張芳 姚威

摘要：對(duì)于《電機(jī)與拖動(dòng)》課程中實(shí)驗(yàn)性、實(shí)踐性與操作性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，讓學(xué)生通過MATLAB軟件搭建仿真模型進(jìn)行仿真，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，有助于學(xué)生理解和掌握課程難點(diǎn)，提高其學(xué)習(xí)興趣和效果。本文列舉了兩個(gè)直流電機(jī)電力拖動(dòng)的實(shí)例，學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)和MATLAB軟件搭建仿真模型，在完成任務(wù)的過程中自發(fā)的去學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和技能，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，將抽象問題形象化、具體化，在更大程度上提高學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電機(jī)與拖動(dòng);任務(wù)驅(qū)動(dòng);MATLAB

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）07-0211-02

《電機(jī)與拖動(dòng)》課程是電機(jī)基礎(chǔ)和電力拖動(dòng)兩門課程的綜合，課程理論性強(qiáng)，涉及的基礎(chǔ)理論偏多;與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，一直被公認(rèn)為教師難教、學(xué)生難學(xué)的“兩難”課程。傳統(tǒng)的教學(xué)方法，采用圖片、幻燈片、視頻等資料介紹電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、拖動(dòng)制動(dòng)方法等，這很難讓學(xué)生掌握和理解，同時(shí)學(xué)時(shí)有限電機(jī)與拖動(dòng)課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)已經(jīng)寥寥無幾，教師上課時(shí)也不能為學(xué)生一一演示。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種能夠很好應(yīng)用于以實(shí)驗(yàn)性、實(shí)踐性與操作性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方法，它的含義是以富有趣味性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與好奇心的情景為基礎(chǔ)，與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的任務(wù)為載體，使學(xué)習(xí)者在完成特定任務(wù)的過程中獲得知識(shí)與技能的一種教學(xué)方法[1，2]。為了加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將電機(jī)與拖動(dòng)課程的一些內(nèi)容設(shè)計(jì)為任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式中的任務(wù)，讓學(xué)生自己主動(dòng)學(xué)習(xí)電機(jī)工作原理并利用MATLAB軟件搭建模型進(jìn)行仿真，不僅有助于學(xué)生理解和掌握該課程的難點(diǎn)，使之不再感到抽象，而且能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，大大提高教學(xué)效果和質(zhì)量[3-5]。

一、MATLAB介紹

MATLAB是美國(guó)Math Works公司開發(fā)的一種科學(xué)與工程計(jì)算軟件，具備豐富的矩陣運(yùn)算、良好的人機(jī)交互、模塊化的系統(tǒng)仿真及繪制圖形曲線的功能，可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，受到廣大工程設(shè)計(jì)人員的青睞。在《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)中，可以利用其Simulink工具箱中power system元件庫及現(xiàn)有的算法程序，搭建不同的電機(jī)仿真模型，繪制各個(gè)變量曲線，使抽象的概念更加形象生動(dòng)。

二、仿真任務(wù)實(shí)例——直流電機(jī)的起動(dòng)

任務(wù)描述：利用MATLAB軟件搭建直流電機(jī)的直接起動(dòng)模型，觀察起動(dòng)過程中直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化過程。學(xué)生在搭建仿真模型時(shí)，首先需要在simulink的power system元件庫中找到直流電機(jī)的模型，如圖1所示。圖中F+、F-對(duì)應(yīng)他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁端，一般外接直流電源即可;A+、A-對(duì)應(yīng)他勵(lì)直流電機(jī)的電樞端，起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速時(shí)需外接元件后再接直流電源;TL對(duì)應(yīng)直流電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩;m包括直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩等四個(gè)變量。

雙擊直流電機(jī)模型可以調(diào)節(jié)其參數(shù)，例如電樞電阻、電感，勵(lì)磁電阻、電感，互感，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦力矩，粘滯摩擦系數(shù)，初始轉(zhuǎn)速。正常情況下，功率在4千瓦或者4千瓦以下的電動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)時(shí)會(huì)采用直接起動(dòng)方法，即直接合閘起動(dòng)。在各種中小型直流電機(jī)中，起動(dòng)時(shí)為了限制起動(dòng)電流的大小，會(huì)在電樞回路中串入阻值可變的電阻，起動(dòng)過程中，隨著轉(zhuǎn)速n的不斷提高，一步步將該串入的電阻短路連接，這種方法就是直流電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)仿真模型需要直流電機(jī)電樞供電的直流電源模塊、直流電動(dòng)機(jī)模塊、定時(shí)模塊、增益模塊，還有示波器模塊。由于直流電動(dòng)機(jī)的m端口的輸出信號(hào)有4個(gè)，所以將示波器模塊的輸入端口設(shè)置為4，這樣就可以清楚的看到電動(dòng)機(jī)的4個(gè)輸出參數(shù)了。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真模型如圖2所示。

在Simulink模型窗口中打開Simulation/Start菜單項(xiàng)，或者在菜單欄單擊開始按鈕（一個(gè)綠色的播放按鈕）這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)開始運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到達(dá)設(shè)定的仿真時(shí)間時(shí)系統(tǒng)終止運(yùn)行，并在示波器輸出仿真結(jié)果，直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的仿真結(jié)果如圖3所示。分別是轉(zhuǎn)速n的輸出曲線，電樞電流Ia的輸出曲線，勵(lì)磁電流If的輸出曲線，電磁轉(zhuǎn)矩Te的輸出曲線。

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)仿真結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速從0開始慢慢增大，到1s左右，達(dá)到峰值并趨于平穩(wěn);電樞電流由0增大到峰值然后慢慢回落到0;勵(lì)磁電流由于是單獨(dú)電源供電，所以從頭至尾沒有變化;電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線和電樞電流的變化曲線是一致的。此次仿真和實(shí)際情況下直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的仿真曲線大致相同，與理論分析一致。

三、結(jié)論

將MATLAB軟件應(yīng)用于《電機(jī)與拖動(dòng)》課程教學(xué)中，尤其是在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式中引入一些仿真任務(wù)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，積極主動(dòng)利用simulink搭建仿真模型，可以將許多抽象的概念和原理以生動(dòng)、形象地通過仿真曲線、圖形表示出來，用傳統(tǒng)的教學(xué)方式不易講透的一些工程實(shí)際問題可借助于該軟件搭建模型進(jìn)行仿真分析，使學(xué)生能深入理解和掌握，提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

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