基于模型設計的方法在電力拖動自動控制系統實驗教學中的應用

高寧宇 楊慧

摘 要 為了提高電力拖動自動控制系統課程的教學效率，將基于模型設計的方法應用于該課程的綜合性和研究性實驗教學中。以三相異步電動機矢量控制調速系統為教學實例，實現Simulink模型構建、C程序代碼自動生成、硬件實驗平臺驗證。經過實踐，教學效果顯著，基于模型設計的方法有助于學生工程實踐能力與創新能力的培養。

關鍵詞 電力拖動自動控制系統；基于模型設計的方法；MAT-LAB；Simulink；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）22-0118-04

Application of Model-Based Design in Experimental Teaching of Electric Drive Automatic Control System//GAO Ningyu， YANG Hui

Abstract In order to improve the teaching effect of the electric drive automatic control system course， a model-based design method is applied to the comprehensive and research experiments for this course. The ac asynchronous motor vector control system is used as a teaching case， the paper introduces the whole development process including the model building， the code generation， and the hardware experimental verification. The result of the teaching reform is significant， which show that students engineering practice ability and innovation ability have been greatly improved.

Key words electrical drive and automatic control system; method of?model-based design; MATLAB; Simulink; experimental teaching

0 引言

電力拖動自動控制系統課程在電氣工程及其自動化專業課程體系中是一門核心專業課，已成為電機學、自動控制理論、電力電子技術、信號檢測與處理技術、計算機控制技術、微電子技術等多門學科相互交叉的綜合學科[1]。該課程具有理論性強、與工程實踐聯系密切的特點，因此，實驗教學在教學活動中具有重要地位。工程上大多數電動機控制系統是基于DSP實現的，目前，課程的實驗教學受到學時、實驗場地等因素的制約，學生只能完成一些簡單的驗證性實驗或者MATLAB/Simulink仿真實驗項目，不利于工程實踐能力與創新能力的培養。本文在課程實驗教學過程中引入基于模型設計（Model-Based Design，MBD）的方法，用于綜合性和研究性實驗項目，以提高實驗質量與效率，使學生具備解決電機控制領域復雜工程問題的能力。

1 基于模型設計的方法

MBD出現于20世紀90年代，是一種軟件開發流程，是將MATLAB/Simulink仿真技術與代碼生成技術的有機融合，被廣泛運用于汽車電子信號處理、工業控制、通信等行業 [8-9]。

MBD把模型設計作為整個開發流程的核心，以MATLAB/Simulink作為開發平臺，利用Simulink和CCS聯合仿真技術，實現電機控制系統Simulink仿真模型到C程序代碼自動生成、編譯、下載、測試。在這一開發流程中不需要手寫代碼，即可完成仿真驗證和硬件實物驗證。

MBD的開發流程如圖1所示。首先，根據項目需求確定電動機控制策略，搭建MATLAB/Simulink仿真模型并調試與優化；其次，仿真成功后，在仿真模型基礎上保留控制算法部分，將模型的信號源和信息接收部分模塊轉換為輸入輸出端口，實現算法模型與底層驅動的集成，構建基于DSP的代碼模型；再次，使用Simulink中嵌入式編碼器（EmbeddedCoder）工具自動生成為C代碼、調用CCS，程序代碼在CCS環境下編譯、下載到電機控制目標板卡；最后，在實驗平臺上進行測試和驗證[10-11]。

2 實驗平臺

交流電機控制系統的實驗平臺由整流電路、三相逆變器、三相異步電動機、驅動電路、DSP電機控制器、增量式光電編碼器、計算機等組成，如圖2所示。利用PC機上的MATLAB/Simulink平臺搭建電動機控制系統仿真模型并進行實時仿真，不斷驗證算法的可靠性。PC機通過XDS510仿真器與DSP連接進行通信，將MATLAB/Simulink平臺中的系統仿真模型生成C代碼并下載到DSP板中運行。

根據實驗室條件，MBD被用于交流電動機電力拖動實驗教學中，可增開實驗項目有：基于SPWM開環變壓變頻調速系統的實驗；基于SVPWM開環變壓變頻調速系統的實驗；基于馬鞍波脈寬調制的開環變壓變頻調速系統的實驗；三相異步電動機矢量控制變頻調速系統的實驗；三相異步電動機直接轉矩控制變頻調速系統的實驗。學生通過這些項目的鍛煉，可以實現將電機控制技術理論知識、仿真驗證與工程實際相結合。同時，MBD在課程實驗教學中的應用，可以拓寬實驗項目的數量與種類。

3 實驗教學實例

下面以三相異步電動機矢量控制（Vector Control，簡稱VC）系統為例，說明MBD在電力拖動自動控制系統實驗教學中的應用。

3.1 VC實驗原理

三相異步電動機VC系統原理結構圖如圖3所示，主要由坐標變換、SVPWM生成模塊、轉子磁鏈Ψr計算模型、轉速調節器ASR、Ψr調節器AΨR、定子電流勵磁分量調節器ACMR、定子電流轉矩分量調節器ACTR、轉速傳感器FBS等組成。

3.2 基于模型設計的實驗流程

3.2.1 搭建三相異步電動機VC系統的仿真模型 根據圖3建立三相異步電動機VC系統的仿真模型，如圖4所示。系統可以分成主電路和矢量控制兩部分。主電路部分由直流電源Udc、逆變器（inverter）、異步電動機（asynchronous machine SI units）和電機測量（machine demux）等模塊組成。其中，實驗電動機參數為：定子電阻Rs=1.115 Ω，轉子電阻Rr=1.083 Ω，定子電感轉子電感Lsl=0.005 974 H，轉子電感Llr=0.005 974 7 H，定轉子互感Lm=0.203 7 H，轉動慣量J=0.02 kg·m2，極對數np=2，額定電壓UN=380 V，額定頻率fN=50 Hz，額定轉速nN=1460 r/min；逆變器采用SVPWM控制，開關頻率為5 kHz，直流電源Udc=510 V。

設置電動機參數和PI控制器參數后，對系統模型進行動態仿真。仿真條件為給定轉速120 rad/s，電機空載起動，t為1 s時負載轉矩加載為5 N·m，仿真結果如圖5所示，仿真結果反映系統具有較快的動態響應速度和較好的抗干擾能力。

3.2.2 建立基于DSP處理器的Simulink代碼模型與代碼生成 仿真正確后，在圖4仿真模型的基礎上，刪除三相異步電動機和外部主電路，保留控制算法部分和相關驅動模塊添加DSP的外設模塊，與控制算法部分的I/O端口相連。實驗平臺的電機控制芯片是TI公司的TMS320F2812，在Simulink庫中利用目標選擇模塊（C2000 Target Pre-ferences）選擇F2812 eZdsp模塊，該模塊用于設置DSP

2812目標板卡型號、時鐘頻率、仿真器及處理器等參數。TMS320F2812芯片的各個外設模塊如ADC、QEP、ePWM、eCAN等均以模塊化的形式集成在Simulink的C2000系列的硬件支持包里。經過正確配置各模塊參數及系統參數后，得到基于DSP處理器的Simulink完整的代碼模型，如圖6所示。

Simulink代碼模型建立后，利用嵌入式編碼器（EmbeddedCoder）工具，將Simulink代碼模型自動生成實時C代碼，并自動鏈接CCS，經過編譯生成DSP可執行的程序代碼文件（.out）。

3.2.3 硬件實驗平臺驗證 將可執行的程序代碼文件下載到DSP實驗板卡上運行，實驗平臺如圖7所示。觀察運行結果，實驗波形如圖8所示。從實驗波形可以看出，實驗結果符合理論分析和工程要求，也充分說明了MBD應用于電力拖動自動控制系統實驗教學過程中的可操作性和高效性。

3.3 實驗評價

課程實驗教學過程由實驗預習、教師講解、學生實驗操作、實驗驗收、實驗評價五個階段組成。在實驗預習環節，教師通過課程學習QQ群上傳基于模型設計的相關預習資料，學生自主學習，并根據實驗指導書完成預習；教師分解實驗任務，介紹實驗平臺，并解答學生在預習環節存在的疑問；學生自主分組、分工合作，完成全部實驗內容；最后，教師進行驗收，學生撰寫總結報告。實驗評價重視過程性評價，從實驗預習報告、實驗過程、實驗成果驗收、實驗總結報告四個方面進行評價。實驗預習占20%，考核系統方案的正確性、電路原理圖設計的規范性、仿真軟件設計的合理性與驗證正確性、報告撰寫的規范性。實驗過程占30%，實驗人數2～3人一組，考核對基本知識的掌握程度、分析和解決問題的能力、自主思考和獨立實踐能力，由組員協商，按照分工情況和貢獻程度進行分配。實驗成果驗收與總結報告占50%，考核實驗完成程度，調試步驟和運行效果的完整性、正確性，調試現象的描述、分析與解釋。

4 結束語

本文以三相異步電動機VC系統為例，采用基于模型設計的方法實現從算法設計到硬件平臺運行的所有階段。基于模型設計方法的應用不僅避免了手寫代碼，提高了實驗教學的質量與效率，拓展了實驗項目的數量，而且加深了學生對電動機控制技術理論知識的理解，激發了學生自主學習的興趣，促進了創新能力的培養，提高了學生工程素養和解決電機控制領域復雜工程問題的能力。

參考文獻

[1]阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統：運動控制系統[M].5版.北京：機械工業出版社，2016.

[2]劉杰.基于模型的設計及其嵌入式實現[M].北京：北京航空航天大學出版社，2017.

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[4]劉曉東，邴冰天，李偉，等.基于代碼生成技術的永磁同步電機無傳感器控制[J].微電機，2019，52（10）：98-102.

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