《轨道交通车辆电力传动与控制》课程教学大纲

《轨道交通车辆电力传动与控制》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称轨道交通车辆电力传动与控制PowerTransmissionandControlofRailTransitVehicle课程代码课程性质必修授课学期6学分/学时3/48课内学时48理论学时42实验学时6实训（含上机）0实习0其他0适用专业交通工程（轨道交通车辆工程）授课语言中文对先修的要求学生在学习本课程之前，应先修的主要课程为：高等数学、理论力学、机械原理、机械设计、C语言程序设计、电工技术、材料力学、控制工程基础。先修的知识点和能力、素质基础如下：（1）先修的知识点高等数学：函数、极限、导数、微积分、微分方程；理论力学：摩擦、位移、速度、加速度、力矩、合力、力偶、功率、效率；机械原理：机构、速度瞬心法、运动副、齿轮等知识；机械设计：机械零件（轴、轴承、弹簧、齿轮、联轴器）、摩擦副；齿轮传动等知识；C语言程序设计：函数、if-else语句、for语句、while语句、常量、变量等；电工技术：电路、电阻、电容、交流电、直流电、电力系统、磁路、变压器等；材料力学：应力、拉伸、压缩、变形；控制工程基础：数学模型、PID控制；先修的能力基础运用数学、物理和力学知识进行建模、分析并求解的能力；运用机械知识理解和分析机械运动、连接和传动的能力；运用电气、控制等知识分析电力与控制系统的能力；运用轨道交通土建、车辆、电气、信号及运营管理等系统知识理解轨道交通车辆在整个系统中发挥的作用。（3）先修的素质基础喜欢交通工程（轨道交通车辆工程）专业；有一定的自主学习能力；有过团队协作完成任务的经历；有一定的语言沟通表达能力；有一定电路搭建和实验的经历。对后续的支撑学生在学习完本课程之后，为后续的专业课程提供支撑，具体课程包括车辆设备电路分析及网络控制、轨道交通车辆专业生产实习、毕业设计（论文）。提供的知识点、能力和素质具体如下：提供的知识点三相交流电机的工作原理和特性；列车牵引驱动系统的结构组成和工作原理；C++的基本编程知识；单片机的结构和工作原理、端口的输入和输出、模数转换、单片机对电机的PID控制等知识；变频调速异步电机的数学模型和控制方式；牵引整流器和逆变器的工作原理；异步电动机矢量和转矩控制；牵引系统无速度传感器控制和直接驱动技术。（2）提供的能力根据工况计算牵引传动系统容量；搭建单片机测控电机电路、编写程序，采用PID控制算法对电机转速进行扣扣给你治；（3）提供的素质有较强的自主学习意识；有较强的团队协作意识；有较强的沟通表达能力；有一定的专业职业道德意识；课程思政设计通过新闻播报、时政述评、举案说理等形式引导大学生深度参与思政课教学。在课堂中，实时对最新的国内、外轨道交通车辆电力传动和控制相关的新闻播报进行宣传，并进行技术点评引导同学对相关主题进行讨论，增加学生学习积极性和对该课程的兴趣性；时政评述也将贯穿整个课程教学，以时政思想形式，向大家展示中国“一带一路”和“交通强国”战略给高速铁路发展带来的机遇以及未来的发展前景，让学生增强“四个自信”，充满民族自豪感，充分激发学生对该课程的学习热情。在国家战略取得成果时，将会进一步在后期课堂中及时呈现，时刻激励学生对课程充满热情；举案说理同样贯穿整个课程教学，根据教学内容，分别列举在相关方面有突出贡献的杰出人才以及表现出来的“工匠精神”，让学生充满正能量的领略先辈风采的同时培养耐心、专注、坚持的精神，能够积极思考，认真反思，为将来更好的适应工作及中国“交通强国”的建设添砖加瓦。课程简介本课程为交通工程（轨道交通车辆工程）专业方向的一门非常重要的专业基础必修课程。本课程可以为学生学习轨道交通车辆后续课程和从事轨道交通车辆电力传动和控制系统、牵引变压器、牵引变流器和牵引电机相关的设计、生产、制造、运用、维修等工作打下良好的基础。课程主要内容包括列车牵引驱动系统的原理；单片机对电机的控制；变频调速异步电机的控制方式，变频调速异步电动机的数学模型；牵引整流器和逆变器的工作原理。通过课程学习令学生掌握电机原理和特性，能根据工况计算牵引传动系统容量；能搭建单片机测控电机电路、编写程序，掌握PID控制算法；熟悉电力机车的电力传送系统；熟悉变频调速异步电机的控制方式和数学模型；理解脉冲整流器和牵引逆变器的主电路及其控制方法；了解异步电动机矢量和转矩控制，了解牵引系统无速度传感器控制和直接驱动技术；提高学生通过团队协作、有效沟通和表达进行自主学习专业知识等能力。本门课程的教学特点是掌握知识和动手实践相结合，采用课内讲授、课堂讨论、教学视频、课后作业、实验和期末考试等6种方式相结合的教学方法进行学习。课程完成后，学生具备从事相关工作的基础知识，并掌握单片机为控制核心的电机控制的实验技巧；能够独立查找相关资料并开展合理的理论计算，团队协作完成课程设计任务。

二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1：掌握电机、电力机车的电力传送系统、脉冲整流器和牵引逆变器等工作原理和特性，具备根据工况计算牵引传动系统容量的能力；能够独立搭建单片机控制和监控电机转速的电路，掌握编写单片机监控电机程序的能力，掌握基本的PID控制算法。1.3掌握系统的轨道车辆构造、制造和检修等专业知识，并将其理论和方法用于轨道车辆总体及零部件制造或检修流程的设计、实施和改进。毕业要求1：掌握系统的轨道车辆构造、制造、检修等专业知识，必需的机械、电气、控制等学科工程知识和扎实的数学、自然科学知识，并运用其理论和方法解决轨道车辆的复杂工程问题。2目标2：能够根据问题分析需要，与同专业同学组成正式或非正式小组，进行团队合作；承担团队成员的角色，合作完成既定的任务；胜任团队负责人的角色，组织团队成员开展讨论，汇总团队成果。9.1能主动与其他学科或同专业的成员合作共事，组成团队，具有团队意识；9.2能胜任团队成员的角色，完成团队分配的工作，并倾听其他团队成员的意见；9.3能胜任团队负责人的角色，组织团队成员开展工作，汇总成果完成团队任务。毕业要求9：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。3目标3：能够进行专业知识的自主学习，根据作业和问题开展分析和研究，通过书面形式撰写设计方案；能够有效地与小组成员进行沟通和交流，并能够清晰的进行陈述发言表达自己或者小组的观点。10.1能通过口头、书面、图表、工程图纸等方式与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。毕业要求10：能够就轨道车辆的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。教学内容及进度安排序号教学内容学生学习预期成果课内学时/课外学时教学方式支撑课程目标1电力牵引交流传动与控制系统介绍列举瓦特和西门子，对蒸汽机车和电力机车发明所做的贡献，以及我国老一辈铁路科研工作者奋发图强的事例。分析不同列车牵引驱动系统的原理和特性，理解各种电机的原理和特点。教学重点1）蒸汽机车和内燃机车的牵引驱动系统的原理和特点；2）变频器和步进电机原理及特性。教学难点1）电力机车、磁悬浮列车的牵引驱动系统的原理和特点；2）列车未来发展的趋势；3）直流电机、交流感应电机、交流同步电机、直线电机、伺服电机等电机的原理以及特征。1）了解世界和中国高速铁路发展历程，增强“四个自信”。2）理解不同列车的牵引驱动系统的原理和特点；3）认知列车未来发展趋势；4）理解各种电机的原理以及特性。5）理解各种电机的原理和特点；4课内讲授；课堂讨论蒸汽机车、内燃机车和电力机车的特点和工作场合；课后作业查找历史上速度最高的蒸汽机车和内燃机车的资料。目标1目标2目标32电机的单片机测试控制综合运动电子电路、C语言、单片机的知识，搭建电机速度测试和控制电路，编写单片机测控程序。教学重点1）DC/DC模块；2）电机驱动模块；3）PLC；4）编码器及速度传感器。教学难点1）PID控制原理；2）单片机对电机控制原理及电路；3）对电机进行速度测试和控制的单片机C语言程序的编写。综合运动电子电路、C语言、单片机的知识，搭建电机速度测试和控制电路；应用PID算法和C语言编写单片机测控程序。12课内讲授；课堂讨论生活中遇到的电机种类、工作电压和特性；课后作业查找各类电机的工作原理和特性。视频教学介绍各类单片机控制电机的原理。实验包括搭建电机速度控制电路和单片机的C语言编程。目标1目标2目标33电力牵引传动系统设计基础分析列车牵引特性、牵引供电系统和电力牵引交流传动系统，对牵引传动系统进行优化匹配和容量选定。教学重点列车牵引计算基础；2）牵引供电系统；3）电力牵引交流传动系统简介。教学难点牵引传动系统的优化匹配与容量选定。分析列车牵引力和阻力对牵引特性的影响；分析牵引供电系统的分类和组成；理解牵引传动变流器和牵引电机的匹配；理解牵引系统与机械传动匹配；应用计算得到牵引传动系统的容量。4课内讲授；课堂讨论动车组遇到台风、沙尘暴等恶劣天气下的阻力问题及应对措施；课后作业查找各类动车组电力牵引系统性能指标参数。视频教学介绍各类电机的工作原理。目标1目标2目标34变频调速异步电机的控制方式分析频率调节时异步电动机的等值电路及转矩，理解恒转矩和恒功率控制，理解变频调速系统的调节特性，分析谐波的影响。教学重点1）频率调节异步电动机的等值电路及转矩；2）理解变频调速系统调节特性；3）谐波分析。教学难点1）恒转矩控制的三种方式；2）恒功率控制。分析频率调节异步电动机的等值电路及转矩；理解恒磁通、恒电压/频率比和恒转子全磁通三种恒转矩控制方法；理解恒功率控制；理解变频调速系统调节特性；分析谐波的影响。6课内讲授；课后作业查找MATLAB进行电机仿真的资料。自学基于MATLAB进行电机仿真的方法。目标15变频调速异步电动机的数学模型分析三相异步电动机的数学模型，理解电动机在两相坐标系上的数学模型和状态方程，认知电动机建模仿真。教学重点1）三相异步电动机的数学模型；2）常用坐标系和坐标变换。教学难点1）三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型和状态方程；2）异步电动机的建模仿真。分析三相异步电动机的数学模型认知常用坐标系和坐标变换理解三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型和状态方程认知电动机建模仿真2课内讲授；课后作业开展三相异步电机数学模型公式推导。目标16脉冲整流器理解两电平和三电平脉冲整流器主电路，认知中间直流回路，理解整流器谐波产生机理和控制技术。列举中车时代电气打破国外高端IGBT技术垄断纪实。教学重点1）脉冲整流器的等效电路和工作原理；2）中间直流回路；3）谐波产生机理；4）脉冲整流器控制技术。教学难点三电平和两电平脉冲整流器主电路。理解脉冲整流器的等效电路和工作原理；理解两电平和三电平脉冲整流器主电路；认知中间直流回路；理解整流器谐波产生机理和控制技术。5）了解核心设备发展历程，直观感受我国高速的技术发展，增强民族自豪感。6课内讲授；课堂讨论各类整流器的工作原理和特点。课后作业基于MATLAB进行整流器仿真。目标17牵引逆变器理解两电平和三电平牵引逆变器主电路，认知SPWM和SVPWM的关联性。教学重点两电平和三电平牵引逆变器主电路。教学难点SPWM和SVPWM的关联性。理解两电平和三电平牵引逆变器主电路；认知SPWM和SVPWM的关联性。6课内讲授；课堂讨论各类逆变器的工作原理和特点。课后作业基于MATLAB进行逆变器仿真。目标1目标2目标38异步电动机矢量控制认知矢量控制基本思想和其在异步电动机中的实现，认知磁场定向、全数字化矢量控制，认知智能控制的应用。教学重点矢量控制基本思想及其在异步电动机的实现。教学难点1）磁场定向和全数字化矢量控制；2）智能控制在矢量控制系统中的应用。1）认知矢量控制基本思想和其在异步电动机中的实现；2）认知磁场定向、全数字矢量控制；3）认知智能控制在矢量控制系统中的应用。2课内讲授；课堂讨论生活中遇到的光源系统和基本的感官感受；课后作业查找各类光源的照度等具体的性能指标参数。视频教学介绍各类光源的工作原理。目标19异步电动机直接转矩控制认知直接转矩控制基本思想和其在异步电动机中的实现，认知全数字化直接转矩控制，认知矢量和直接转矩控制的联系，认知模糊控制在直接转矩控制中应用。教学重点直接转矩控制基本思想及其在异步电动机的实现；2）矢量和直接转矩控制的联系。教学难点1）全数字化直接转矩控制；2）模糊控制在直接转矩控制中应用。1）认知直接转矩控制基本思想和其在异步电动机中的实现；2）认知全数字化直接转矩控制；3）认知矢量和直接转矩控制的联系；4）认知模糊控制在直接转矩控制中应用。2课内讲授；课后作业基于MATLAB进行三相异步电机直接转矩控制仿真。目标110牵引传动系统的无速度传感器控制认知转速估算方法，认知智能控制技术的应用和带速重投研究。教学重点直接转矩控制基本思想及其在异步电动机的实现；2）矢量和直接转矩控制的联系。教学难点1）全数字化直接转矩控制；2）模糊控制在直接转控制中应用1）认知转速估算方法；2）认知智能控制技术在无速度传感器控制中的应用；3）认知电力牵引无传感器控制的带速重投研究。2课内讲授；课后作业查找无速度传感器控制应用案例。目标111直接驱动技术认知直接驱动技术，认知其在永磁同步牵引电机中的应用。列举株洲电力机车研究所有限公司研发永磁同步电机牵引系统的事例。教学重点直接驱动技术特点及应用教学难点1）直流驱动在永磁同步牵引电机应用的理论基础和控制策略；2）全数字化永磁同步牵引电机控制系统。1）认知直接驱动技术；2)认知直接驱动技术在永磁同步牵引电机中应用的理论基础及控制策略；3）认知全数字化永磁同步牵引电机控制系统。4）了解核心设备发展历程，直观感受我国高速的技术发展，增强民族自豪感。2课内讲授；课后作业查找直接驱动技术在汽车、轨道车辆、日常交通工具上应用的案例。目标1四、课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)作业平时表现实验考试1目标1：掌握电机、电力机车的电力传送系统、脉冲整流器和牵引逆变器等工作原理和特性，具备根据工况计算牵引传动系统容量的能力；能够独立搭建单片机控制和监控电机转速的电路，掌握编写单片机监控电机程序的能力，掌握基本的PID控制算法。（支撑毕业要求1.3）（1）三相交流电机的工作原理和特性；（2）列车牵引驱动系统的结构组成和工作原理；（3）C++的基本编程知识，单片机的结构和工作原理、端口的输入和输出、模数转换、单片机对电机的PID控制等知识。1002040702目标2：能够根据问题分析需要，与同专业同学组成正式或非正式小组，进行团队合作；承担团队成员的角色，合作完成既定的任务；胜任团队负责人的角色，组织团队成员开展讨论，汇总团队成果。（支撑毕业要求9.1、9.2、9.3）（1）是否与同专业同学主动组成团队，并进行协作；（2）是否胜任团队成员角色；（3）是否胜任团队负责人角色。00100103目标3：能够进行专业知识的自主学习，根据作业和问题开展分析和研究，通过书面形式撰写设计方案；能够有效地与小组成员进行沟通和交流，并能够清晰的进行陈述发言表达自己或者小组的观点。（支撑毕业要求10.1）（1）是否通过书面形式完成作业；（2）是否有效地与小组成员进行沟通和交流；（3）是否清晰的进行陈述发言表达自己或小组的观点。0200020合计10203040100备注：学生平时在课堂上能经常性主动回答问题，可在期末计算总分时酌情给予1-3分的加分奖励。各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》。五、教材及参考资料教材《动车组供电牵引系统与设备》，宋雷鸣，北京交通大学出版社，2012，ISBN：9787512111363参考书《电路牵引交流传动及其控制系统》，冯晓云，高等教育出版社，2009，ISBN：9787040280463《CRH1型动车组》，张曙光，中国铁道出版社，2008，ISBN:9787113081935《CRH2型动车组》，张曙光，中国铁道出版社，2008，ISBN:9787113081898《CRH5型动车组》，张曙光，中国铁道出版社，2008，ISBN:9787113081942《CRH380BL型动车组》，孙帮成，中国铁道出版社，2014，ISBN:9787113181512《漫话高速列车》（第二版），杨中平，中国铁道出版社，2013，ISBN：9787113175214《电力机车牵引控制技术》，董亚男，陈友伟，西南交通大学出版社，2016，ISBN：9787564346034《城市轨道交通电力牵引》，徐安，中国铁道出版社，200，ISBN：9787113035754《城市轨道交通电力牵引与控制》，国防工业出版社，2016，ISBN:9787118077605《电力牵引与控制》，中国铁道出版社，2010，ISBN:9787113109622《高速动车组技术(下)》，中国铁道出版社，2016，ISBN：9787113185008

附录：各类考核评分标准表作业评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：掌握电机、电力机车的电力传送系统、脉冲整流器和牵引逆变器等工作原理和特性，具备根据工况计算牵引传动系统容量的能力；能够独立搭建单片机控制和监控电机转速的电路，掌握编写单片机监控电机程序的能力，掌握基本的PID控制算法。（支撑毕业要求1.3）按时提交作业；完整陈述电力牵引传动系统工作原理；回答牵引整流器和逆变器的特性完全正确；计算牵引传动系统的容量完全正确。按时提交作业；较好陈述电力牵引传动系统工作原理；回答牵引整流器和逆变器的特性正确；计算牵引传动系统的容量正确。按时提交作业；基本陈述电力牵引传动系统工作原理；回答牵引整流器和逆变器的特性基本正确；计算牵引传动系统的容量过程基本正确。不能按时提交作业；陈述电力牵引传动系统工作原理错误；回答牵引整流器和逆变器的特性错误；计算牵引传动系统的容量错误。10平时表现评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标3：能够进行专业知识的自主学习，根据作业和问题开展分析和研究，通过书面形式撰写设计方案；能够有效地与小组成员进行沟通和交流，并能够清晰的进行陈述发言表达自己或者小组的观点。（支撑毕业要求10.1）PPT制作精美；自述清晰；回答问题有逻辑；清晰明白问题所在并认真完成修改。PPT制作良好；自述较清晰；回答问题较逻辑；能明白问题所在并完成修改。PPT制作简单；自述基本清晰；回答问题基本有逻辑；基本明白问题所在并修改。没有准备答辩PPT；自述不清晰；回答问题无逻辑；不明白问题所在且没有修改。20实验分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：掌握电机、电力机车的电力传送系统、脉冲整流器和牵引逆变器等工作原理和特性，具备根据工况计算牵引传动系统容量的能力；能够独立搭建单片机控制和监控电机转速的电路，掌握编写单片机监控电机程序的能力，掌握基本的PID控制算法。（支撑毕业要求1.3）针对给定问题，查找资料非常完整，方案设计非常合理；电机控制电路和测试完全正确；实验记录非常完整。针对给定问题，查找资料完整，方案设计合理；电机控制电路和测试正确；实验记录完整。针对给定问题，查找资料比较完整，方案设计比较合理；电机控制电路和测试比较正确；实验记录比较完整。针对给定问题，查找资料不足，方案