霍 凱，楊江天，劉玉琳

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

多課程共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索

霍 凱，楊江天，劉玉琳

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

針對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源缺乏、實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率較低這一問題，分析了系列課程對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，提出了改造既有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、開發(fā)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、搭建共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的解決方案。結(jié)合課程具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、確定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改造方案、編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書并應(yīng)用于教學(xué)。該共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可支撐多門課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)多課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享的目的，為實(shí)驗(yàn)資源共享提出一條新的思路。

多課程；共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

目前，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多支持單門課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，個(gè)別實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以完成幾門課程的相近實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。除了一些基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率較高外，其他類型實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率不高是當(dāng)前許多高校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀［1－6］。在資源有限的情況下，提高實(shí)驗(yàn)室房屋及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率、通過對(duì)原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備升級(jí)改造、為系列課程提供實(shí)驗(yàn)支撐、實(shí)現(xiàn)多課程共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種有效解決方法。一方面可以緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺的現(xiàn)狀，更主要的是解決了在空間極度緊張的情況下還需增加設(shè)備的難題。

1 課程實(shí)驗(yàn)需求

機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心軌道車輛實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有動(dòng)車牽引、制動(dòng)、室內(nèi)環(huán)境、受電弓、門控單元及集便系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)原理演示。其中，動(dòng)車組傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)還能模擬動(dòng)車組傳動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)控制，示意主要監(jiān)測(cè)參數(shù)如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等的測(cè)量方法和測(cè)點(diǎn)位置，主要開設(shè)包括晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性測(cè)定、雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)SPWM與電壓空間矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)、基于DSP的矢量變換控制與直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)“機(jī)電信號(hào)分析”及“機(jī)械故障診斷”課程多年，因沒有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該門課程實(shí)驗(yàn)主要通過軟件仿真實(shí)現(xiàn)，任課教師一直呼吁購置實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為離散信號(hào)生成與離散卷積計(jì)算、快速傅里葉變換及FIR濾波器設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

針對(duì)其他專業(yè)有需求，軌道車輛實(shí)驗(yàn)室有設(shè)備的情況，提出研發(fā)改造動(dòng)車組傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，增加齒輪箱、傳感器等，采用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，開發(fā)扭振測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等，支持測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)科建設(shè)，同時(shí)也可將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用于“軌道車輛檢測(cè)技術(shù)”和“軌道車輛檢測(cè)綜合實(shí)踐”等課程，擴(kuò)大受益學(xué)生面。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可在實(shí)驗(yàn)室更加真實(shí)地演示動(dòng)車組傳動(dòng)工況，同時(shí)為開發(fā)扭振測(cè)試實(shí)驗(yàn)提供檢測(cè)平臺(tái)，為動(dòng)車組工況監(jiān)測(cè)與故障診斷等奠定基礎(chǔ)，也可應(yīng)用于動(dòng)車組培訓(xùn)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在分析“機(jī)電信號(hào)分析”、“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”及“機(jī)械故障診斷”等課程內(nèi)容和教學(xué)大綱基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)速及相位檢測(cè)、電樞電流采集和扭振測(cè)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出改造方案。

2．1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在軌道車輛實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有的動(dòng)車組傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，增加了二級(jí)齒輪箱、電流互感器、加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)新增部分如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)中三相異步電機(jī)在變頻器的驅(qū)動(dòng)下調(diào)整轉(zhuǎn)速，經(jīng)二級(jí)齒輪箱傳動(dòng)輸出，輸出軸連接直流發(fā)電機(jī)，發(fā)出的電能由電阻箱轉(zhuǎn)換成熱能。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上互感器測(cè)量異步電機(jī)電樞電流；加速度傳感器測(cè)量齒輪箱振動(dòng)；在電機(jī)軸和齒輪箱輸出軸上分別安裝碼盤測(cè)量轉(zhuǎn)速及相位。輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過串行通信接口連接變頻器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于增加了二級(jí)齒輪傳動(dòng)，動(dòng)態(tài)載荷增加，傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)將大大增強(qiáng)，提高了扭振測(cè)試的可行性。

圖1 共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)新增部分示意圖

2．2 測(cè)齒法測(cè)量扭振

扭振測(cè)量一般采用“測(cè)齒法”［79］，借助安裝在軸上的碼盤、齒輪或其他等分機(jī)構(gòu)，通過測(cè)量角速度的不均勻性實(shí)現(xiàn)扭振測(cè)量。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，裝在軸上的齒形機(jī)構(gòu)在傳感器上感應(yīng)出鐘形脈沖信號(hào)序列，其幅值和相位都攜帶軸的扭振信息，通過檢波、鑒相器解調(diào)，去除平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，剩下的就是扭振信息。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量扭振信號(hào)，為扭振測(cè)試提供基礎(chǔ)信息。

2．3 電樞電流測(cè)量扭振

傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也會(huì)引起電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，改變定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙。由于異步電機(jī)的氣隙原本就很小，氣隙的微小變化也會(huì)使定子電流特征發(fā)生變化。國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始研究將電機(jī)電樞作為傳感器，通過分析其電流變化測(cè)量傳動(dòng)系統(tǒng)扭振［10－12］。該方法由于不需要增加新的傳感器，因而更適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。在改造中也關(guān)注到這種前沿技術(shù)和測(cè)試方法，增加了電樞電流傳感器，為電流法檢測(cè)扭振提供基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

讓學(xué)生了解、掌握和參與一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、調(diào)試到研制等過程是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的，為此在該共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開發(fā)了驗(yàn)證類、綜合類和研究類等逐等級(jí)提高的系列實(shí)驗(yàn)，并編寫了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

3．1 原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)。需了解傳動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，熟悉晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)組成及基本結(jié)構(gòu)，掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)及反饋環(huán)節(jié)測(cè)定方法，掌握直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性測(cè)試方法。

（2）雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。要求了解雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理及組成，通過測(cè)定系統(tǒng)靜特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)一步理解交流調(diào)壓系統(tǒng)中電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的作用。

（3）異步電動(dòng)機(jī)SPWM與電壓空間矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。能夠掌握異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)組成及工作原理，理解通過單片機(jī)生成SPWM波形的工作原理與特點(diǎn)，熟悉空間矢量控制工作原理，掌握異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試方法。

（4）基于DSP的矢量變換控制與直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。了解以TMS320F2X為核心構(gòu)成的全數(shù)字控制感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件與軟件組成，掌握感應(yīng)電機(jī)開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用，掌握采用磁場(chǎng)定向控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理及調(diào)速實(shí)驗(yàn)方法。

3．2 新增實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）轉(zhuǎn)速及相位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)速和相位是扭振測(cè)試中兩個(gè)基本參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)及相位的檢測(cè)也是“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”及“傳感器原理及應(yīng)用”課程中基本實(shí)驗(yàn)要求，可以采用測(cè)周法或測(cè)頻法實(shí)現(xiàn)，需要學(xué)生理解測(cè)量原理，掌握連接測(cè)試系統(tǒng)電路及編寫檢測(cè)程序。

（2）溫度和加速度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。溫度和加速度在列車軸溫報(bào)警中是主要監(jiān)測(cè)參數(shù)，在機(jī)械故障診斷中也是特征信息的基本來源，學(xué)生需要了解傳感器工作原理，掌握標(biāo)定方法，編寫溫度及加速度信號(hào)采集處理程序。

（3）電樞電流采集實(shí)驗(yàn)。電樞電流反映電機(jī)工作狀態(tài)，是電機(jī)故障檢測(cè)的主要參數(shù)，通過電流互感器及信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成測(cè)量系統(tǒng)能夠接受的信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，學(xué)生需要了解檢測(cè)原理及編寫檢測(cè)程序。

（4）變頻器原理及使用實(shí)驗(yàn)。變頻器作為電機(jī)調(diào)速控制的一種常用設(shè)備，應(yīng)用廣泛，學(xué)生需了解變頻器工作原理，掌握參數(shù)設(shè)置、接口方式、連接電路和控制方法，編寫通信控制程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

（5）扭振測(cè)試實(shí)驗(yàn)。扭振測(cè)試實(shí)驗(yàn)是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，在測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速、相位、溫度、加速度及電樞電流等參數(shù)后，根據(jù)扭振測(cè)試原理編寫數(shù)據(jù)處理程序，即可得到電機(jī)扭振參數(shù)。

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在保留原軌道車輛專業(yè)所需實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過升級(jí)改造，新增了轉(zhuǎn)速及相位檢測(cè)、溫度和加速度檢測(cè)、電樞電流采集、變頻器原理及使用和扭振測(cè)試等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既為“軌道車輛檢測(cè)技術(shù)”等課程提供實(shí)驗(yàn)支持，又為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”、“機(jī)電信號(hào)分析”等課程提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)多課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享的目的。意義在于是跨專業(yè)資源整合的探索，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)多課程共用思想的嘗試，是多年實(shí)際需求有效解決的方法，是實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配充實(shí)教學(xué)服務(wù)功能的新思路。

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Exploration of multi curriculum sharing experimental platform

Huo Kai，Yang Jiangtian，Liu Yulin
（School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Aiming at the problems of lacking teaching experimental resources and low utilization ratio of experimental facilities，this paper analyses the demands of a series of courses for teaching experiment and proposes a solution of transforming present experimental facilities，developing new experimental projects and setting up a sharing experimental platform．Combined with the course experimental contents and demand，defined the experimental project，confirmed the experimental platform transformation scheme，written experimental instruction and apply it to teaching．This sharing experimental platform supports multiple courses，realizes the object of cross－disciplinary multi－curriculum experimental facilities sharing，and puts forward a new idea for experimental resource sharing．

multi－curriculum；sharing experimental platform；experimental project

G482；G642．423

B

1002－4956（2015）3－0037－03

2014－08－08 修改日期：2014－09－28

北京交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究課題（13060401）

霍凱（1970—），男，黑龍江，碩士，高級(jí)工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)及測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作．

E－mail：khuo＠bjtu．edu．cn