第一篇：運動控制系統實習報告.

課程實驗報告 課 程 名 稱

所 在 學 院 控制工程學院 專 業

指 導 教 師 劉 鵬 實 驗 小 組 第 六 組 小 組 成 員

總 評 成 績 二零一三年四月

(空載 Z=0）? n % ? 2*(?Cmax ?n T 308 ? 0.18 0.02666(? ? z *N ? n ? 2 ? 81.2% ?1.1? ? Cb n Tm 0.196 ?1000 0.12 ? 11.23% ? 10% 轉速超調量的校驗結果表明，上述設計不符合要求。因此需重新設計。查表，應取小一些的 h，選 h=3 進行設計。按 h=3，速度調節器參數確定如下： ? n ? hT? n ? 0.07998s 2 2 ?2 K N ?(h ? 1 / 2h 2T? n ? 4 /(2 ? 9 ? 0.02666 ? 312.656 s K n ?(h ? 1 ? CeTm / 2h? RT? n ? 4 ? 0.0236 ? 0.196 ? 0.12 /(2 ? 3 ? 0.01? 0.18 ? 0.02666 ? 7.6 校驗等效條件： 可見，?cn ? KN / ?1 ?KN ? n ? 312.656 ? 0.07998 ? 25s?1 a1/ 3(K I / T?滿足近似等效條件。轉速超調量的校 i 驗： 1/2 ? 1/ 3(85.76 / 0.005831/2 ? 40.43s ?1 ? ?cn b1/ 3(K I / Ton 1/2 ? 1/ 3(85.76 / 0.0151/2 ? 25.2 s ?1 ? ?cn 轉速超調量的校驗結 ? n ? 2 ? 72.2% ?1.1?(308 ? 0.18 / 0.196 ?1000 ?(0.02666 / 0.12 ? 9.97% ? 10%，果表明，上述設計符合要求。速度調節器的實現：選 R0 ? 40K ,則 Rn ? Kn ? R0 ? 7.6 ? 40 ? 304K , 取 310K。Cn ? ? n / Rn ? 0.07998 / 310 ?103 ? 0.258 ? F Con ? 4Ton / R0 ? 4 ? 0.015 / 40 ? 103 ? 1.5 ?（F 2）、仿真模型及圖形如下：（3）、仿真結果如下（分別對應電流環中 KT 所取值）：

（4）、分析與結果： 由轉速環的仿真曲線，如上訴第一個圖所示，它是一個線性漸增的擾動量，所以系統做不到無 靜差，而是 Id 略低于 Idm，其原因是電流調節系統受到電動機反電動勢的擾動。在轉速環的系統 仿真中，可以觀察到系統在啟動過程中主要分為三個階段，電流上升階段、恒流升速階段和轉速 調節階段，通俗點講就是不飽和，飽和，退飽和三個階段。通過觀察仿真曲線，我們不難得到，雙閉環直流調速系統的啟動過程的主要有三個特點，他們分別是飽和非線性控制，轉速超調，準 時間最優控制。

第二篇：數控機床控制系統實習報告

實習專題報告題目：數控機床的控制系統 學校：南京航空航天大學姓名：林竑程學號：

在對南京第一機床廠為期一天的參觀過程中，我們了解到了現代數控機床的高精度,高效率，柔性化，復合化，智能化，綠色環保的發展方向，以及對零件加工方案的策劃方案。最后對機床的加工工藝路線進行了初步的認識，在此過程中我感受到了中國國內的數控機床制造以及加工精度與國際的標準還是有巨大的差距。

對于我國數控機床加工能力方面，我認為可能是由以下的幾個影響因素造成的： 1，機床床身，導軌，執行元件的加工精度有待提高。

2，機床裝配精度以及對機床運行過程中振動的問題。

3，加工功能復雜化問題。

4，數控機床控制系統的精度以及監控能力的問題。

提出問題 數控機床的控制系統是以什么方式，如何執行的？

必要性：

只有對控制系統進行較為深入的了解我們才能知道在數控機床的加工過程中，是如何通過數字化和自動化的設備對加工方法，加工精度進行一定的把握和掌控，并且了解我們所欠缺的部分在哪里。

研究的目的：

了解數控機床的控制系統的組成，控制原理，特別是控制程序的工作過程。

研究與分析：

數控機床的控制系統就是以位置量，角度，速度這些機械量，以及溫度，壓力，流量這些物理量為控制對象的，起控制的方式可分為邏輯與數據的運算處理控制和時序邏輯控制兩大類。數控系統實現了機床自動加工的核心。

控制系統的組成分為輸人裝置、監視器、主控制系統、可編程控制器、各類輸人／輸出接口等（輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動裝置、機床電氣邏輯控制裝置、位置檢測裝置）。

數控機床的控制系統有三大控制系統組成：數控機床的強電控制系統，伺服系統，以及被稱為數控機床內置式plc的pmc。

！數控機床的強電控制系統

強電控制系統的功能有：將數控系統發出的弱電信號進行放大，從而去控制強電設備的運轉；處理數控系統所受到的外界干擾信號（由于強電系統將弱電信號放大后就可以對外界微弱干擾進行區別，數控機床的控制柜一定要良好接地使其能夠良好屏蔽外部的電磁干擾信號）和數控機床本身的強電元件運行時所產生的干擾（對于強電系統內部接觸器吸合等產生的干擾信號，使用浪涌抑制元件可以消除其影響；對于數控系統通信使用的控制信號電纜使用單端或兩端接地的方式可以有效消除電磁波的干擾）。

！數控機床的伺服系統

數控伺服系統是指以機床運動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統。對象例如工作臺，導軌，刀具等執行元件。

閉環伺服系統主要由以下CNC裝置，伺服驅動，執行元件，傳動裝置，位置反饋電路，速度反饋電路。

CNC裝置的作用是接收輸入的加工程序指令信息，進行插補運算和位置控制。

伺服驅動的作用是接收CNC指令信息，進行信號轉換和功率放大，驅動伺服電動機運轉。執行元件可以是步進電動機、直流或交流伺服電動機等。

傳動裝置包括減速箱和滾珠絲杠等傳動鏈。

位置反饋電路的作用是檢測實際位移量，信號由反饋電路送入位置控制單元，由CNC裝置進行位置環控制。

速度反饋電路的作用是檢測速度的實際值，信號由反饋電路送入速度調節單元，進行速度環控制。

伺服系統按照原理分類可分為開環伺服系統和閉環伺服系統。

開環伺服顧名思義就是沒有反饋信息的系統，也是最為簡單的進給伺服系統，其系統流量可簡單的理解為指令脈沖輸入驅動控制路線，進而控制步進電動機，斷過齒輪箱的變速之后對工作臺或者一些執行元件的位置進行控制。

閉環伺服系統則是在為電動機和工作臺與執行元件處分別安裝了速度檢測盒位置檢測，通過對速度和位置的檢測進而反饋給驅動控制路線，形成閉環控制。

閉環伺服系統有較好的穩定性和可靠性，能及時修正一些位置偏差，而閉環控制系統的反饋分為以下四類

1)脈沖、數字比較伺服伺服系統將數控裝置發出的數字(或脈沖)指令信號與檢測裝置測得的以數字(或脈沖)形式表示的反饋信號進行比較，獲得位置偏差。

2)相位比較伺服系統伺服系統將指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后比較兩者相位，獲得位置的偏差，實現閉環控制。

3)幅值比較伺服系統伺服系統以位置檢測信號幅值的大小來反映機械位移的數值，并以此信號作為位置反饋信號，一般還要將幅值信號轉換成數字信號后才能與指令數字信號比較，從而獲得位置偏差信號，構成閉環控制系統。

4)全數字伺服系統伺服系統控制技術已從模擬方式、混合方式走向全數字方式。！！PMC

所謂的PMC也就是PLC。

PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的進行數學運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體和易于擴展其功能的原則而設計。

PLC是一種能直接應用于工業環境的數字電子裝置，是以微處理器為基礎，結合計算機技術、自動控制技術和通信技術，用面向控制過程、面向用戶的“自然語言”編程的一種簡單易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工業控制裝置。

PLC的特點

1）編程方法簡單易學；

2）功能強，性價比高；

3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；

4）可靠性高，抗干擾能力強；

5）系統的設計、安裝、調試工作量少；

6）維修方便；

7）體積小、能耗低。

PLC的控制領域廣泛包括

開關邏輯和順序控制

這是PLC應用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關邏輯運算和進行順序邏輯控制，從而可以實現各種簡單或十分復雜的控制要求

模擬量的閉環控制

在工業生產過程中，許多連續變化的需要進行控制的物理量，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。為了實現工業領域對模擬量控制的廣泛要求，目前大部分PLC產品都具備處理這類模擬量的功能（A/D、D/A轉換）。另外，某些PLC產品還提供了典型控制策略模塊，如PID模塊，從而可實現對系統的PID等反饋或其他模擬量的控制運算。數字量的智能控制

利用PLC能接受和輸出高速脈沖的功能，配備相應的傳感器（如旋轉變壓器等）或脈沖伺服裝置（如環形分配器、功率放大器、步進電機等）實現數字量的智能控制。

智能控制模塊：位控單元模塊、運動單元模塊、可實現曲線插補等功能。

數據采集與監控

PLC實現現場控制，采集、記錄、顯示現場數控，以供進一步分析研究；

利用PLC自檢信號多的特點，實現自診斷式監控，減少系統的故障，提高累計平均無故障運行時間，同時可減低故障修復時間，提高系統的可靠性。

通信、聯網、集散控制

PLC與PLC間的通信聯網；

PLC與計算機的通信聯網，由計算機實現其編程與管理；

PLC與智能儀表、智能執行裝置的通信聯網，實現數控交互與控制；

利用PLC的強大的聯網功能，把PLC分布到控制現場，并實現各部分間的通信，達

到分散控制、集中管理，構成PCS系統。

PLC的基本組成（PLC是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相同。）主要包括：中央處理單元、存儲器、輸入/輸出單元、電源、通信接口以

及擴展單元等。

各部分的功能為

1中央處理單元

接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；

診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程的語法錯誤；

用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來； PLC進入運行狀態后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執行，完成用戶程序中規定的各種操作；將用戶程序的執行結果送至輸出端。

2存儲器（系統程序存儲器，用戶程序存儲器，工作數據存儲器）

I/O 單元

輸入單元接受操作指令和現場的狀態信息，如控制按鈕、操作開關和限位開關、光電管、繼電器觸點、行程開關、接近開關等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉換等將這些信號轉換成CPU能夠接受和處理的信號。

輸出單元將CPU送出的弱電信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執行元件。

3電源單元

PLC由開關式穩壓電源為內部電路供電，有的PLC能向外部提供24V的直流電源

4特殊I/O單元—智能單元

智能單元本身是一個獨立的計算機系統，它有自己的CPU、系統程序、存儲器，及與外界過程相連的接口。

5編程器

編程器的作用是供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上。磁帶上的信息可以重新裝入PLC。

PLC工作流程

（1）公共處理：復位監視定時器、進行硬件檢查、用戶內存檢查等。

（2）程序執行：CPU按照先左后右、先上后下的順序對每條指令進行解釋、執行。

（3）掃描周期計算處理：掃描周期可設定為固定值，否則，則根據用戶程序長短計算。

（4）I/O刷新：讀入輸入點狀態，寫入輸入狀態寄存器中；將輸出狀態寄存器的狀態傳送至輸出鎖存器，經輸出電路隔離和功率放大，驅動外部負載。

（5）通訊：外設端口服務。PLC循環掃描工作流程

PLC的工作方式

PLC采用“順序掃描、不斷循環”的工作方式，這個過程可分為輸入采樣，程序執行、輸出刷新三個階段，整個過程掃描并執行一次所需的時間稱為掃描周期。

！！數控機床的檢測系統

數控機床的檢測系統也就是應用于前文所提到的閉環伺服系統中的速度檢測與位置檢測。

數控機床在線檢測系統分為兩種，一種為直接調用基本宏程序，而不用計算機輔助；另一種則要自己開發宏程序庫，借助于計算機輔助編程系統，隨時生成檢測程序，然后傳輸到數控系統中。

數控機床在線檢測的工作原理

實現數控機床的在線檢測時，首先要在計算機輔助編程系統上自動生成檢測主程序，將檢測主程序由通信接口傳輸給數控機床，通過G31跳步指令，使測頭按程序規定路徑運動，當測球接觸工件時發出觸發信號，通過測頭與數控系統的專用接口將觸發信號傳到轉換器，并將觸發信號轉換后傳給機床的控制系統，該點的坐標被記錄下來。信號被接收后，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作。上位機通過監測CNC系統返回的測量值，可對系統測量結果進行計算補償及可視化等各項數據處理工作。

測量典型幾何形狀時檢測路徑的步驟為：

1確定零件的待測形狀特征幾何要素；

2確定零件的待測精度特征；

3根據測量的形狀特征幾何要素和精度特征，確定檢測點數及分布；

4根據測點數及分布形式建立數學計算公式；

5確定檢測零件的工件坐標系；

6根據檢測條件確定檢測路徑。

結論：

在上述的研究中我們可以對數控系統對數控機床加工能力，方式，以及精度上面的作用以及影響。

在精度方面，除了我們所說的機床本身以及一些執行元件，導軌的精度的影響外，數控系統的控制能力，檢測系統的準確性以及伺服系統就起到了決定性作用。

而在數控機床加工復雜性的方面，對PLC的開發應用就是最好的解決辦法，而據了解我國的PLC自主研發的能力和完備性，以及在其調試過程中所產生的問題仍然是未被完全解決，主要還是應用國外的西門子，三菱，松下的可編程控制器。

要解決這些問題，我們還是要在引進與使用國外先進設備的過程中對這些設備的設計思想，以及一些先進的理念進行學習，通過仿照開發的方式，從各個方面來進行研發，這個過程實屬不易，需要一代代人不斷的積累。記得我們的院長在一次講座中說過，一項技術的開發，并不是今天有一個概念明天就可以進行實施的，往往是經過了一代代研究的積累，十年二十年后才有成果的。所以我們就得從細節開始，作者要好好學習PLC。

王侃夫，數控機床控制技術與系統，王侃夫,機械工業出版社2007

徐世許，可編程序控制器原理、應用、網絡，中國科技大學出版社，2006

張曉坤，可編程控制器原理與應用，西北工業大學出版社 2008

第三篇：伺服運動控制系統課程總結

問題6

6.1、對課程的教學方法、教學效果有何客觀評價？

伺服運動控制系統采用的是每節課一個專題的方式進行教學，在總體上是我們對電機以及伺服運動控制系統有一個整體的了解，由于本科學習過程中沒有接觸過電機以及相關的課程，這門課使我對電機有了相關的了解，課堂上的入門學習以及課后查閱相關資料的補充學習，讓我覺得上了這門課之后受益匪淺。我的建議是每一章學習后，都要給學生們進行知識點總結，一則讓其掌握本章學習的知識框架，二是幫助我們回顧一些細節性的東西。

6.2、結合自身研究的課題，談談對《伺服運動控制系統》課程教學內容、授課方式的建議。

本人研究的課題是全自動麻將機的設計，其中涉及到圖像處理的各種算法以及多電機的協調控制，目前正處于電機的選型階段，這門課的對于各種電機的介紹讓我了解了不同類型電機的優缺點以及應用場合，為課題中電機的選型提供了理論上的幫助。

6.3、請針對某一章節具體內容談一下學習感受

通過對步進電機伺服系統這一章的學習，我將伺服電機與步進電機的優缺點進行總結。

步進電機作為一種開環控制的系統，和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以三洋全數字式交流伺服電機為例，對于帶標準2000線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電

機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。

二、低頻特性不同

步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。

三、矩頻特性不同

步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的二到三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。

四、運行性能不同

步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

六、速度響應性能不同

步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場

合。

綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。

第四篇：沈陽理工大學 運動控制系統綜合設計教學大綱

《運動控制系統綜合設計》教學大綱

課程代碼：030151010

課程總學時：2周/4學分

一、大綱使用說明

本大綱根據自動化專業2010版教學計劃制訂

（一）適用專業

自動化

（二）課程性質

必修課

（三））主要先修課程和后續課程

1.先修課程

要求掌握“運動控制基礎”方面的基礎知識和基本理論，并在此基礎上運用相關知識完成運動控制系統的設計。

2.后續課程

現場總線控制系統、過程監控技術

二、課程設計目的及基本要求

運動控制系統綜合設計是自動化專業的專業基礎課課程設計，是一次綜合性理論與實踐相結合的訓練，也是一次基本技能訓練。另外為后續課程《現場總線控制系統》和《過程監控技術》的學習奠定必要的實踐基礎。

通過本門課程學習,要求學生學會運動控制系統的基本設計方法和調試方法，通過設計達到如下目的：

1.理論聯系實際,掌握根據實際工藝要求，設計自動控制系統的基本方法。

2.通過實驗,掌握各部件和整個系統的調試步驟與方法,以及操作實際系統的方法,加強基本技能的訓練。

3.掌握參數變化對系統性能影響的規律，培養靈活運用所學的理論解決控制系統中的各種實際問題的能力。

4.培養分析問題、解決問題的能力，學會實驗數據的分析與處理。

基本要求：

1.根據設計任務，查閱有關資料，進行獨立設計； 2.設計線路圖，并繪制原理圖； 3.寫出設計總結報告。

三、課程設計內容及安排

運動控制系統綜合設計不僅是對《電力拖動直流自動控制系統》和《變頻器控制技術》課程教學內容的進一步的擴展,更是對學生開展控制系統設計的綜合訓練。課程設計分組進行,每個小組3—4人，這樣也能培養學生的團隊合作精神。整個課程設計分為以下幾個階段進行:選題,查閱資料，系統設計,系統調試,撰寫設計報告。1．選題：題目可來自教師指定的參考題目,也可自由選題,特別是鼓勵有創新性的題目或是在已知題目的基礎上進行創新。2．查閱資料：根據設計題目查閱相關資料。

3.系統設計:系統設計的任務包括各部分電路的設計、元器件的選擇、電路圖的繪制和軟件程序的編寫。

3．系統調試:小組成員根據系統設計電路,在實驗設備上開展研究。

4．撰寫設計報告:完成文檔整理,按照課程設計報告要求完成設計報告的撰寫。

具體安排如下：

1． 教師布置題目 2． 學生查找資料 3． 完成設計工作 4． 繪制圖紙 5． 系統調試 6． 撰寫設計報告 7． 答辯

四、指導方式

由指導教師召開課程設計動員會，進行分組，指定課程設計的題目和內容，講解部分題目要求。學生在規定的時間內，經過小組的協同工作和指導教師的輔導，完成設計題目并開展實驗研究。最后由指導教師進行驗收及評定。

五、課程設計考核方法及成績評定

1．考核方式：考查

2．評分辦法：成績評定實行優秀、良好、中等、及格和不及格五個等級的成績。

根據下面4項進行成績考核，各項所占總成績的比例為：

1）根據設計過程中的表現20% 2）設計完成的質量、提交的設計報告30% 3）實驗調試成績30% 4）答辯成績20%

六、課程設計教材及主要參考資料

《電力拖動自動控制系統》，陳伯時編，機械工業出版社，出版時間：2005年

《圖解變頻器應用》，李燕編，中國電力出版社，出版時間：2009年

《變頻器應用技術及實例解析》，魏連榮編，化學工業出版社，出版時間：2008年

編寫人： 付麗君

野瑩瑩

吳東升 審核人： 紀振平批準人： 張煥君

第五篇：DSP原理與運動控制系統課程教學研究(精)

DSP原理與運動控制系統課程教學研究

茅靖峰，吳愛華，吳

曉

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226007)摘要：“DSP原理與運動控制系統”課程具有知識面寬、綜合性和實踐性強的特點，是一門較為難教難學的課程。為了切實培養學生的DSP技術應用能力，取得良好的教學效果，本文從課程的教學目的，教學內容、教學方法和課程考核方式等方面進行了一些有益的教學研究和探討，對電氣控制類DSP技術的教學有一定的參考意義。

關鍵詞：DSP原理；運動控制；教學研究；任務驅動法

中圖分類號: G642.3；TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008－0686（2007）01－0008－03 Teaching Research of “DSP Principle and Motion Control Systems”

MAO Jing-feng , WU Ai-hua , WU Xiao(Institute of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226007, China)

Abstract：“DSP Principles and Motion Control Systems” is a course with characteristics of wide knowledge, extremely strong integration and practicality.The course is generally difficult for teaching and learning.In order to train student to good DSP technology practical application ability, and to achieve satisfying teaching effect, this paper introduces some helpful course teaching research experiences in teaching goals, teaching contents, teaching methods and examination method.These experiences may have some reference value for DSP technology education of electrical engineering major.Keywords：DSP principles;motion control;teaching research;task-driving method

DSP課程的專業知識背景深、綜合性和實踐性強，如何在有限的學時內，高質量地完成教學任務是一個值得研究的問題。筆者根據本校電氣控制類專業的實際培養需要，開設了“DSP原理與運動控制系統”課程，經過幾輪的教學，總結了一些經驗。以下介紹對這門新課程的實踐和探索情況。

一、課程特點分析

已經出版發行的多數DSP教材較適用在通信與信號處理領域的應用，而適合于電氣控制類專業的DSP運動控制類教材和教學資源相對較少，我院開設的“DSP原理與運動控制系統”課程具有如下特點：?

（1）知識面寬：DSP在體系結構、硬件接口設計和軟件編程思想等方面較之前續微處理器（MPU）課程，有著一定的繼承性和相似性；運動控制是電氣控制類專業的主干必修課程。由這兩部分組成的“DSP原理與運動控制系統”課程，涉及知識面較為廣泛，學習起點較高。在課程的教學上，不僅需要學生必備一定的基礎知識，例如：微機原理、單片機技術、運動控制、特種電機、自動控制原理、計算機控制技術，電子技術、C語言編程等。而且在課堂上也需要教師經常對這些內容進行簡要的穿插回顧。因此，需要在整定課程教學內容和應用先進教學手段上下功夫。（2）綜合性強：基于DSP的應用控制系統是集器件原理、專業知識、算法軟件與硬件設計為一身的緊密結合體。“DSP原理與運動控制系統”課程的兩大組成部分應該是有機地聯系在一起的。這些DSP在運動控制中的典型應用不僅培養了學生對DSP控制器的整體理解能力，還進一步幫助學生加深了對電子技術、計算機控制技術、自動控制、調速系統、檢測技術等諸多專業領域知識的再認識，增強學生的“系統”感念，有效培養了學生的系統綜合能力和創新能力。

（3）實踐性強：本課程的目標是培養電氣控制類學生的DSP器件應用能力，使學生具有獨立分析、設計和調試DSP系統的工程應用能力。但是，在目前專業課普遍缺少課時的情況下，本門課程的實驗環節課時規劃和實驗內容選材也是課程教學研究的關鍵。

二、課程教學的研究與探討

針對電氣控制類DSP課程的以上幾方面特點，我們在進行“DSP原理與運動控制系統”課程的教學中明確：以培養DSP技術的實際應用能力為中心，把學習器件的理論知識與控制背景的實際應用緊密結合起來的教學思路。

1、合理選擇教學內容和授課方式

我們考慮到市場占有率和器件生命周期，選擇了TI公司C2000系列的TMS320LF240x DSP作為教學的目標芯片。

開設的這門課程由TMS320LF240x控制器原理與基于DSP的交、直流電機和開關磁阻電機控制系統設計兩大部分組成，前者是基礎，后者是實例。

在具體的DSP原理教學內容上，我們突出總體結構、事件管理器、中斷管理系統和指令系統的講解。這一部分宜采用“比較法”進行教學，即將LF240x的相關內容與學生們熟悉的MCS-51內容相穿插，進行比較對照，以幫助學生更好地理解和接受新知識。例如，在講授LF240x存儲器結構時，我們可首先回顧MCS-51的存儲器結構，即程序與數據總線合一的馮諾曼結構，它在尋址過程中，總線使用ALE信號實現分時復用，顯然工作效率不高；然后我們引出DSP處理速度快的一個原因就是，芯片廣泛采用了程序與數據空間分立的哈佛結構，指出這種結構不僅較MCS-51增大了存儲器空間，使DSP芯片具有了獨立的16位程序、數據與I/O空間，而且配合多總線技術和并行工作機制，大大提高了數據的處理速度。此處還可以為DSP匯編指令所具有的多步操作能力埋下伏筆。接下來我們再進一步說明，由于LF240x存儲器結構的改進（多空間的分立），導致了DSP存儲器接口的復雜度增高，使芯片具有與MCS-51不同的數據線、地址線及片選信號線（DS、PS、IS、BR、STRB等），因此要在DSP存儲器擴展時多加注意。顯然，采用“比較法”教學方式可將復雜的內容逐步分解，陌生的概念被已知的內容類比（替代），如此循序漸進、逐步深入，提高了學生的學習興趣，易于新知識點的理解和掌握。

在具體的運動控制系統實例教學內容上，我們突出兩個方面：一是硬件接口，二是軟件框架。前者需要結合DSP原理部分講解在具體的電機控制應用案例中各引腳資源的合理使用方法；后者應就具體案例講解DSP應用控制程序的整體結構、各功能寄存器的配置順序、算法編寫技巧等。這一部分宜采用“任務驅動法”進行教學，即將一個典型DSP應用案例，按所學的DSP知識要點細化分解為多個控制任務，通過教師逐步引導，激勵學生主動思考并找出解決方案，以提高學生學習和應用DSP知識的能力。以開關磁阻電機調速系統為例，當電機原理講述完畢后，我們可以依次向同學提出如下問題：對于電機的位置閉環問題，我們需要使用那些DSP片內外設？若使用捕獲引腳進行轉速測量，應采用什么捕獲觸發方式？與捕獲相匹配的定時器采用什么計數模式？分頻系數如何設定？轉子定位的計算式如何推導？對于轉矩閉環，DSP需采集什么反饋量？電流反饋信號如何調理？ADC模塊如何合理配置？

在實驗內容的安排上，重點突出基本應用技能的掌握。我們采用內容由簡單到復雜的實驗方式，如從必選的仿真器使用、數據運算及傳送、定時器及I/O使用等，到選做的頻率計、可控正弦波發生器、數字PID算法等。讓學生真正學會一些基本的DSP開發調試方法，為將來的畢業設計和工作打下基礎。

此外，在課堂理論教學上，非常有必要花一定的精力對課程第一章的概述部分進行較生動充實的講解。向同學們講明諸如：DSP的定義、特征、歷程、分類及主流芯片等問題。并應用實例法，給出DSP三種典型應用：圖像處理、語音處理和電機控制的整體系統功能圖、實物照片以及樣品PCB板，力爭勾勒出一幅DSP器件應用、發展和前景的全貌，以使在本課程的起始階段就能激發學生的學習熱情、快速地進入角色。

2、應用多媒體教學手段

制作的多媒體課件不僅能夠簡單明了地概括出各章節的知識要點，還大量運用網絡資源，將DSP的新技術、新應用以及具有代表性的表格、圖形、圖像和動畫搬進課堂，創造出一個圖文井茂、有聲有色、生動逼真的教學環境。

例如，在DSP器件原理介紹時，我們把總線結構、中央處理單元、程序/數據存儲器配置、各模塊內部結構以及控制寄存器功能等重要的圖和表，用多媒體課件的形式來很好的展示；把復雜的匯編指令執行時序和影響狀態位的變化過程等，不易單純用語言文字講清楚的內容，用動畫演繹的形式表示出來，以使教授內容有的放矢、重點突出、易于學生掌握；在DSP運動控制應用中，我們將直流電機的H橋逆變電路開關工作狀態和電流響應時序、交流異步電機SVPWM控制的空間電壓矢量合成原理、開關磁阻電機的轉子位置與相電感變化趨勢等抽象內容，用圖形和彩色動畫的形式表現出來，力爭在有限的課堂時間內對這些已學知識有個快速回顧。

對于DSP匯編程序設計和開發環境使用這一章節，僅采用多媒體課件進行講解是不夠的，描述程序編寫和調試流程不如在課堂進行現場演示。因此，針對這一章節，我們采用將實際DSP開發環境搬入課堂的辦法進行講授。首先，讓同學們對DSP開發套件的三大部分（調試軟件CCS、仿真器TDS和評估板EVM）進行實物接觸，然后，教師以一個流水燈實驗為例，通過直接操作CCS軟件，講授DSP工程的建立方法、三類文件：頭文件（F2407REG.H）、配置文件（LED.CMD）和主文件（LED.ASM）的功能、結構和編寫方法，以及具體調試方法等基本概念和操作。進一步通過更改諸如：頭文件的宏指令定義、配置文件的“段”定位配置、主文件的延時常數等參數，使學生親身感受到實驗結果的變化。

3、加強師生互動交流

在授課過程中，加強了師生互動的交流環節。其具體措施不僅是在課堂上老師多提啟發性問題引導學生主動思考（任務驅動），課間多請學生提問題，還將教學小組成員主持和完成了多項DSP控制系統課題的科研成果融入到教學環節中，通過參觀和現場講解DSP應用案例的成果實物[3,4]，如開關磁阻電機控制系統和磁懸浮數控系統等，以調動學生的學習積極性。

4、采用科學的考核方式

我們將“DSP原理與運動控制系統”課程的考核方式定為平時成績＋期末筆試的綜合方式。平時成績來自于學生的課堂表現、師生問答、作業成績和實驗技能等方面的綜合。期末筆試采用開卷考試的方式進行，要求學生在120分鐘時間內獨立完成諸如：功能寄存器的模式配置、中斷服務程序框架的編制、算法軟件的編寫、硬件接口的設計和運動控制系統的分析等應用型考核試題。這一部分注重學生實際能力的體現。

三、結束語

“DSP原理與運動控制系統”課程是電氣控制類一門涉及多類課程、知識背景深、實用性強、技術更新速度快的專業課程。在課程教學中我們需要明確樹立學生的主體觀，合理安排理論和實踐教學內容，運用合理的教學方法和手段，以及科學的評價體系，努力提高教學效果，切實培養控制類學生的DSP工程實踐能力、自主學習能力和創新能力。

參考文獻：

[1] 鄒彥.DSP原理及應用[M].北京:電子工業出版社,2005 [2] 周云松.《DSP原理與應用》課程教學研究與實踐[J].福建電腦,2005,12:159-160 [3] 茅靖峰,趙德安,劉羨飛.基于DSP的車用開關磁阻發電機控制系統研究[J].中小型電機, 2005,32(1):46-48 [4] 吳國慶,張鋼,張建生,等.基于DSP的磁懸浮電主軸數字控制系統研究[J].電氣自動化, 2005, 10(3):12-13

?作者簡介：茅靖峰（1976－），男，浙江寧波人，博士生，講師，主要從事電氣工程及其自動化專業的教學與科研工作。Email：mao.jf@126.com；TEL：*** 基金項目：江蘇省教育教改課題，南通大學課程群建設課題，南通大學教育教學研究基金課題（05010）

此文刊登在《電氣電子教學學報》2007年29卷第1期