霍 凯，杨江天，刘玉琳

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

多课程共享实验平台的探索

霍 凯，杨江天，刘玉琳

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

针对教学实验资源缺乏、实验设备使用率较低这一问题，分析了系列课程对教学实验的需求，提出了改造既有实验设备、开发新实验项目、搭建共享实验平台的解决方案。结合课程具体实验内容和要求，明确实验项目、确定实验平台改造方案、编写实验指导书并应用于教学。该共享实验平台可支撑多门课程教学实验，实现了跨专业多课程实验设备共享的目的，为实验资源共享提出一条新的思路。

多课程；共享实验平台；实验项目

目前，现有实验设备大多支持单门课程教学实验任务，个别实验设备可以完成几门课程的相近实验项目。除了一些基础课实验室实验设备利用率较高外，其他类型实验室及实验设备利用率不高是当前许多高校实验室的现状［1－6］。在资源有限的情况下，提高实验室房屋及实验设备的使用效率、通过对原有实验设备升级改造、为系列课程提供实验支撑、实现多课程共享实验平台是一种有效解决方法。一方面可以缓解实验设备紧缺的现状，更主要的是解决了在空间极度紧张的情况下还需增加设备的难题。

1 课程实验需求

机械工程实验中心轨道车辆实验室现有动车牵引、制动、室内环境、受电弓、门控单元及集便系统等实验设备，能够实现相应原理演示。其中，动车组传动实验台还能模拟动车组传动过程，实现传动控制，示意主要监测参数如电压、电流、转速等的测量方法和测点位置，主要开设包括晶闸管直流调速系统参数和直流电动机机械特性测定、双闭环三相异步电动机调压调速系统、异步电动机SPWM与电压空间矢量变频调速系统、基于DSP的矢量变换控制与直接转矩控制变频调速系统等实验项目。测控技术与仪器专业开设“机电信号分析”及“机械故障诊断”课程多年，因没有相应实验设备，该门课程实验主要通过软件仿真实现，任课教师一直呼吁购置实验设备，为离散信号生成与离散卷积计算、快速傅里叶变换及FIR滤波器设计等实验提供试验数据。

针对其他专业有需求，轨道车辆实验室有设备的情况，提出研发改造动车组传动实验台，增加齿轮箱、传感器等，采用现代检测技术，开发扭振测试实验项目等，支持测控技术与仪器专业学科建设，同时也可将该实验项目应用于“轨道车辆检测技术”和“轨道车辆检测综合实践”等课程，扩大受益学生面。这些实验项目可在实验室更加真实地演示动车组传动工况，同时为开发扭振测试实验提供检测平台，为动车组工况监测与故障诊断等奠定基础，也可应用于动车组培训。

2 实验平台设计

在分析“机电信号分析”、“自动检测技术”及“机械故障诊断”等课程内容和教学大纲基础上，提出了转速及相位检测、电枢电流采集和扭振测试等实验项目，结合原有实验设备提出改造方案。

2．1 实验平台

在轨道车辆实验室已经有的动车组传动实验台基础上，增加了二级齿轮箱、电流互感器、加速度传感器和转速传感器等。实验台新增部分如图1所示。实验台中三相异步电机在变频器的驱动下调整转速，经二级齿轮箱传动输出，输出轴连接直流发电机，发出的电能由电阻箱转换成热能。实验台上互感器测量异步电机电枢电流；加速度传感器测量齿轮箱振动；在电机轴和齿轮箱输出轴上分别安装码盘测量转速及相位。输出信号经数据采集卡输入计算机，计算机通过串行通信接口连接变频器，控制电机转速。由于增加了二级齿轮传动，动态载荷增加，传动系统的扭转振动将大大增强，提高了扭振测试的可行性。

图1 共享实验平台新增部分示意图

2．2 测齿法测量扭振

扭振测量一般采用“测齿法”［79］，借助安装在轴上的码盘、齿轮或其他等分机构，通过测量角速度的不均匀性实现扭振测量。当轴旋转时，装在轴上的齿形机构在传感器上感应出钟形脉冲信号序列，其幅值和相位都携带轴的扭振信息，通过检波、鉴相器解调，去除平稳的转速信号，剩下的就是扭振信息。本实验台采用数据采集卡测量扭振信号，为扭振测试提供基础信息。

2．3 电枢电流测量扭振

传动系统扭转振动也会引起电机定子和转子间的相对运动，改变定子与转子间的气隙。由于异步电机的气隙原本就很小，气隙的微小变化也会使定子电流特征发生变化。国内外一些学者已经开始研究将电机电枢作为传感器，通过分析其电流变化测量传动系统扭振［10－12］。该方法由于不需要增加新的传感器，因而更适用于工业现场。在改造中也关注到这种前沿技术和测试方法，增加了电枢电流传感器，为电流法检测扭振提供基础测试数据。

3 实验项目设计

让学生了解、掌握和参与一个测控系统从设计、调试到研制等过程是实验项目设计的目的，为此在该共享实验平台上开发了验证类、综合类和研究类等逐等级提高的系列实验，并编写了实验指导书。

3．1 原有实验项目

（1）晶闸管直流调速系统参数和直流电动机机械特性测定实验。需了解传动教学实验台结构，熟悉晶闸管直流调速系统组成及基本结构，掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法，掌握直流电动机机械特性测试方法。

（2）双闭环三相异步电动机调压调速系统实验。要求了解双闭环三相异步电动机调压调速系统原理及组成，通过测定系统静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

（3）异步电动机SPWM与电压空间矢量变频调速系统实验。能够掌握异步电动机变压变频调速系统组成及工作原理，理解通过单片机生成SPWM波形的工作原理与特点，熟悉空间矢量控制工作原理，掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。

（4）基于DSP的矢量变换控制与直接转矩控制变频调速系统实验。了解以TMS320F2X为核心构成的全数字控制感应电机变频调速实验系统的硬件与软件组成，掌握感应电机开环变压变频调速系统的工作原理及应用，掌握采用磁场定向控制与直接转矩控制的感应电机变频调速闭环控制系统的工作原理及调速实验方法。

3．2 新增实验项目

（1）转速及相位检测实验。转速和相位是扭振测试中两个基本参数，对转数及相位的检测也是“自动检测技术”及“传感器原理及应用”课程中基本实验要求，可以采用测周法或测频法实现，需要学生理解测量原理，掌握连接测试系统电路及编写检测程序。

（2）温度和加速度检测实验。温度和加速度在列车轴温报警中是主要监测参数，在机械故障诊断中也是特征信息的基本来源，学生需要了解传感器工作原理，掌握标定方法，编写温度及加速度信号采集处理程序。

（3）电枢电流采集实验。电枢电流反映电机工作状态，是电机故障检测的主要参数，通过电流互感器及信号调理电路转换成测量系统能够接受的信号进入检测系统，学生需要了解检测原理及编写检测程序。

（4）变频器原理及使用实验。变频器作为电机调速控制的一种常用设备，应用广泛，学生需了解变频器工作原理，掌握参数设置、接口方式、连接电路和控制方法，编写通信控制程序以实现对电机转速的控制。

（5）扭振测试实验。扭振测试实验是综合设计型实验，在测得电机转速、相位、温度、加速度及电枢电流等参数后，根据扭振测试原理编写数据处理程序，即可得到电机扭振参数。

4 结束语

本实验平台在保留原轨道车辆专业所需实验项目的基础上，通过升级改造，新增了转速及相位检测、温度和加速度检测、电枢电流采集、变频器原理及使用和扭振测试等实验项目，既为“轨道车辆检测技术”等课程提供实验支持，又为测控技术与仪器专业的“自动检测技术”、“机电信号分析”等课程提供了实验平台，实现了跨专业多课程实验设备共享的目的。意义在于是跨专业资源整合的探索，是实验教学平台多课程共用思想的尝试，是多年实际需求有效解决的方法，是实验室资源进行统一调配充实教学服务功能的新思路。

（References）

［1］丛蕾，蒋家慧，郭恩棉，等．实验教学平台运行机制与管理模式研究［J］．实验技术与管理，2014，31（2）：117－118．

［2］范剑，李绣峰，李军．构建示教型工业机械手实验台研究［J］．实验技术与管理，2012，29（9）：72－74．

［3］李萍．高校资源共享，提高设备使用效率初探［J］．辽宁教育行政学院学报，2007，24（6）：37－38．

［4］李伊荇，侯文海．浅谈高校实验室建设的不足与完善［J］．实验室科学，2007（5）：110－112．

［5］孙启惠．对仪器设备资源共享的思考［J］．实验室研究与探索，2001，20（3）：113－114．

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［7］张俊辉，罗银生，肖万猛．扭振测量方法及新型扭振测试系统研究［J］．传感器世界，2012，18（12）：11－15．

［8］何青，杜冬梅．机组轴系扭振智能测量系统研究［J］．仪器仪表学报，2007，28（4）：708－713．

［9］廖明夫，段曙光，李颖峰．转子扭转振动测量的新方法［J］．航空学报，2006，27（3）：525－530．

［10］陈峙，王铁，谷丰收．基于电动机电流信号双谱分析的齿轮传动故障诊断［J］．机械工程学报，2012，48（21）：84－90．

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［12］杨江天，赵明元，张志强，等．基于定子电流小波包分析的牵引电机轴承故障诊断［J］．铁道学报，2013，35（2）：32－36．

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

北京交通大学实验室研究课题（13060401）

霍凯（1970—），男，黑龙江，硕士，高级工程师，主要从事嵌入式系统及测控技术实验教学与研究工作．

E－mail：khuo＠bjtu．edu．cn