基于“電機學”實驗室教學利用實驗平臺的本科畢業設計初探

郝雯娟

摘 要： 在傳統實驗教學以外，應充分發揮實驗設備的作用，嘗試利用“電機學”實驗教學用設備及平臺，完成電氣工程專業學生的本科畢業設計。學生在搭建好MATLAB/SIMULINK電氣模型的基礎上，采用交流電機控制系統實驗平臺進行實時實驗，取得理想的結果。實踐表明，利用實驗教學用平臺進行畢業設計是可行的，能夠幫助學生更深入地理解和應用課程知識，真實地了解實驗過程，有效提高學生的實踐能力，同時充分利用教學資源，節約教學成本。

關鍵詞： 電機學實驗室 本科畢業設計 交流電機控制系統實驗平臺

1.引言

畢業設計作為大學期間的最后學習，是學生運用所學知識和能力獨立進行的一次綜合訓練，其質量直接反映出高校畢業生的綜合素質和所在高校該專業的辦學水平[1]。電氣工程及其自動化專業本科教育的目標是培養具有堅實理論基礎和創新能力，能較系統地掌握電工技術、電子技術、控制理論和計算機應用技術與寬廣專業知識，并具備一定的科技開發和科學研究能力的高級工程技術人才，可見電氣工程及其自動化專業，具有強電與弱電結合、軟件與硬件結合、元件與系統結合、運行與制造結合的特點。上述特點決定了畢業設計在該專業的培養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電機控制方向畢業設計課題主要通過軟件仿真完成，如果進行實驗驗證，則一方面需要DSP軟件編程，另一方面需要設計和制作功率硬件電路，并在此基礎上進行調試，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都有電機學和電機調速實驗室，可以完成基本的電機學實驗和電機調速實驗，也有部分高校開發了電氣專業綜合性實驗平臺，可以完成綜合性實驗[2]。本院有多套電機及其控制系統實驗裝置，實驗功能齊全，確保了相關理論課程的實驗開出率，同時有兩套交流電機控制系統實驗平臺，由于設備復雜不適合所有學生的基礎實驗，只用于實驗教學中的演示環節。但是該設備資源并沒有得到充分利用，讓電氣工程與自動化專業本科生在實驗室里利用交流電機控制系統實驗平臺完成畢業設計，培養學生的動手實踐能力，是目前教學中需要研究和探討的問題。

2.交流電機控制系統實驗平臺的特點

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

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

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

3.畢業設計實例

直接轉矩控制DTC （Direct Torque Control）變頻調速技術是近十幾年來繼矢量控制變頻調速技術之后發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術。其控制思想新穎，動靜態性能優良，得到越來越廣泛的應用[6]。所以將異步電機直接轉矩控制交流電機系統的實現作為畢業設計內容，不但能全面檢查學生的對電機學、電力電子技術、自動控制原理及電力拖動自動控制系統等課程的學習情況，而且能很好地鍛煉學生綜合應用和掌握專業知識的能力。該設計要求學生從異步電動機的數學模型出發，推出在定子坐標系下直接控制定子磁鏈和轉矩的控制規律。再利用空間矢量的概念，推導出直接轉矩控制系統中電壓空間矢量的選擇規則，采用圓形磁鏈軌跡控制方法，然后搭建基于MATLAB/SIMULINK 軟件的異步電機直接轉矩控制系統（DTC）模型，對系統調速性能進行仿真驗證和分析。最后在NMCL-13B 交流電機控制系統實驗平臺上，構建出DSP控制的高性能變頻調速系統硬件控制平臺，在該平臺上進行實驗調試，分析其運行情況。

3.1 控制系統仿真模型及結果

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

3.2 控制系統實驗實現

學生在搭建好仿真模型并通過仿真結果驗證后，就可以利用NMCL-13B交流電機系統平臺進行實驗。

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、保護電路及與DSP通訊電路。所有硬件都固化在實驗箱內，學生可以在系統了解硬件平臺后，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運行。并且可以通過如圖5所示實時實驗控制界面實時調節算法參數和觀測實驗波形。

從圖5可以看出，該界面可以調節轉速環放大器系數、滯環比較器轉矩系數、磁鏈寬度系數、IPM開關頻率及給定轉速等；可以觀測電機實際轉速波形、三相電流波形以及磁鏈波形等。此外，還可以在MATLAB環境下觀測電機轉速等變量的波形，如圖6所示為實際轉速波形。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控制系統實驗平臺可以實現直接轉矩控制算法，結果正確。

以上仿真和實驗表明，本次畢業設計利用MATLAB軟件和交流電機控制系統實驗平臺，很好地實現了異步電機直接轉矩控制，完成了畢業設計要求的內容。

4.結語

本文通過畢業設計實例——異步電機直接轉矩控制系統，實現介紹NMCL-13B交流電機控制系統實驗平臺在電氣工程與自動化專業畢業設計中的應用，該初步嘗試可總結出以下幾點：

4.1學生通過該次畢業設計，將所學專業知識內容重新整理一遍，并使之系統化、綜合化，這是畢業設計的目的之一。

4.2學生利用MATLAB搭建控制系統電氣模型及進行仿真分析的過程，可培養學生獨立獲取知識的能力，同時提高學生借助于計算機解決工程實際問題的能力[7]。

4.3學生在仿真驗證正確的基礎上，利用交流電機控制系統實驗平臺進行控制系統實驗，通過搭建硬件電路及動手實驗，系統學習功率電路硬件知識及DSP應用的基本知識，有效提高學生的創新能力和分析問題解決問題的能力及實驗實踐能力。

4.4學生利用交流電機控制系統實驗平臺完成畢業設計任務，實驗結果與仿真結果基本一致，得出正確結論，說明利用該平臺進行電氣工程與自動化專業工程研究型畢業設計課題是可行的，與學生的知識水平是相適應的，在提高學生實踐能力方面是有效的。

4.5整個畢業設計過程說明，目前軟件環境和硬件環境能滿足畢業設計要求。

參考文獻：

[1]李廣凱，李庚銀等. 電氣工程及其自動化專業畢業設計研究[J].南京：電氣電子教學學報，2003，25（5）：101-103.

[2]李曉宇，胡天友等. 電氣自動化專業綜合實驗改革與探索[J].上海：實驗室研究與探索，2006，25（6）：

[3]單建奮，范華民. 電機實驗室改革的思路與實踐[J].上海：實驗室研究與探索，1996，2（2）：115-117.

[4]陳艷寧，楊軍. 電機實驗室建設的探索與實踐[J].南京：電氣電子教學學報，2001，23（1）：67-68.

[5]方志，郝麗麗. MATLAB/SIMULINK在電氣工程類專業畢業設計中的應用[J].北京：中國電力教育，2007，管理論叢與教育研究專刊：453-455.

[6]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統—運動控制系統第四版[M].北京：機械工業出版社，2010.

[7]張建峽，楊勇. 電壓空間矢量調制的交流調速技術的仿真教學[J].北京：實驗技術與管理，2006，23（9）：86-89.