科研教学协同《电机及控制》课堂教学探讨

科研教学协同《电机及控制》课堂教学探讨

张晶

西安理工大学 陕西西安 710048

摘要：传统的课堂教学模式已经不能满足高等教育的要求，经过多次对课题教学的内容探讨和修改，形成了科研教学协同的教学模式，将实际工程问题融入到本科生的授课课堂中，培养学生发现问题、解决问题的思考能力，大大地提高了教学质量。

关键词：科研教学，课堂教学设计，电机及控制

硅单晶生长是一个复杂的过程，涉及半导体材料与工艺、自动控制理论与方法、机械制造、检测方法与技术等多个领域，多学科交叉融合，是较为复杂的研究对象^[1]，也《电机及控制》课堂教学的重点和难点。正是因为该对象的复杂性，覆盖知识面较广、系统综合性较强，借助这一对象，从中开辟出一条与本科教学工作相结合的方向，将实际工程问题融入到本科生的授课课堂中^[2]，培养学生发现问题、解决问题的思考能力，促进培养目标的达成。

通过科研团队与课程负责人相关课程的老师们进行多次教学内容的探讨和修改，最终形成了4学时教学内容，以硅单晶生长系统集成与控制研究问题为导向的教学设计、教学目标和教学内容。

1 构建理论知识与工程实际的桥梁

直拉法生长硅单晶依靠对多晶硅料进行熔化和重结晶的方法来实现，那么就需要根据物理规律在单晶炉内构建一个使硅材料熔化和结晶的合适环境。主要是由炉体、机械运动系统、热系统、水冷系统、真空系统和电气控制等六大部分组成。其中，机械运动系统是实现硅单晶生长工艺的执行机构，主要包括四套独立的驱动机构。其中籽晶旋转和籽晶提升是为了满足CZ法边旋转边提升的生长工艺要求；坩埚提升是为了补偿因熔体液面下降引起生长界面移动，将生长界面维持在炉内的固定位置；而坩埚旋转是为了搅拌熔体并消除热场的不对称性对晶体生长的影响^[3]。

硅单晶生长的运动控制系统的核心是控制籽晶旋转速度、籽晶提升速度、坩埚提升速度和坩埚旋转速度，均是典型的转速闭环控制。依据硅单晶生长工艺要求，结合《电机及控制》课程中不同类型电机的特点和电机调速系统设计的基本原理，分析实际工程设计问题中的难点，并给出相应的解决方案。根据该电机在很低转速下稳定运行、机械特性和调节特性及线性度好等特点，硅单晶生长提拉系统中可以选用直流力矩电机为驱动电机。由于提拉速度控制系统电机要运行在很低速度下，如果选用额定转速太高的直流伺服电机通过减速器来达到控制要求，过大减速比的齿轮间隙将对系统的性能指标十分不利，可能会引起系统在小范围内振荡和降低系统的刚度，从而影响到晶体的质量。因此，采用低转速、大转矩的直流力矩电机则可避免以上的问题。

2 理论教学与实践经验相融合

在晶体生长运动控制系统中，那些因素会影响晶体生长品质？如何解决？

《电机及控制》这门课程中，电机是一种利用电磁感应原理实现能量传递和能量转换的电磁装置。针对电机的基本原理和特点，寻找与直拉单晶炉运动控制系统中涉及到的电磁装置相结合的部分是理论与经验相融合的关键。

我们发现，在晶体生长运动控制系统中，减少提拉杆的振动可以有效的提高单晶炉的稳定性。影响单晶炉稳定性的因素有两方面：（1）晶升电机与晶转电机本身出现故障。电机磨损或故障产生了抖动或卡顿，并直接或通过转动机构传递到提拉杆造成振动，其中晶转电机故障影响最为严重，这种故障，可以通过定期维修、及时更换电机来解决。（2）提拉杆运动时产生的振动。主要原因是炉膛内需要达到一定的真空度，要求提拉杆与炉膛之间需要很好的密封性，这就使处于提拉和旋转的提拉杆与固定不动的炉膛之间因密封圈的硬接触产生摩擦力，随着使用时间增长，提拉杆受磨损、密封圈老化，都会使提拉杆在运动时出现摩擦力不均现象，引起提拉杆的振动。

在大量晶体生长实验的基础上，我们进一步发现提拉杆抖动最主要是提拉杆与密封圈之间的摩擦力不均匀所致，并且在生产过程中产生，无法提前预防排除。提拉杆抖动使生长的晶体产生位错缺陷，大幅度降低了晶体品质。

该案例的讲解涉及了《电机学》中的磁感应强度、磁场强度、和磁场作用原理等，通过提出实际物理对象中存在的问题，分析问题给出解决方案，同时介绍了一个单晶炉改进后的提拉头装置——磁流体装置，并且和考虑实际工程中会遇到的损失问题，对改进方案进行补充说明，很好地解决了单晶炉提拉杆长时间转动拉升与橡胶唇形密封圈摩擦造成的密封圈变形，避免提拉杆与密封圈间的摩擦力不均匀造成抖动。这一案例的给出将电磁感应原理巧妙地运用于实际问题，并发挥了自身的特点和优势，完美地解决了实际工程问题，具有很好的代表性。

通过案例的教学过程，培养了学生运用书本知识分析解决实际问题的能力，引导学生从专业认知角度揭示工程现象背后蕴含的理论机制。培养学生良好的逻辑思维能力，通过教师引导梳理知识点内在的联系，引导学生形成知识迁移的思维路径和科学严谨的思维习惯。

参考文献：

[1] 周永溶. 半导体材料[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1992.

[2]张德高.科研教学结合为人才培养提供强力支撑[J].中国高等教育,2013,No.507(17):44-45+54.

[3] 张晶, 刘丁, 赵跃, 焦尚彬. 直拉硅单晶放肩过程的有限元数值模拟与控制参数研究[J]. 人工晶体学报, 2013, 42(01): 58-64.