基于“电机学”实验室教学利用实验平台的本科毕业设计初探

郝雯娟

摘 要： 在传统实验教学以外，应充分发挥实验设备的作用，尝试利用“电机学”实验教学用设备及平台，完成电气工程专业学生的本科毕业设计。学生在搭建好MATLAB/SIMULINK电气模型的基础上，采用交流电机控制系统实验平台进行实时实验，取得理想的结果。实践表明，利用实验教学用平台进行毕业设计是可行的，能够帮助学生更深入地理解和应用课程知识，真实地了解实验过程，有效提高学生的实践能力，同时充分利用教学资源，节约教学成本。

关键词： 电机学实验室 本科毕业设计 交流电机控制系统实验平台

1.引言

毕业设计作为大学期间的最后学习，是学生运用所学知识和能力独立进行的一次综合训练，其质量直接反映出高校毕业生的综合素质和所在高校该专业的办学水平[1]。电气工程及其自动化专业本科教育的目标是培养具有坚实理论基础和创新能力，能较系统地掌握电工技术、电子技术、控制理论和计算机应用技术与宽广专业知识，并具备一定的科技开发和科学研究能力的高级工程技术人才，可见电气工程及其自动化专业，具有强电与弱电结合、软件与硬件结合、元件与系统结合、运行与制造结合的特点。上述特点决定了毕业设计在该专业的培养体系中具有举足轻重的作用。

大部分高校电气工程与自动化专业电机控制方向毕业设计课题主要通过软件仿真完成，如果进行实验验证，则一方面需要DSP软件编程，另一方面需要设计和制作功率硬件电路，并在此基础上进行调试，工作量和难度都很大，与本科生知识水平和实际能力不符合，所以操作起来较困难。

目前大部分高校电气工程与自动化专业都有电机学和电机调速实验室，可以完成基本的电机学实验和电机调速实验，也有部分高校开发了电气专业综合性实验平台，可以完成综合性实验[2]。本院有多套电机及其控制系统实验装置，实验功能齐全，确保了相关理论课程的实验开出率，同时有两套交流电机控制系统实验平台，由于设备复杂不适合所有学生的基础实验，只用于实验教学中的演示环节。但是该设备资源并没有得到充分利用，让电气工程与自动化专业本科生在实验室里利用交流电机控制系统实验平台完成毕业设计，培养学生的动手实践能力，是目前教学中需要研究和探讨的问题。

2.交流电机控制系统实验平台的特点

根据目前人才培养特点和电机技术及电气传动技术的发展情况[3][4]，图1所示为本院电气工程及其自动化专业电机实验室，选用的是浙江求是NMCL-IIIA型交直流调速控制系统实验装置，该实验台在完成传统的实验项目的同时，突出对现代电力电子器件和现代控制理论的研究。

学生通过完成该实验设备开出的实验，对各种器件在不同场合的应用有深刻的了解，对目前流行的各种线路均练掌握，直至独立地设计各线路甚至系统。

该平台的NMCL-13B是DSP控制的高性能交流电机控制系统（含高分辨率编码器、采集控制软件、MATLAB软件），该实验系统，以TI公司32位高性能TMS320F2812（DSP2812） DSP最新产品为控制核心芯片，并设计成为基于PCI总线的DSP2812运动控制卡，开发出电机控制实时控制软件和MATLAB实时控制模块库。其运动控制卡，在MATLAB环境下开发了Embedded Target for TI C2000 DSP实时控制的SIMULINK模块库。利用该运动控制卡和接口软件，完成交流感应电机的实时控制实验。电气专业学生都选修过MATLAB，都能熟练应用该软件搭建电气模型，也有很多学生利用该软件完成毕业设计[5]。所以该平台使用MATLAB语言编写算法或者用SIMULINK库搭建电机控制算法，使电机控制算法开发变得简单。

3.毕业设计实例

直接转矩控制DTC （Direct Torque Control）变频调速技术是近十几年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。其控制思想新颖，动静态性能优良，得到越来越广泛的应用[6]。所以将异步电机直接转矩控制交流电机系统的实现作为毕业设计内容，不但能全面检查学生的对电机学、电力电子技术、自动控制原理及电力拖动自动控制系统等课程的学习情况，而且能很好地锻炼学生综合应用和掌握专业知识的能力。该设计要求学生从异步电动机的数学模型出发，推出在定子坐标系下直接控制定子磁链和转矩的控制规律。再利用空间矢量的概念，推导出直接转矩控制系统中电压空间矢量的选择规则，采用圆形磁链轨迹控制方法，然后搭建基于MATLAB/SIMULINK 软件的异步电机直接转矩控制系统（DTC）模型，对系统调速性能进行仿真验证和分析。最后在NMCL-13B 交流电机控制系统实验平台上，构建出DSP控制的高性能变频调速系统硬件控制平台，在该平台上进行实验调试，分析其运行情况。

3.1 控制系统仿真模型及结果

学生在掌握DTC基本理论的基础上，建立DTC的MATLAB电气仿真模型，如图2所示，电气模型结果更接近异步电动机的实际运行情况。其中，电机模型直接采用SIMULINK 的电气系统模块库中的Asynchronou Machines SIUints模块；采用Machine Mesurement Demux 模块可以直接观测到电机变量。该模型较复杂，里面部分程序（磁链扇区判断模块、开关电压矢量选择模块）需要利用S-function进行编程。异步电动机空载时，给定转速为1500r/min时的反馈转速波形及定子磁链轨迹波形如图3所示。仿真结果验证了该模型的正确性。

3.2 控制系统实验实现

学生在搭建好仿真模型并通过仿真结果验证后，就可以利用NMCL-13B交流电机系统平台进行实验。

首先搭建硬件平台，如图4所示，该平台包括二极管不控整流电路部分、基于IPM的逆变电路部分、保护电路及与DSP通讯电路。所有硬件都固化在实验箱内，学生可以在系统了解硬件平台后，通过外部连线完成搭建，省去很多时间，而且安全可靠。

然后利用Embedded Target for TI C2000 DSP实时控制的SIMULINK模块库及其程序编译软件，将算法下载到DSP芯片上，与硬件连接从而控制电机运行。并且可以通过如图5所示实时实验控制界面实时调节算法参数和观测实验波形。

从图5可以看出，该界面可以调节转速环放大器系数、滞环比较器转矩系数、磁链宽度系数、IPM开关频率及给定转速等；可以观测电机实际转速波形、三相电流波形以及磁链波形等。此外，还可以在MATLAB环境下观测电机转速等变量的波形，如图6所示为实际转速波形。从以上实验波形中可以看出，实时实验波形与仿真波形基本一致，表明利用该交流电机控制系统实验平台可以实现直接转矩控制算法，结果正确。

以上仿真和实验表明，本次毕业设计利用MATLAB软件和交流电机控制系统实验平台，很好地实现了异步电机直接转矩控制，完成了毕业设计要求的内容。

4.结语

本文通过毕业设计实例——异步电机直接转矩控制系统，实现介绍NMCL-13B交流电机控制系统实验平台在电气工程与自动化专业毕业设计中的应用，该初步尝试可总结出以下几点：

4.1学生通过该次毕业设计，将所学专业知识内容重新整理一遍，并使之系统化、综合化，这是毕业设计的目的之一。

4.2学生利用MATLAB搭建控制系统电气模型及进行仿真分析的过程，可培养学生独立获取知识的能力，同时提高学生借助于计算机解决工程实际问题的能力[7]。

4.3学生在仿真验证正确的基础上，利用交流电机控制系统实验平台进行控制系统实验，通过搭建硬件电路及动手实验，系统学习功率电路硬件知识及DSP应用的基本知识，有效提高学生的创新能力和分析问题解决问题的能力及实验实践能力。

4.4学生利用交流电机控制系统实验平台完成毕业设计任务，实验结果与仿真结果基本一致，得出正确结论，说明利用该平台进行电气工程与自动化专业工程研究型毕业设计课题是可行的，与学生的知识水平是相适应的，在提高学生实践能力方面是有效的。

4.5整个毕业设计过程说明，目前软件环境和硬件环境能满足毕业设计要求。

参考文献：

[1]李广凯，李庚银等. 电气工程及其自动化专业毕业设计研究[J].南京：电气电子教学学报，2003，25（5）：101-103.

[2]李晓宇，胡天友等. 电气自动化专业综合实验改革与探索[J].上海：实验室研究与探索，2006，25（6）：

[3]单建奋，范华民. 电机实验室改革的思路与实践[J].上海：实验室研究与探索，1996，2（2）：115-117.

[4]陈艳宁，杨军. 电机实验室建设的探索与实践[J].南京：电气电子教学学报，2001，23（1）：67-68.

[5]方志，郝丽丽. MATLAB/SIMULINK在电气工程类专业毕业设计中的应用[J].北京：中国电力教育，2007，管理论丛与教育研究专刊：453-455.

[6]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第四版[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7]张建峡，杨勇. 电压空间矢量调制的交流调速技术的仿真教学[J].北京：实验技术与管理，2006，23（9）：86-89.