高鵬 楊路

[摘 要] 在“控制電機”的傳統(tǒng)教學(xué)方法上，首先提出將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門課程的教學(xué)中來;其次提出將先進的控制理論引入日常教學(xué)，在學(xué)習新的控制理論知識的同時，還能夠提高學(xué)生利用仿真軟件編程的能力;最后提出結(jié)合新型的實驗操作平臺，提高學(xué)生的動手操作能力。這些創(chuàng)新性的教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容能夠在拓展學(xué)生學(xué)習知識的同時，也有效地提高了學(xué)生學(xué)習電機課程的積極性和興趣。

[關(guān)鍵詞] 電機;控制理論;仿真軟件

[基金項目] 2017年安徽省教育廳自然科學(xué)重點基金項目“媒體融合下基于增強現(xiàn)實的高校網(wǎng)站富媒體化建設(shè)研究”（KJ2017A471）

[作者簡介] 高 鵬（1984—），男，安徽阜陽人，銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院講師（通信作者），南京工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2018級工程熱物理專業(yè)博士研究生，研究方向為先進控制理論、機電控制;楊 路（1985—），女，安徽安慶人，安徽公安職業(yè)學(xué)院公安科技系講師，南京工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院2019級工程熱物理專業(yè)博士研究生，研究方向為先進控制理論、機電控制。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0303-03? ? [收稿日期] 2020-04-06

由于我國的電機在各種工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，“控制電機”作為電氣類專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課，在我國的應(yīng)用型本科院校得到廣泛的開設(shè)，該課程在培養(yǎng)高級電氣類應(yīng)用型人才方面具有重要地位，該課程主要傳授各類電機的工作原理以及相關(guān)控制原理。目前的“控制電機”教學(xué)主要存在控制理論比較固定、理論傳授較為傳統(tǒng)、學(xué)生實驗動手能力不強等問題，為了解決這些問題，本文以永磁同步電機的轉(zhuǎn)速控制為例，分三部分闡述如何進行“控制電機”創(chuàng)新性教學(xué)。[1]

永磁同步電機目前被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)場合。永磁同步電機由定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體組成。定子上的繞組通常是星形連接的，以減少雜散損耗。三相平衡交流電流與相位差的負載在三相永磁同步電機的固定繞組上，其中永磁同步電機的定子電壓如下。

一、Matlab/SIMULINK的應(yīng)用

目前的“控制電機”課程主要還是以課堂教學(xué)為主，大多數(shù)本科高校的理論課時都在32個學(xué)時左右，本文提出在不改變目前課時分配的基礎(chǔ)上，將Matlab/SIMULINK軟件全程引入該門課程的教學(xué)中來，本節(jié)以永磁同步電機控制原理講解為例，利用SIMULINK庫中的永磁同步電機已有的模型結(jié)合課本進行教學(xué)，圖1為SIMULINK庫中的永磁同步電機模型。從圖1中，我們可以看出，我們可以根據(jù)需要設(shè)置該電機的永磁體的磁鏈、電機的極對數(shù)、旋轉(zhuǎn)慣性、定子繞組電阻等參數(shù)。

結(jié)合學(xué)生在前期課程中已經(jīng)學(xué)習掌握的Clark變換和Park變換的知識，利用Matlab/SIMULINK軟件搭建永磁同步電機控制系統(tǒng)，該電機的控制原理框圖如圖2所示：

利用構(gòu)建如圖2所示的永磁同步電機控制系統(tǒng)框圖指導(dǎo)學(xué)生在Matlab/SIMULINK軟件搭建如圖3所示的永磁同步電機轉(zhuǎn)速仿真圖，能夠加深學(xué)生對該類型電機控制理論的理解，并且通過Matlab/SIMULINK軟件的運算結(jié)果對電機的運行特性有了直觀的認識。

二、先進控制理論的應(yīng)用

傳統(tǒng)的線性控制器由于其結(jié)構(gòu)簡單，在永磁同步電機的控制中得到了廣泛的應(yīng)用，在傳統(tǒng)的“控制電機”教學(xué)中線性控制理論占據(jù)主要地位。但由于永磁同步電機的未知擾動、時變、強耦合，傳統(tǒng)的線性控制器不能滿足高性能的控制要求[2，3]。因此，許多不同的高級控制理論被應(yīng)用到提高永磁同步電機控制性能中來，如自抗擾控制、反步控制、有限時間控制、模型預(yù)測控制、模糊邏輯控制、分數(shù)階滑?？刂坪汪敯艨刂?。本文將目前新型的控制理論，即：自抗擾控制理論和分數(shù)階滑模控制理論引入“控制電機”的教學(xué)中來。在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習新的控制理論知識的同時，還能夠提高學(xué)生利用仿真軟件編程的能力。

自抗擾控制理論是由傳統(tǒng)PID控制理論導(dǎo)出的，自抗擾控制理論比PID控制器具有更高的穩(wěn)定性和魯棒性。非線性自抗擾控制理論是韓京清先生于2009年提出的，旨在開發(fā)一種替代經(jīng)典PID的實用控制方法，自抗擾控制理論是一種不依賴于植物精確數(shù)學(xué)模型的新控制方法。自抗擾控制理論由跟蹤微分器（TD）、擴展狀態(tài)觀測器（ESO）和狀態(tài)誤差反饋（SEF）組成，TD用于安排瞬態(tài)過程，ESO用于估計系統(tǒng)的總擾動，SEF用于限制系統(tǒng)中的殘差，自抗擾控制理論強調(diào)使用ESO及時估計系統(tǒng)中的總擾動，包括內(nèi)部未建模動力學(xué)和外部擾動。經(jīng)過多年的發(fā)展，自抗擾控制理論不僅在理論上取得了很大的進步，而且在應(yīng)用上也取得了很快的進步。在“控制電機”教學(xué)中，我們可以基于圖4講授基于自抗擾控制理論的電機控制理論和應(yīng)用。

分數(shù)階滑?？刂评碚撌墙陙砼d起的一項新的控制理論。首先，由于滑?？刂评碚摰聂敯粜院秃唵涡?，滑?？刂评碚撘呀?jīng)被廣泛應(yīng)用了幾十年，許多研究人員提出了幾種滑模控制理論策略。與整數(shù)階控制器相比，使用分數(shù)階積分器和微分器的額外自由度使得進一步提高控制效果成為可能。近年來，許多基于不同形式的分數(shù)階滑動面的滑?？刂评碚摬呗缘玫搅藦V泛的應(yīng)用。教學(xué)中先教會學(xué)生掌握一定的分數(shù)階微積分的概念和定義，Riemann-liouville分數(shù)階導(dǎo)數(shù)和函數(shù)積分[3]：

再以分數(shù)階微積分為基礎(chǔ)結(jié)合滑?？刂评碚?，教會學(xué)生掌握分數(shù)階滑?？刂评碚摰幕靖拍詈蛻?yīng)用方法。

分數(shù)階滑?；瑒用姹欢x為[3]：

在課堂教學(xué)中，結(jié)合Matlab/SIMULINK軟件完成算法（13）的編程工作，加深學(xué)生對這一新控制理論的理解和掌握。

三、實際電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用

實踐動手能力的培養(yǎng)，在本門課程中同樣占據(jù)重要地位。但目前電機控制平臺多是基于各型號DSP或者各類單片機，這些微處理器的學(xué)習對于普通本科院校的學(xué)生來說往往較為困難，這些學(xué)習困難也是造成目前控制電機課程學(xué)生不愿動手實際操作的一個重要原因。故本文引用一種新型的半實物實驗平臺到實踐教學(xué)中來，以提高學(xué)生的實際動手操作能力（見圖5）。該平臺是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發(fā)，包括電機控制仿真、信號采集、PWM產(chǎn)生、矢量變換等實驗內(nèi)容，可作為電機控制課程的實驗平臺。該實驗平臺不需要針對TI TMS320F28335 DSP進行編程，該平臺使用cSPACE半實物實驗系統(tǒng)，可以直接將MATLAB/Simulink中的模塊語言轉(zhuǎn)變成DSP能夠識別的C語言，從而簡化了編程過程，降低了學(xué)生實際動手操作的門檻，可以大大提高學(xué)生動手的興趣，提高該門課程教學(xué)效果。

參考文獻

[1]李仁忠.《控制電機》的教學(xué)方法探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（7）：188-189.

[2]S.Li，Z.Liu.Adaptive speed control for permanent-magnet synchronous motor system with variations of load inertia[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（8）：3050-3059.

[3]M. Zaihidee， S.Mekhilef，M.Mubin.Application of fractional order sliding mode control for speed control of permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Access，2019（7）：101765-101774.