“電機與拖動”的創新性教學改革研究

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。

關鍵詞：電機；終端滑模控制；Matlab 軟件

《電機與拖動》是各大本科院校電氣類專業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理論和相關知識，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基礎課程[1]。延續傳統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，拓展學生的知識結構，提高學生的編程能力，培養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、轉子永磁體和端蓋等部件組成，其憑借結構簡單、效率高、低碳節能等優勢，被廣泛運用于工農業生產中。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，表示轉子機械角位置，表示轉子機械角速度，表示磁通，表示電機負載轉矩，表示轉動慣量。

一、引入Matlab/Simulink仿真軟件

目前，在大多數普通本科院校中，《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。根據圖1可知，在永磁同步電機模塊中需要設置電機的定子繞組電阻、電樞電感、磁鏈、磁極對數、轉動慣量及初始條件等相關參數。

引導學生利用Matlab/Simulink軟件，并結合《控制電機》課程中已學到的Park變換和Clark變換的相關知識，繪制出圖2給出的永磁同步電機位置跟蹤控制系統結構框圖。目前大多數永磁同步電機位置跟蹤控制系統使用位置環、速度環及電流環三環控制方式。本文，將位置環與速度環相結合，設計永磁同步電機位置跟蹤控制系統的位置-轉速控制器。

根據圖2所示的結構框圖，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、引入終端滑模控制理論

傳統PI控制器因結構簡單、易于實現等特點，被廣泛應用于永磁同步電機的控制系統中。但傳統PI控制器無法滿足現代工業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：終端滑模控制理論。向學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變，提高學生的科研能力。

滑模控制是由前蘇聯學者 Emelyanov 首次提出，后經 Utkin 等學者深入研究而發展出來的一種非線性控制方法[3]。在滑模控制理論研究初期，滑模面大多設計為線性滑模面。然而，基于線性滑模面的滑模控制只能使得系統狀態漸近收斂到平衡位置。為進一步提高系統的收斂特性，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計中，提出了終端滑模控制算法[5]。終端滑模控制由于具有滑模控制和有限時間控制的雙重優勢，已廣泛應用于電機、工業機器人、航天飛行器及多智能體等多個領域[6-8]。

教學過程中，首先向學生介紹終端滑模控制的概念，然后介紹幾種常見的終端滑模面表達形式。傳統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，讓學生對終端滑模控制理論有進一步深入的了解。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的位置-轉速控制器的設計中。

指導學生使用Matlab/Simulink仿真軟件完成位置-轉速控制器（10）的編程，加強學生對電機控制和終端滑模控制理論的理解。

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。現有的多數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組成的實驗平臺，如圖3所示。該實驗平臺可以實現電機位置控制仿真、轉速控制仿真、矢量變換等實驗內容，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，其能夠將在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型轉化為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，提升課程的教學質量。

四、結論

本文以永磁同步電機位置控制為例，闡述了“電機與拖動”課程中創新的教學內容和方式，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）將終端滑模控制理論引入課堂教學中，讓學有余力的同學了解先進的控制理論和相關技術，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實踐研究性學習的轉變，提高學生的實踐動手能力。

參考文獻：

[1]李瑾.Matlab仿真在“電機與拖動基礎”課程教學中的應用.科技風，2021，23：68-69.

[2]武海軍.強化應用提高《電機技術》課程教學質量［J］.科技風，2018，12： 37.

[3]V Utkin. Sliding modes in control and optimization [M]. Berlin：Springer Science and Business Media， 2013.

[4]M Zak. Terminal attractors for addressable memory in neural networks [J]. Physics Letters A， 1988， 133（1-2）： 18-22

[5]S Venkataraman， S Gulati. Control of nonlinear systems using terminal sliding modes [J]. Transactions of the ASME， Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control， 1993， 115（3）： 554-560.

[6]P Zhu， Y Chen， M Li. Terminal sliding mode control of permanent magnet synchronous motor based on the reaching law [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2020， 234（7）： 849-859.

[7]X Shao， G Sun， C Xue， and X Li. Nonsingular terminal sliding mode control for free-floating space manipulator with disturbance [J]. Acta Astronautica， 2021，181： 396-404.

[8]D Lee. Fault-tolerant finite-time controller for attitude tracking of rigid spacecraft using intermediate quaternion [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2020， 57（1）： 540-553.

基金項目：安徽省高等學校科學研究項目“不確定非線性有限/固定時間穩定滑模控制策略研究”（2022AH051759）；安徽省高校優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）；安徽省高等學校科學研究項目“基于擴展狀態觀測器的交流伺服系統復合控制策略研究”（2022AH051752）；安徽省銅陵學院人才科研啟動基金項目“基于數據驅動理論的永磁同步電機調速系統無模型滑模控制策略研究”（2022tlxyrc33）；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。