“電機與拖動”的創(chuàng)新性教學改革研究

潘慧慧 丁方莉 高鵬

摘要：為解決《電機與拖動》課程傳統(tǒng)教學中理論知識固定、學生實驗動手能力較差等問題，在理論教學中引入Matlab/ Simulink仿真軟件和終端滑模控制理論，學生在學習先進的控制理論的同時，可以提高自身的編程能力；在實踐教學中引入半實物仿真實驗平臺，可以提高學生實驗的積極性和實踐動手能力。創(chuàng)新的教學模式不僅能夠加強學生對該課程理論知識的理解，而且能夠拓寬學生的知識面，鍛煉學生的編程能力。

關(guān)鍵詞：電機；終端滑?？刂?；Matlab 軟件

《電機與拖動》是各大本科院校電氣類專業(yè)學生的一門核心課程。該課程主要介紹了電機與拖動的基礎(chǔ)理論和相關(guān)知識，具有比較強的理論性及實踐性；同時還涉及到電磁學、數(shù)學、力學等多門學科，是一門具有綜合性、應用型等特點的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]。延續(xù)傳統(tǒng)的教學方式無法取得理想的教學效果，且與新工科人才的培養(yǎng)目標不相符合[2]。因此，筆者針對這門課程的教學，提出了一些新穎的教學方式和教學內(nèi)容，在提高學生學習電機與拖動這門課程興趣的同時，拓展學生的知識結(jié)構(gòu)，提高學生的編程能力，培養(yǎng)學生的動手操作能力。本文以永磁同步電機的位置控制系統(tǒng)為例，就“電機與拖動”課程如何進行教學改革，從下文給出的三個方面進行簡要闡述。

永磁同步電機是由定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體和端蓋等部件組成，其憑借結(jié)構(gòu)簡單、效率高、低碳節(jié)能等優(yōu)勢，被廣泛運用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。通常情況下，定子繞組線圈采用星型連接的方式，以降低附加損耗。永磁同步電機的數(shù)學模型表示如下：

其中，、分別表示定子電流、軸分量，、分別表示定子電壓、軸分量，表示定子電阻，表示定子電感，表示極對數(shù)，表示轉(zhuǎn)子機械角位置，表示轉(zhuǎn)子機械角速度，表示磁通，表示電機負載轉(zhuǎn)矩，表示轉(zhuǎn)動慣量。

一、引入Matlab/Simulink仿真軟件

目前，在大多數(shù)普通本科院校中，《電機與拖動》這門課程總課時為56課時，其中實驗是10課時。筆者提出將Matlab/Simulink仿真軟件引入到課堂教學中。以講述電機控制原理為例，結(jié)合課本中的理論知識和Simulink工具箱中自帶的永磁同步電機模塊進行講解，圖1所示的是永磁同步電機模塊。根據(jù)圖1可知，在永磁同步電機模塊中需要設(shè)置電機的定子繞組電阻、電樞電感、磁鏈、磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量及初始條件等相關(guān)參數(shù)。

引導學生利用Matlab/Simulink軟件，并結(jié)合《控制電機》課程中已學到的Park變換和Clark變換的相關(guān)知識，繪制出圖2給出的永磁同步電機位置跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。目前大多數(shù)永磁同步電機位置跟蹤控制系統(tǒng)使用位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán)三環(huán)控制方式。本文，將位置環(huán)與速度環(huán)相結(jié)合，設(shè)計永磁同步電機位置跟蹤控制系統(tǒng)的位置-轉(zhuǎn)速控制器。

根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)框圖，指導學生運用Simulink搭建永磁同步電機位置跟蹤控制系統(tǒng)的仿真模型，加深學生對電機控制理論知識的理解掌握，同時能夠鍛煉學生的編程能力。

二、引入終端滑?？刂评碚?/p>

傳統(tǒng)PI控制器因結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等特點，被廣泛應用于永磁同步電機的控制系統(tǒng)中。但傳統(tǒng)PI控制器無法滿足現(xiàn)代工業(yè)控制的高標準和高要求，這是由于永磁同步電機具有時變、強耦合等非線性特性。在傳統(tǒng)的教學中，授課老師對先進控制理論的講述很少，導致學生對先進控制理論知之甚少。在《電機與拖動》的教學中引入目前比較熱門的控制理論之一，即：終端滑?？刂评碚?。向?qū)W生傳授新的控制理論知識的同時，引導學生從理論學習向研究性學習的轉(zhuǎn)變，提高學生的科研能力。

滑?？刂剖怯汕疤K聯(lián)學者 Emelyanov 首次提出，后經(jīng) Utkin 等學者深入研究而發(fā)展出來的一種非線性控制方法[3]。在滑?？刂评碚撗芯砍跗?，滑模面大多設(shè)計為線性滑模面。然而，基于線性滑模面的滑?？刂浦荒苁沟孟到y(tǒng)狀態(tài)漸近收斂到平衡位置。為進一步提高系統(tǒng)的收斂特性，Zak提出了終端吸引子的概念[4]。Venkataraman 等將其引入到滑模面的設(shè)計中，提出了終端滑?？刂扑惴╗5]。終端滑模控制由于具有滑?？刂坪陀邢迺r間控制的雙重優(yōu)勢，已廣泛應用于電機、工業(yè)機器人、航天飛行器及多智能體等多個領(lǐng)域[6-8]。

教學過程中，首先向?qū)W生介紹終端滑?？刂频母拍?，然后介紹幾種常見的終端滑模面表達形式。傳統(tǒng)的終端滑模面可以表示如下

接下來，重點給學生們講述以上兩種終端滑模面的收斂特性，讓學生對終端滑?？刂评碚撚羞M一步深入的了解。同時，指導學生將快速終端滑模控制算法運用到永磁同步電機控制系統(tǒng)的位置-轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計中。

指導學生使用Matlab/Simulink仿真軟件完成位置-轉(zhuǎn)速控制器（10）的編程，加強學生對電機控制和終端滑?？刂评碚摰睦斫狻?/p>

三、引入電機控制的半實物仿真實驗平臺

《電機與拖動》是一門實用性比較強的課程，因此在教學過程中需要注重對學生動手實踐能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)有的多數(shù)電機控制實驗平臺是針對單片機或DSP進行編程，這對于普通本科院校的學生而言有較大的難度，這也是目前部分學生在做電機與拖動這門課程相關(guān)實驗參與度不高的重要原因。為提高學生實驗課的參與度，本文引入圖3所示的半實物仿真實驗平臺到實踐教學中。該平臺是基于 TI TMS320F28335 DSP 和 Matlab/ Simulink軟件開發(fā)出來的，其是由電機對托平臺和硬件在回路控制測試仿真系統(tǒng)組成的實驗平臺，如圖3所示。該實驗平臺可以實現(xiàn)電機位置控制仿真、轉(zhuǎn)速控制仿真、矢量變換等實驗內(nèi)容，可作為《電機與拖動》課程的實驗平臺。該半實物仿真實驗平臺無需針對DSP進行編程，其能夠?qū)⒃贛ATLAB/Simulink中搭建的仿真模型轉(zhuǎn)化為DSP可識別的C語言，使編程過程大大簡化，降低了學生實際動手操作的難度，能夠有效提高學生動手實驗的積極性，提升課程的教學質(zhì)量。

四、結(jié)論

本文以永磁同步電機位置控制為例，闡述了“電機與拖動”課程中創(chuàng)新的教學內(nèi)容和方式，可以獲得如下教學效果：

（1）在理論教學中引入Matlab仿真軟件，使得教學過程更加形象和直觀，有助于學生更好地理解該課程的知識要點和難點，提高學生對課程學習的興趣和積極性。

（2）將終端滑?？刂评碚撘胝n堂教學中，讓學有余力的同學了解先進的控制理論和相關(guān)技術(shù)，拓寬學生的知識面。

（3）將半實物仿真實驗平臺引入實踐教學中，有利于引導學生從理論學習向?qū)嵺`研究性學習的轉(zhuǎn)變，提高學生的實踐動手能力。

參考文獻：

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基金項目：安徽省高等學?？茖W研究項目“不確定非線性有限/固定時間穩(wěn)定滑模控制策略研究”（2022AH051759）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持項目“有限時間收斂抗擾控制在機載光電載荷中的應用研究”（gxyq2022094）；安徽省高等學?？茖W研究項目“基于擴展狀態(tài)觀測器的交流伺服系統(tǒng)復合控制策略研究”（2022AH051752）；安徽省銅陵學院人才科研啟動基金項目“基于數(shù)據(jù)驅(qū)動理論的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)無模型滑?？刂撇呗匝芯俊保?022tlxyrc33）；安徽省銅陵學院人才科研啟動基金項目“不確定機器人的有限時間滑模跟蹤控制研究”（2022tlxyrc34）

作者簡介：潘慧慧（1989—? ），女，江蘇大豐人，博士，銅陵學院電氣工程學院講師，研究方向：終端滑模控制、機電控制。