCI通信接口.其中,系统电源接口包含了单相＼三相电源接口、辅助电源接口;系统信号接口包含了驱动信号输入、输出接口和信号检测输入、输出接口.
四、结束语
本文探讨了DSP和电力电子技术两门课程融合教学,建立了项目化的教学科研实验平台.它不仅丰富了教学方法和教学内容,而且学生通过实验平台可以加深对所学专业知识的理解,实现专业理论知识和实践相结合.该教学实验改革方案可以拓宽学生的专业视野,提高学生对两门课程的认知和兴趣,以及训练学生的综合能力.
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基金项目：国家自然科学基金项目“基于碳化硅功率器件的三相高功率因数AC-DC谐振变换器研究”（编号：51707085）;江苏省现代教育技术研究“基于‘互联网+’和‘VR+’的《电力系统分析》课题建设”（编号：2019-R-69276）;江苏省高校实验室研究会“基于国家级实验教学示范中心科学构建电气类创新人才培养平台的研究”（编号：GS2019YB37）
作者简介：李春杰（1985-）,女,汉族,山东聊城人,博士,讲师,研究方向：电力电子变换技术.
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电力电子技术和课程引用文献:
[1] 电力电子技术和课程毕业论文的格式范文 电力电子技术和课程有关自考毕业论文范文3000字
[2] 电力电子技术论文题目集 电力电子技术毕业论文题目如何定
[3] 电力电子技术应用类论文题目 电力电子技术应用论文题目如何定
