基于嵌入式系統(tǒng)Matlab 代碼生成的電機控制技術課程教學改革*

駱正紅 勞振圖 李潔靜 李永崗 胡亞山

1 湖南大學 長沙 410082 2 滄州職業(yè)技術學院 河北滄州 061001

0 引言

隨著社會的高速發(fā)展，科學技術水平不斷提升，現(xiàn)代電機控制技術也得到了發(fā)展，成為了一門多學科交叉的綜合新興學科技術，涵蓋內容范圍較廣，貫穿電子、自動控制、計算機技術、機械工程等各個領域[1-3]。電機控制課程融合了多門電氣類專業(yè)基礎學科，具有很強的綜合性、應用性和實踐性。該課程重視實踐教學，以學生的科研能力培養(yǎng)為主要目標，充分利用現(xiàn)有的教學手段，培養(yǎng)具有扎實理論基礎、實踐操作能力和創(chuàng)新能力的專業(yè)人才。

電機控制課程的特點是理論教學與課程實踐相結合，實現(xiàn)理實一體化教學。學生僅僅依靠老師在課堂上講授的知識是遠遠不夠的，只有結合實驗過程中的實際動手操作，才能真正理解理論知識，做到理論聯(lián)系實際，打好扎實的專業(yè)基礎。然而，在現(xiàn)階段的實驗教學過程中，學生缺乏實踐經驗，需要學習的實驗相關基礎知識過多，工作量太大。這就導致了實驗教學環(huán)節(jié)進展困難，存在實驗時間過長、實驗效率過低、實驗內容難以拓展等問題。通常只能開展一些比較簡單的驗證性實驗，實驗內容單一，學生的能力難以得到提升。這造成了實驗與教學在一定程度上產生了脫節(jié)，無法完成實驗教學目標。

MATLAB/Simulink 是現(xiàn)如今應用最普遍的開發(fā)工具。作為MATLAB 的重要組件之一，Simulink 由于其具有圖形化的環(huán)境、強大的集成工具庫、豐富的分析工具以及十分簡易的操作流程，被廣泛應用到圖像處理、航空航天、電機控制、嵌入式設計等各個領域[4-6]。基于MATLAB/Simulink 的仿真教學在電氣類、自動化類課程教學中也逐漸得到應用與普及[7-9]。近年來，代碼生成技術在各個領域都得到了廣泛應用[10-12]。在MATLAB/Simulink 平臺即可實現(xiàn)從模型建立到目標代碼生成、調試、運行整個開發(fā)過程，可移植性強，可復用性高。無需手動編寫代碼，操作簡單方便，極大地減少了開發(fā)難度和開發(fā)成本，縮短了開發(fā)時間，顯著提高了開發(fā)效率。

本文基于自動代碼生成和硬件封裝技術，構建了電機智能控制嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺，并將其應用到電機控制課程的實驗教學中。結合本實驗開發(fā)平臺進行實驗教學大大提高了實驗效率，學生省去了大量學習軟硬件相關知識的時間，達到了事半功倍的效果。同時結合Simulink 的圖形化環(huán)境，無需進行復雜的代碼編寫，只需要進行類似仿真的操作即可自動生成代碼實現(xiàn)對電機的控制。這使得該類實驗教學可以在課程中普及，增加了學生的實驗參與度，拓寬了學生的學習途徑。學生可以真正實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，在實踐中深入理解課堂知識，培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力以及自主創(chuàng)新能力。

1 硬件平臺與軟件系統(tǒng)

1.1 硬件平臺

實驗開發(fā)平臺采用TMS320F28335 作為主控芯片。TMS320F28335 屬于TI 公司的C2000 系列DSP的高端系列，主頻150MHz，具有32 位浮點處理單元，數(shù)字處理能力十分卓越，事件管理能力突出，嵌入式控制功能優(yōu)越，執(zhí)行速度快，外設資源豐富，通信接口完備，A/D 轉換高速，同時還具有微控制器(MCU)的功能，開發(fā)過程高效，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低，廣泛應用在高性能的電機伺服控制領域。因此，采用TMS320F28335 作為主控芯片為電機控制實驗教學以及學生后續(xù)拓展創(chuàng)新設計性實驗提供了充分的條件保障。

實驗開發(fā)平臺的硬件平臺如圖1 所示，分為功率板和控制板。功率板主要包括整流電路、三相逆變電路、放電電路以及溫度測量電路。放電電路由IGBT 和耗散電阻串聯(lián)組成，防止母線電壓過高，保護硬件電路。溫度測量電路實時對IGBT 殼溫進行采樣監(jiān)控，防止過溫現(xiàn)象。控制板充分利用了TMS320F28335 芯片提供的資源，具有豐富的外圍電路設計。控制板主要包括電源及復位電路、采樣電路、保護電路、通信電路、仿真器接口電路以及編碼器采集電路。保護電路包括過流保護、過壓保護以及故障保護電路。通信電路采用RS485 通信，通過差分信號傳輸，為半雙工通信，抑制共模干擾。編碼器采用旋轉變壓器，通過兩路激勵信號和四路反饋信號得到電機轉子的位置信號。功率板與控制板之間通過排線進行連接，采用光耦隔離電路實現(xiàn)強弱電之間的隔離保護。本實驗平臺硬件部分對過流、過壓、過溫、過載等情況都做了相應的實時監(jiān)測與保護，實用性高、安全性強、可靠度高。

圖1 電機智能控制嵌入式系統(tǒng)硬件平臺

1.2 軟件系統(tǒng)

實驗開發(fā)平臺的軟件系統(tǒng)如圖2 所示，采用MATLAB/Simulink 作為統(tǒng)一開發(fā)工具。通過采用普通的Simulink 模塊和Embedded Coder 工具箱中模塊化封裝的DSP 底層驅動模塊以及TI 公司提供的C28xDMC 和C28xIQmath 函數(shù)庫共同完成模型的設計。對模型中相應模塊進行必要參數(shù)的配置后利用Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors 硬件支持包實現(xiàn)代碼生成功能，將搭建好的模型轉化成代碼，再通過TI 環(huán)境下的Code Composer Studio、controlSUITE、C2000 Ware 三個軟件實現(xiàn)目標代碼的運行與調試，通過編譯鏈接后生成目標文件并下載到核心處理單元中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能。

圖2 電機智能控制嵌入式系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

除此之外，實驗平臺通過串口通信方式建立上位機可視化界面，如圖3 所示。一方面上位機通過串口對核心處理單元發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對電機的控制。另一方面核心處理單元將采集的電機的各路信號通過串口發(fā)送到上位機界面進行數(shù)據顯示、數(shù)據處理以及數(shù)據存儲。同時還能實現(xiàn)在線調試，合理利用了串口的雙向通信功能，交互性強、實時性高，大大提升了實驗教學效率。

圖3 電機智能控制嵌入式系統(tǒng)上位機界面

實驗平臺在搭建系統(tǒng)模型的過程中，將底層的硬件驅動模塊搭建好之后進行參數(shù)的配置，包括環(huán)境參數(shù)以及硬件參數(shù)。經過調試及優(yōu)化后，采用硬件封裝技術將底層硬件驅動模塊封裝成類似Simulink工具箱中的電機庫模型，便于實驗的開展。同時，還搭建并封裝完成了保護模塊，實時對電機的電流和電壓信號進行監(jiān)測，一旦出現(xiàn)過流、過壓現(xiàn)象則立即觸發(fā)軟件保護信號，終止電機運行。實驗平臺的安全性和靈活性進一步得到保障，使得實驗教學更容易普及。

2 教學模式改進

傳統(tǒng)電機控制課程的主要教學模式是：1）教師講授電機控制相關理論知識以及公式模型的推導；2）學生在指導下進行仿真模型的搭建，進一步學習理論知識；3）通過實驗驗證仿真，深入鞏固電機控制課程相關理論知識，同時培養(yǎng)學生的動手實踐能力。

但是，在傳統(tǒng)的實驗教學中，學生需要耗費大量的時間進行軟硬件相關知識的學習，包括軟件的使用、單片機以及DSP 外設寄存器的配置、底層驅動和功能代碼的編寫、軟硬件調試相關知識等等。一方面學生編寫代碼困難，會導致實驗時間過長。另一方面學生軟硬件調試經驗不足，很容易導致實驗儀器的損壞。因此，只能進行一些比較簡單的驗證性實驗。學生通過簡單的實驗操作讓電機運行，無法將仿真的內容進行實驗驗證，難以進行一些控制算法的實踐，實驗內容無法深入拓展。這就導致仿真過程與實驗過程產生割裂，教學與實踐產生了脫節(jié)，學生無法真正做到理論聯(lián)系實際，這會在一定程度上降低學生的學習興趣以及學習熱情，導致教學效率低，教學效果差。

采用電機智能控制嵌入式系統(tǒng)平臺進行實驗教學則解決了上述問題。本實驗平臺采用自動代碼生成技術，學生無需學習編程方法編寫代碼，只需要進行類似仿真的圖形化操作即可完成實驗。同時，本實驗平臺的軟件平臺已經將底層硬件的驅動以及保護的模型搭建調試完成后進行封裝，學生無需再花費大量時間學習底層硬件驅動相關知識。實驗平臺在軟件和硬件方面都做了相應的保護模塊，安全性強，學生可以放心大膽地進行電機控制算法的學習與驗證。這大大增加了教學效率，同時也使教學更具有直觀性、可視性和靈活性。

結合本實驗平臺的新型教學模式，學生可以實現(xiàn)理論、仿真、實驗三位一體。學生對教師在課堂上講授的內容的理解不再停留于表面，通過仿真和實驗對理論知識的掌握程度進行檢驗，學生的學習情況可以得到及時的反饋。同時促進了學生對理論知識的掌握和應用，提高了學生的動手實踐能力，培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。部分學有余力的學生還可以根據自身興趣去構造一些仿真與實驗去驗證一些新的想法。本實驗平臺通過上位機可視化界面可以實時監(jiān)測到實驗數(shù)據，能夠及時反饋控制效果，便于學生調試。因此，結合本實驗平臺的新型教學模式可以實現(xiàn)因材施教，提高學生的學習興趣與學習積極性，培養(yǎng)學生的科研能力，實現(xiàn)教、學、做合一的目的。

此外，當前疫情形勢下，發(fā)展線上教學是大勢所趨。如今互聯(lián)網時代網絡教學資源豐富，在課堂教學中可以充分利用網絡上的教學資源。采用本實驗平臺進行實驗教學還可以實現(xiàn)遠程實驗，學生通過遠程桌面控制實驗主機，再配備網絡攝像頭即可開展實驗，擺脫對實驗場所的依賴，這使得實驗教學的開展有了保障，學生開展實驗突破了時間和空間的限制。開展線上的實驗教學模式更符合當下的時代背景，體現(xiàn)了基于本實驗平臺的新型教學模式的靈活性和高效性。

3 實驗教學內容設計

基于自動代碼生成和硬件封裝技術的電機智能控制嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺如圖4 所示。實驗平臺由控制與驅動系統(tǒng)、永磁同步電機、直流電源與PC 共同構成。

圖4 電機智能控制嵌入式系統(tǒng)結構框圖

在實驗教學過程中，首先，教師通過介紹硬件驅動板的各個模塊使學生對硬件相關知識有一定的了解。在此基礎上，對軟件平臺的模型的各個模塊進行講解，使學生將模型與電機控制系統(tǒng)的理論知識對應起來，了解控制算法的實現(xiàn)方法。最后，教師通過對基礎實驗進行演示，包括模型的建立，代碼生成方法，上位機可視化界面讀取數(shù)據、顯示數(shù)據以及存儲數(shù)據的方法，使學生熟悉實驗操作流程。學生在學習實驗室規(guī)范安全操作守則后獨立進行電機控制系統(tǒng)的模型及算法的設計并進行實驗操作，實驗完成后通過上位機存儲并記錄實驗數(shù)據，課后對實驗結果進行處理和分析，最后提交實驗報告。

教師通過實驗平臺對電流環(huán)跟隨響應實驗進行實例演示。采用PI 控制器對dq 軸電流進行閉環(huán)控制，使得反饋電流能夠快速響應指令值。電流環(huán)跟隨響應實驗結果如圖5 所示，可以看出電流環(huán)動、穩(wěn)態(tài)性能良好，說明實驗平臺符合實驗教學要求。

圖5 電機智能控制嵌入式系統(tǒng)實驗結果

4 結束語

本文構建了基于自動代碼生成和硬件封裝技術的電機智能控制嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)平臺，并將其應用到電機控制課程的實驗教學中。解決了傳統(tǒng)實驗課程難度大、周期長、難以普及的問題。同時可以保證遠程實驗的實現(xiàn)。

實驗平臺將底層硬件驅動模塊搭建完成后封裝集成到模型中，采用代碼生成技術，使得學生無需耗費過多時間學習軟硬件相關知識也無需編寫代碼即可完成實驗，降低了實驗難度，極大地提高了實驗教學效率。學生可以集中精力設計實驗，學習驗證課程中所學的電機控制方面相關的理論知識，實現(xiàn)理實一體化教學。學有余力的學生還可以利用實驗平臺驗證一些感興趣的算法知識，通過上位機可視化界面可以實時地反饋控制效果并進行在線調試，拓寬了學習途徑，極大地增強了學生的學習興趣和學習積極性，提高了學生的主觀能動性，有利于培養(yǎng)學生的科研能力。