高校電氣傳動控制專業課程教材建設探索

袁登科 張文豪 朱琴躍 方春華

同濟大學電子與信息工程學院 上海 201804

社會的不斷發展對人才的需求是與時俱進的，因而高校人才的培養始終是一個更新著的話題，其中的一個表現就是專業課程教材的不斷更新[1]。本文以電氣傳動控制專業課程為例探索專業課程教材《永磁同步電動機變頻調速系統及其控制》的建設之路。

1 電氣傳動控制教材的新需求

以電氣工程專業為例，電力電子與電力傳動方向的內容在汽車行業內始終發揮著非常重要的作用，特別是近二十多年來國內電動汽車行業從萌芽到日漸繁榮，時至今日電動汽車已成為世界主要國家大力發展的行業之一。在電動汽車的各類驅動電機中，永磁同步電動機以其高功率密度、高效率等優點成為了驅動電機的首選。因此，圍繞永磁同步電動機的工作原理、控制及應用技術就需要建設更加合適的教材以滿足新時代學生和工程師的迫切需要。而目前這方面的教材還比較少，因此非常有必要面向新的需求建設配套的專業教材。

永磁同步電動機除了在電動汽車領域發揮作用，還在風力發電、軌道交通等領域發揮的作用日益明顯。這些不同的領域需要的人才也是來自于各專業方向的，所以與此相關的不同專業方向(如車輛工程、機電一體化等)的高校學生或是一線工程師也需要合適的著作向他們提供專業知識的指導。所以電氣傳動控制教材的建設也要考慮到相關多個專業學生的實際情況，他們也是教材的受益者[2]。

2 制定進階學習目標

面向不同專業學生的不同需求，有必要制定不同等級的學習目標并劃分出對應的內容。因此，針對教材《永磁同步電動機變頻調速系統及其控制》，擬定了入門級、基礎級和提高級三個不同等級的學習目標及各等級應掌握的內容，表1列舉了部分內容。

表1 教材的進階學習內容劃分

表1中三個等級的總體劃分標準解釋如下：入門級主要是要求學生應該理解的一些基本概念和術語及規律(企業內與汽車電控系統有一定關聯的職員應達到的水平)；基礎級的要求更高一些，是要求學生應該在入門級水平的基礎上，要理解更復雜一些的規律并具有一定的分析能力(企業中與電控直接關聯的職員需要掌握的內容)；提高級則是要求學生在基礎級水平的基礎上，爭取做到理論聯系實際，將永磁同步電動機控制的理論知識應用到實際的物理系統中去，并促成實際問題的解決(企業中有經驗的電機控制工程師應達到的水平)。

3 面向學生新需求的永磁同步電機控制教材的建設

上述教材已經出版了第一版，到目前為止已經印刷了七次，說明教材的內容得到讀者一定程度的認可。目前已經修訂好第二版并且正在出版過程中，在第二版的修訂中著重考慮了以下幾點：

3.1 著眼理論結合實際，完善部分內容

為了更好地踐行理論聯系實際，助力讀者更好理解永磁同步電機的控制，修訂中補充了電機應用中的一些內容。如第15章電機參數獲取及典型實驗內容，便于讀者把一臺實際的電機與教材介紹的數學模型及諸多變量更好地聯系到一起，更好地理解參數的物理意義及其在電機運行中的相互聯系。又如補充的電機效率MAP圖和逆變器效率計算(第10章最后)的內容，一方面把整個電控系統的效率闡述的更加完整，另一方面也給讀者提供了分析電控系統工作效率的具體思路。其他章節主要補充內容見下表2，表中也給出了相應的說明。

表2 第二版教材各章節的主要補充內容

其中關于永磁同步電機矢量控制系統的五要點分析法是作者針對PMSM矢量控制與分析的方法性總結。這里再簡要說明兩點：要點1——轉矩控制是核心(電機調速系統的核心問題是控制電機的轉矩)；要點2——id、iq的控制是兩個關鍵(電機是一個具有確定屬性的對象，對于電機的轉矩控制，id與iq兩個變量的控制是關鍵，這兩個電流閉環控制得好，那么轉矩的控制性能就可以得到保證)。

3.2 MATLAB配套程序的更新

該教材與MATLAB及SIMULINK建模與仿真結合較多，但是新版本軟件(2018b)對老版本軟件(2009a)的函數及命令的兼容性下降，所以按照新版本軟件支持的命令對教材相應內容進行了修訂，省去了用戶在不同版本對照中花費的時間與精力。另外，新版本中的SIMULINK模塊也有較多地更新，修訂中也對此做了相應的說明。其次還有SIMULINK仿真波形的繪制，第一版教材中普遍都是默認的黑色底色的淺色曲線波形，對比度不是很好，借此修訂的機會，正文部分的絕大部分圖片都修改成了白色底色的深色曲線波形，波形顯示的效果會更佳。

3.3 電機控制典型微控制器的介紹

新版本教材補充了典型的電機控制用微控制器(如TI公司的TMS320F2812和英飛凌XMC1000、4000系列單片機)內容，并且兩者都支持MATLAB以MBD(基于模型開發)方式進行電機控制軟件的開發，特別是后者同時支持在DAVE集成開發環境中以類似SIMULINK的拖拉式圖形化建模，必須選擇DAVE CE project項目類型，如圖(a)所示，降低了電機控制系統開發的難度，使學生快速上手并建立信心，有利于整體項目的完成。建立CE project類型的項目后，可以很方便地在軟件中通過搜索相關APP的方式實現特定功能的編程，如圖(b)所示，搜索到了PWM_SVM[4.0.26]的APP，將其添加到項目后，通過簡單的對話框方式設置合適的參數后就可以完成空間矢量調制(SVM)的軟件編程了。

(a)CE PROJECT項目

(b)SVM APP的添加DAVE中APP方式的項目及SVM的APP添加圖

3.4 教材部分內容的刪減

電機的內容涉及電、磁、機械、力、熱等諸多方面，一本教材可以闡述的電機方面的內容是極其有限的。該教材主要是圍繞永磁同步電機最基本的控制技術編寫的，所以第二版中刪去了對無傳感器及智能控制技術簡單介紹的內容(第15章和第16章)，讀者可以參閱其他的專業書籍，同時補充了電機參數與典型實驗的內容(第二版第15章)，以便讀者把理論知識與一臺實際的永磁同步電機密切聯系在一起。

第一版教材第8章關于逆變器的組成部件的描述篇幅過多，因此刪去一部分。另外附錄E、F及G都是與C語言相關的程序代碼，修訂中刪去了這三部分；附錄H是按照基于模型開發(MBD)的方式為DSP開發的模型代碼，但是建模方式有些過時，因此做了改進。

4 待改進的地方

基于前面的描述，第二版已經做了不少的改進，但是由于修訂時間比較緊迫，仍有一些工作仍未很好地完成，需要繼續改進。例如每章后面的習題，在第二版中又補充了一部分，仍需繼續補充，目的是通過習題的操練，有益于讀者更好地掌握基本概念及其應用[3]。再例如參考文獻，第二版雖然已經補充了一部分但還是不夠的，仍需繼續補充一些經典的高水平的科技文章。

結語

針對《永磁同步電動機變頻調速系統及其控制》的修訂，面向不同專業學生(及企業工程師)設定了不同等級的學習目標；同時為了更好地滿足學生深度學習的需要，特別編寫了電機參數獲取與典型實驗、新版本MATLAB配套的仿真程序等內容，助力學生更快、更好地掌握永磁同步電機的基本控制技術，從而為電動汽車、風力發電、軌道交通等行業的發展貢獻更多的力量。