基于“電機(jī)學(xué)”實驗室教學(xué)利用實驗平臺的本科畢業(yè)設(shè)計初探

郝雯娟

摘 要： 在傳統(tǒng)實驗教學(xué)以外，應(yīng)充分發(fā)揮實驗設(shè)備的作用，嘗試?yán)谩半姍C(jī)學(xué)”實驗教學(xué)用設(shè)備及平臺，完成電氣工程專業(yè)學(xué)生的本科畢業(yè)設(shè)計。學(xué)生在搭建好MATLAB/SIMULINK電氣模型的基礎(chǔ)上，采用交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺進(jìn)行實時實驗，取得理想的結(jié)果。實踐表明，利用實驗教學(xué)用平臺進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計是可行的，能夠幫助學(xué)生更深入地理解和應(yīng)用課程知識，真實地了解實驗過程，有效提高學(xué)生的實踐能力，同時充分利用教學(xué)資源，節(jié)約教學(xué)成本。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)學(xué)實驗室 本科畢業(yè)設(shè)計 交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺

1.引言

畢業(yè)設(shè)計作為大學(xué)期間的最后學(xué)習(xí)，是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識和能力獨(dú)立進(jìn)行的一次綜合訓(xùn)練，其質(zhì)量直接反映出高校畢業(yè)生的綜合素質(zhì)和所在高校該專業(yè)的辦學(xué)水平[1]。電氣工程及其自動化專業(yè)本科教育的目標(biāo)是培養(yǎng)具有堅實理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新能力，能較系統(tǒng)地掌握電工技術(shù)、電子技術(shù)、控制理論和計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)與寬廣專業(yè)知識，并具備一定的科技開發(fā)和科學(xué)研究能力的高級工程技術(shù)人才，可見電氣工程及其自動化專業(yè)，具有強(qiáng)電與弱電結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合、運(yùn)行與制造結(jié)合的特點。上述特點決定了畢業(yè)設(shè)計在該專業(yè)的培養(yǎng)體系中具有舉足輕重的作用。

大部分高校電氣工程與自動化專業(yè)電機(jī)控制方向畢業(yè)設(shè)計課題主要通過軟件仿真完成，如果進(jìn)行實驗驗證，則一方面需要DSP軟件編程，另一方面需要設(shè)計和制作功率硬件電路，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試，工作量和難度都很大，與本科生知識水平和實際能力不符合，所以操作起來較困難。

目前大部分高校電氣工程與自動化專業(yè)都有電機(jī)學(xué)和電機(jī)調(diào)速實驗室，可以完成基本的電機(jī)學(xué)實驗和電機(jī)調(diào)速實驗，也有部分高校開發(fā)了電氣專業(yè)綜合性實驗平臺，可以完成綜合性實驗[2]。本院有多套電機(jī)及其控制系統(tǒng)實驗裝置，實驗功能齊全，確保了相關(guān)理論課程的實驗開出率，同時有兩套交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺，由于設(shè)備復(fù)雜不適合所有學(xué)生的基礎(chǔ)實驗，只用于實驗教學(xué)中的演示環(huán)節(jié)。但是該設(shè)備資源并沒有得到充分利用，讓電氣工程與自動化專業(yè)本科生在實驗室里利用交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺完成畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，是目前教學(xué)中需要研究和探討的問題。

2.交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺的特點

根據(jù)目前人才培養(yǎng)特點和電機(jī)技術(shù)及電氣傳動技術(shù)的發(fā)展情況[3][4]，圖1所示為本院電氣工程及其自動化專業(yè)電機(jī)實驗室，選用的是浙江求是NMCL-IIIA型交直流調(diào)速控制系統(tǒng)實驗裝置，該實驗臺在完成傳統(tǒng)的實驗項目的同時，突出對現(xiàn)代電力電子器件和現(xiàn)代控制理論的研究。

學(xué)生通過完成該實驗設(shè)備開出的實驗，對各種器件在不同場合的應(yīng)用有深刻的了解，對目前流行的各種線路均練掌握，直至獨(dú)立地設(shè)計各線路甚至系統(tǒng)。

該平臺的NMCL-13B是DSP控制的高性能交流電機(jī)控制系統(tǒng)（含高分辨率編碼器、采集控制軟件、MATLAB軟件），該實驗系統(tǒng)，以TI公司32位高性能TMS320F2812（DSP2812） DSP最新產(chǎn)品為控制核心芯片，并設(shè)計成為基于PCI總線的DSP2812運(yùn)動控制卡，開發(fā)出電機(jī)控制實時控制軟件和MATLAB實時控制模塊庫。其運(yùn)動控制卡，在MATLAB環(huán)境下開發(fā)了Embedded Target for TI C2000 DSP實時控制的SIMULINK模塊庫。利用該運(yùn)動控制卡和接口軟件，完成交流感應(yīng)電機(jī)的實時控制實驗。電氣專業(yè)學(xué)生都選修過MATLAB，都能熟練應(yīng)用該軟件搭建電氣模型，也有很多學(xué)生利用該軟件完成畢業(yè)設(shè)計[5]。所以該平臺使用MATLAB語言編寫算法或者用SIMULINK庫搭建電機(jī)控制算法，使電機(jī)控制算法開發(fā)變得簡單。

3.畢業(yè)設(shè)計實例

直接轉(zhuǎn)矩控制DTC （Direct Torque Control）變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。其控制思想新穎，動靜態(tài)性能優(yōu)良，得到越來越廣泛的應(yīng)用[6]。所以將異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制交流電機(jī)系統(tǒng)的實現(xiàn)作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，不但能全面檢查學(xué)生的對電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動控制原理及電力拖動自動控制系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)情況，而且能很好地鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用和掌握專業(yè)知識的能力。該設(shè)計要求學(xué)生從異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，推出在定子坐標(biāo)系下直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律。再利用空間矢量的概念，推導(dǎo)出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電壓空間矢量的選擇規(guī)則，采用圓形磁鏈軌跡控制方法，然后搭建基于MATLAB/SIMULINK 軟件的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）模型，對系統(tǒng)調(diào)速性能進(jìn)行仿真驗證和分析。最后在NMCL-13B 交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺上，構(gòu)建出DSP控制的高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件控制平臺，在該平臺上進(jìn)行實驗調(diào)試，分析其運(yùn)行情況。

3.1 控制系統(tǒng)仿真模型及結(jié)果

學(xué)生在掌握DTC基本理論的基礎(chǔ)上，建立DTC的MATLAB電氣仿真模型，如圖2所示，電氣模型結(jié)果更接近異步電動機(jī)的實際運(yùn)行情況。其中，電機(jī)模型直接采用SIMULINK 的電氣系統(tǒng)模塊庫中的Asynchronou Machines SIUints模塊；采用Machine Mesurement Demux 模塊可以直接觀測到電機(jī)變量。該模型較復(fù)雜，里面部分程序（磁鏈扇區(qū)判斷模塊、開關(guān)電壓矢量選擇模塊）需要利用S-function進(jìn)行編程。異步電動機(jī)空載時，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min時的反饋轉(zhuǎn)速波形及定子磁鏈軌跡波形如圖3所示。仿真結(jié)果驗證了該模型的正確性。

3.2 控制系統(tǒng)實驗實現(xiàn)

學(xué)生在搭建好仿真模型并通過仿真結(jié)果驗證后，就可以利用NMCL-13B交流電機(jī)系統(tǒng)平臺進(jìn)行實驗。

首先搭建硬件平臺，如圖4所示，該平臺包括二極管不控整流電路部分、基于IPM的逆變電路部分、保護(hù)電路及與DSP通訊電路。所有硬件都固化在實驗箱內(nèi)，學(xué)生可以在系統(tǒng)了解硬件平臺后，通過外部連線完成搭建，省去很多時間，而且安全可靠。

然后利用Embedded Target for TI C2000 DSP實時控制的SIMULINK模塊庫及其程序編譯軟件，將算法下載到DSP芯片上，與硬件連接從而控制電機(jī)運(yùn)行。并且可以通過如圖5所示實時實驗控制界面實時調(diào)節(jié)算法參數(shù)和觀測實驗波形。

從圖5可以看出，該界面可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)放大器系數(shù)、滯環(huán)比較器轉(zhuǎn)矩系數(shù)、磁鏈寬度系數(shù)、IPM開關(guān)頻率及給定轉(zhuǎn)速等；可以觀測電機(jī)實際轉(zhuǎn)速波形、三相電流波形以及磁鏈波形等。此外，還可以在MATLAB環(huán)境下觀測電機(jī)轉(zhuǎn)速等變量的波形，如圖6所示為實際轉(zhuǎn)速波形。從以上實驗波形中可以看出，實時實驗波形與仿真波形基本一致，表明利用該交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺可以實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制算法，結(jié)果正確。

以上仿真和實驗表明，本次畢業(yè)設(shè)計利用MATLAB軟件和交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺，很好地實現(xiàn)了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，完成了畢業(yè)設(shè)計要求的內(nèi)容。

4.結(jié)語

本文通過畢業(yè)設(shè)計實例——異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，實現(xiàn)介紹NMCL-13B交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺在電氣工程與自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用，該初步嘗試可總結(jié)出以下幾點：

4.1學(xué)生通過該次畢業(yè)設(shè)計，將所學(xué)專業(yè)知識內(nèi)容重新整理一遍，并使之系統(tǒng)化、綜合化，這是畢業(yè)設(shè)計的目的之一。

4.2學(xué)生利用MATLAB搭建控制系統(tǒng)電氣模型及進(jìn)行仿真分析的過程，可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識的能力，同時提高學(xué)生借助于計算機(jī)解決工程實際問題的能力[7]。

4.3學(xué)生在仿真驗證正確的基礎(chǔ)上，利用交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺進(jìn)行控制系統(tǒng)實驗，通過搭建硬件電路及動手實驗，系統(tǒng)學(xué)習(xí)功率電路硬件知識及DSP應(yīng)用的基本知識，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析問題解決問題的能力及實驗實踐能力。

4.4學(xué)生利用交流電機(jī)控制系統(tǒng)實驗平臺完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，得出正確結(jié)論，說明利用該平臺進(jìn)行電氣工程與自動化專業(yè)工程研究型畢業(yè)設(shè)計課題是可行的，與學(xué)生的知識水平是相適應(yīng)的，在提高學(xué)生實踐能力方面是有效的。

4.5整個畢業(yè)設(shè)計過程說明，目前軟件環(huán)境和硬件環(huán)境能滿足畢業(yè)設(shè)計要求。

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