Flux與Simulink聯(lián)合仿真在電機(jī)驅(qū)動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：現(xiàn)實(shí)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制需要搭建電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，并設(shè)計(jì)電機(jī)控制器，過(guò)程較為復(fù)雜、繁瑣，成本較高，對(duì)學(xué)生的要求也較高。為了提高電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，介紹了Flux與Simulink聯(lián)合仿真的方法，闡述了該方法的優(yōu)點(diǎn)及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，在電氣工程專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用Flux與Simulink聯(lián)合仿真功能非常有必要，無(wú)論對(duì)學(xué)生加深對(duì)電機(jī)、電力電子、控制理論等學(xué)科知識(shí)的理解，還是對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的掌握，均能取得積極效果。

關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動(dòng)；Flux；Simulink；聯(lián)合仿真

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）35-0084-02

“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”是廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的一門重要課程。與其相關(guān)聯(lián)的課程較多，其中電機(jī)學(xué)是一門電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論較深且內(nèi)容抽象，學(xué)生普遍反映不容易掌握；而電力電子技術(shù)也作為該專業(yè)的基礎(chǔ)課，雖然內(nèi)容容易理解，但較為瑣碎，且難于與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合。因此，學(xué)生們覺得以這兩門課程為基礎(chǔ)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的理解與掌握更加困難。通過(guò)不斷的科研實(shí)踐，作者摸索出可以采用Flux與Simulink聯(lián)合仿真的方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法。

一、“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”課程特點(diǎn)及電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”的課程特點(diǎn)

“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”是一門專業(yè)性較強(qiáng)的綜合性課程，涉及的多學(xué)科多門類，包括：數(shù)學(xué)、物理、電路、電磁場(chǎng)、電機(jī)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等。一方面，由于學(xué)生不一定所有相關(guān)課程都系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)，即使學(xué)過(guò)也不一定掌握；另一方面，由于被控對(duì)象——電機(jī)比較抽象、復(fù)雜、難懂，無(wú)形中給學(xué)生形成了一種無(wú)形的障礙，他們普遍感覺該課程比較難入門，更談不上深入理解和熟練掌握。

根據(jù)已經(jīng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)收獲，筆者認(rèn)為該課程不宜從局部入手，過(guò)分強(qiáng)調(diào)某一必要技術(shù)知識(shí)的重要性，而應(yīng)該著眼全局，綜合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。在進(jìn)行系統(tǒng)分析的過(guò)程中，不推薦全局性的泛泛而談，也不主張單純的紙上談兵，而應(yīng)該按照某一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)）系統(tǒng)的功能框圖，將系統(tǒng)分成若干部分或子系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)的講解。

目前高性能的工業(yè)控制領(lǐng)域使用最多的電機(jī)為永磁同步電機(jī)，下面將對(duì)永磁同步電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)和控制器硬件系統(tǒng)進(jìn)行初步的介紹。

2.電機(jī)測(cè)試平臺(tái)

電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)[1]通常由被測(cè)電機(jī)及其控制器、負(fù)載電機(jī)及負(fù)載電機(jī)變頻器、扭矩傳感器、供電電源、平臺(tái)底座、連軸器及其它機(jī)械部件通過(guò)有機(jī)連接而成。圖1為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖。

由圖可見，電機(jī)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)組成復(fù)雜，造價(jià)高。同時(shí)，被測(cè)電機(jī)、扭矩傳感器、連軸器和負(fù)載電機(jī)要求同軸連接，這無(wú)疑對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的技能和經(jīng)驗(yàn)提出較高要求。此外，對(duì)于大功率電機(jī)系統(tǒng)通常工作電壓較高，實(shí)驗(yàn)人員需要注意用電安全；對(duì)于高速電機(jī)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件（包括螺栓、螺母等）需要加以安全防護(hù)。

3.被測(cè)電機(jī)控制器

圖2為通常的電機(jī)控制器[2]結(jié)構(gòu)圖，它包括控制板及控制板電源、驅(qū)動(dòng)板及其供電電源、通信單元、多種傳感器（電流傳感器、速度位置傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等）及保護(hù)電路等，可見電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。

二、優(yōu)化“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)方法，巧用Flux與Simulink聯(lián)合仿真功能

1.“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)方法優(yōu)化

眾所周知，興趣是最好的老師。如果對(duì)于某門課程學(xué)生毫無(wú)興趣，即使老師教案寫得再認(rèn)真，備課再充分，講課再精彩，學(xué)生也只會(huì)被動(dòng)地學(xué)習(xí)而不會(huì)主動(dòng)地學(xué)習(xí)。而“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”作為一門對(duì)動(dòng)手能力要求很高的課程，如果只是課堂聽講而缺乏課外學(xué)習(xí)，則無(wú)法收到理想的學(xué)習(xí)效果。

所以教授“電機(jī)驅(qū)動(dòng)”這門課程的首要任務(wù)為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性。在課程學(xué)習(xí)伊始，可以從學(xué)習(xí)本課程的意義和課程的應(yīng)用價(jià)值著手，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如可以在第一節(jié)課時(shí)，強(qiáng)調(diào)“為了成為未來(lái)工控領(lǐng)域的工程師，掌握電機(jī)控制必不可少”這一觀點(diǎn)，并且要向?qū)W生介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，包括家電行業(yè)中的電冰箱、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、吹塵器、空調(diào)等，工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器人、電動(dòng)汽車、地鐵、機(jī)床、風(fēng)機(jī)等，軍事應(yīng)用中的雷達(dá)、電磁彈射、多軸伺服聯(lián)動(dòng)、舵機(jī)伺服系統(tǒng)等，以及消費(fèi)電子領(lǐng)域的隨身聽、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電機(jī)、打印機(jī)、投影儀等。讓學(xué)生覺得電機(jī)驅(qū)動(dòng)并不遙遠(yuǎn)，普遍存在于日常應(yīng)用中。

然后再考慮如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)具有的課程內(nèi)容。可以以典型的實(shí)際應(yīng)用作為例子，綜合應(yīng)用多種教學(xué)手段和方法，多方面多渠道地向?qū)W生講解。例如先播放一段關(guān)于介紹火箭與舵機(jī)伺服系統(tǒng)的視頻，采用多媒體手段讓學(xué)生了解到在火箭的舵機(jī)系統(tǒng)中可以利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)火箭的飛行姿態(tài)，從而激發(fā)了學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。再通過(guò)傳統(tǒng)板書的方式在黑板上繪制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的流程圖，詳細(xì)地加以解析，使學(xué)生了解電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和功能。再用PPT全面介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理，同時(shí)介紹控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的搭建和控制的流程，這樣學(xué)生對(duì)系統(tǒng)整體有了初步的了解。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)電機(jī)仿真軟件（Ansoft，Ansys，Simploe和Flux）對(duì)被控電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行仿真分析，并向?qū)W生展示電機(jī)的仿真結(jié)果，使學(xué)生對(duì)電機(jī)的工作原理和特性有較直觀的了解；對(duì)控制系統(tǒng)的性能介紹則可以借助Matlab軟件，應(yīng)用Simulink子系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)控制流程搭建模型，并通過(guò)仿真分析系統(tǒng)性能，通過(guò)展示使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)也有全面的了解。

四、結(jié)論

通過(guò)介紹、對(duì)比了實(shí)際的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與通過(guò)Flux和Simulink聯(lián)合仿真的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，顯示出后者的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

（1）可以通過(guò)Flux及時(shí)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)；

（2）可以方便修改電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)；

（3）可以通過(guò)Simulink為電機(jī)控制器添加任意控制算法；

（4）不存在潛在的實(shí)驗(yàn)安全隱患，實(shí)驗(yàn)成本低。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明：Flux和Simulink聯(lián)合仿真可以激發(fā)學(xué)生對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的學(xué)習(xí)興趣，提高他們理論聯(lián)系實(shí)際的能力，明顯改善教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）