_电机现代控制技术_课程教学方式探索

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.32　No.1Feb.2010

“电机现代控制技术”课程教学方式探索

许家群,綦　慧,于涌川,段建民

(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124)

摘　要:为提高“电机现代控制技术”研究生课程的教学效果,本文探索了该课程的教学方式。针对教学中发现的问题,我们采取了理论教学与实验教学相结合的方法,提出了适合研究生教学的电机控制系统实验平台建设方案,注重了平台的通用性、开放性和先进性。而且还探讨了如何基于该实验平台改进教学方式,包括采用渐进式教学和引入教师科研项目等方法。从学生的反馈情况看,上述工作取得了积极效果。关键词:研究生;课程;教学方式;电机控制;实验平台中图分类号:G643;TM301.2　　

文献标识码:A　　　　　　　文章编号:100820686(2010)0120102203

TeachingMethodofModernControlTechniqueofElectricalMachinesCourse

XUJia2qun,QIHui,YUYong2chuan,DUANJian2min

(SchoolofElectronicsInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Abstract:InordertoachieveeffectiveresultsintheteachingprocessofModernControlTechniqueofElec2

tricalMachinescourseforgraduatestudent,teachingmethodaboutthecourseisexplored.Boththeoryteachingandexperimentteachingareadoptedtosolvesomeproblemsfoundinteachingprocess.Theschemeofanexperimentplatformforelectricalmachinescontrolsystemisproposed,whichisusedforgraduatestudentteaching.Versatility,opennessandadvantageoftheplatformareemphasized.Thenewteachingmethodispresentedbasedontheexperimentplatform,suchastheadoptionofgradualteachingandintroductionofresearchproject.Itisshownthateffectiveresultsareproducedfromthefeedbackofgraduatestudents.

Keywords:graduatestudent;course;teachingmethod;electricalmachinescontrol;experimentplatform

　　电机现代控制技术是高性能驱动的核心技术[1]。为此,我校为研究生开设了“电机现代控制技术”课程。该课程以本科阶段所学的“电机原理及拖动”“、电力电子技术”和“运动控制系统”等相关课程知识为基础,以感应电机、永磁同步电机和无刷直流电机为控制对象,进一步介绍矢量控制、直接转矩控制、智能控制及直接驱动控制等前沿技术知识,使研究生系统掌握电机现代控制技术的基本内容、原理和方法。

通过本课程的学习,希望研究生能够将电机控制理论知识和实际电机系统很好地结合起来。

1　教学中发现的问题

(1)虽然现在更加重视本科生的实践教学,用

于本科生的实验装置和教材都在不断改善[223]。然而,整体看,本科生在电机控制方面的实践经验及动手能力仍相当欠缺,制约了其对理论知识的深入理解。

收稿日期:2009206212;修回日期:2009209206　　基金项目:北京工业大学研究生课程建设项目资助(CR20082B2014)

作者简介:许家群(19732),男,博士,副教授,主要从事电机及其控制方向的教学与科研工作,E2mail:xujiaqun@tsinghua.org.cn

綦　慧(19712),女,博士,副教授,主要从事电机及其控制方向的教学与科研工作;于涌川(19772),男,博士,讲师,主要从事电力电子方向的教学与科研工作;段建民(19592),男,博士,教授,主要从事计算机控制方向的教学与科研工作。

第1期许家群,綦　慧等“:电机现代控制技术”课程教学方式探索

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(2)目前我校的教学实验室拥有的电机、电力电

子及运动控制实验台,只适合本科生进行传统交直

流电机、电力电子及运动控制的验证型实验。而对于研究生而言,却没有足够的设计型实验。

(3)本课程前期教学尝试过基于Matlab软件通过系统仿真训练提高研究生对电机控制理论的理解,取得了一定的效果。但是,从系统仿真到电机控制系统的实现并满足实际应用需求还有很大的差距。

需;霍尔元件则是无刷直流电机控制所需。

(2)开放性

本平台由电源电路、数字核心电路和通讯电路等多个功能模块构成,各模块自成体系又相互关联。

基于Labview软件易于实现图形化的监控系统[4]。除了可通过示波器直接测试信号外,也可以基于通讯电路实现重要物理量在上位机的显示,如电流、电压、转速和转矩等。电机的控制算法也是开放式的,即学生可通过上位机进行控制算法的编写并发送控制指令,以获得电机系统的运行状态数据。这种硬件和软件的开放式结构可以使研究生更直观地了解电机控制系统的硬件电路和软件结构,借助示波器及上位机的测控功能,可以更好地理解电机控制的原理及软、硬件的配合。

(3)先进性为提高基于DSP进行电机控制的软件开发效率,近期已有实时C代码自动生成方案的相关研究报导[5]。为此,电机控制软件的开发可以采用基于Matlab/Simulink进行DSP自动代码生成的方法。

通过在Simulink下构建电机控制系统模型并进行仿真分析,验证结果无误后,通过Real2timeworkshop自动生成面向TI编译器的C语言文件,完成编译、连接和下载后在硬件上运行,从而实现从模型到系统实时C代码的自动生成。这种方法缩短了实验周期,便于学生在实际电机系统上快速验证控制策略及参数设置等问题的正确性。

2　实验教学平台建设

我们提出了适合研究生教学的电机控制系统实验平台建设方案,其平台结构如图1所示。

图1　实验教学平台模块化结构

实验平台的建设实现如下几方面要求。(1)通用性

本平台适用于感应电机、永磁同步电机和无刷直流电机等三种电机。考虑到三种电机的控制系统结构类似,仅在传感器种类、安装位置及其信号处理等处存在少量差别,因此应将平台设计成具有通用性,让三种电机及其控制算法均基于本平台完成。进行不同种类电机实验时,无需变动硬件,仅通过接插件进行不同接线即可。

平台的通用硬件包括基于TMS320LF2812DSP的数字核心电路、电源电路、通讯电路、PWM信号转换与功率驱动电路等。平台硬件部分的特殊考虑体现在接插件上,其上包括三种电机采用不同控制算法时所需的电压、电流、位置传感器及其信号处理电路等。如定子两相电流为矢量控制所需,直流母线电压为直接转矩控制和无刷直流电机控制所需,光电编码器和旋转变压器为感应电机和永磁同步电机控制所

3　结合实验的教学方式改进

教学方式改进体现在重视实验教学的作用,坚

持理论教学与实验教学结合。采用如下具体做法。

(1)充分利用所开发的实验教学平台,使学生逐步熟悉电机控制系统,包括电力电子器件、传感器、信号处理和微处理器等相关技术,理解电机控制理论在实际控制系统上的实现过程。

(2)采用渐进式的教学方法,使学生逐步获取知识。具体步骤是:①学习电机控制理论;②基于Matlab/Simulink建模仿真;③基于硬件电路进行DSP自动代码生成;④进行电机系统的运行调试。

(3)鼓励研究生提出电机控制的新思路,并基于

平台独立编程实验以验证其想法和思路的正确性及有效性。

(下转第110页)

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　　　　电气电子教学学报　　　　第32卷

总之,如果浮控绕组和转矩绕组的磁极对数满

足P2=P1±1条件,在两套绕组中通入同频激磁电流时,可在传统电机旋转磁场上迭加相差一对磁极的悬浮磁场;悬浮磁场的引入,将打破原四极电机旋转气隙磁场的平衡,使得气隙中的某些区域磁场增强,而其空间对称区域磁场减弱,从而产生指向磁场增强区域的麦克斯韦电磁合力;通过控制悬浮控制电流的大小和相位就可在转子上产生大小和方向都可控的磁悬浮力,用以抵消由于转子偏心产生的不稳定单边磁拉力和外部径向负载,实现无轴承转子的悬浮运转。

此外,无轴承电机的转子悬浮力是基于气隙磁场迭加而产生的,也就是说只有电机中的激磁电流部分参与悬浮力的产生。在气隙磁场定向方式下,无轴承异步电机定子绕组中的q轴转矩电流分量被转子感应电流中的转矩电流分量所平衡,对磁悬浮力产生没有贡献。若为永磁型无轴承电机或凸极同步无轴承电机,因为没有转子感应转矩电流分量和定子转矩电流分量相平衡,定子转矩电流分量所建立的转矩磁场也将和相差一对磁极的悬浮磁场相互调制,产生出径向磁悬浮力。

础上,通过理论分析了无轴承电机产生稳定径向悬浮力的基本条件,以二极悬浮控制四极无轴承电机为例,针对几个典型时刻产生出的径向磁悬浮力,图解分析了无轴承电机磁悬浮控制原理。

教学实践表明,采用解析推导和图解分析相结合的讲解方法,不但可使学生对如何才能产生出稳定可控磁悬浮力有深刻认识,而且便于快速理解和掌握这种新型无轴承电机的基本工作原理。参考文献:

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Suspension2ForceCompensationinBearinglessInductionMo2torDriveWithSquirrel2CageRotor[J],IEEETransonIA,2007,43(1):66276

4　结语

本文在介绍电机中的洛伦兹力和麦克斯韦力基

(上接第103页许家群等文)

　　(4)开展将教师的科研成果引入本科生教学的

尝试[6]。本课程教学中有意识地结合了电动汽车电机驱动、电动助力转向和风力发电系统等科研项目,教学效果很好。参考文献:

[1]　王成元.电机现代控制技术[M].北京:机械工业出版社,2006[2]　杨德先,陆继明,吴彤等.电气工程专业综合实验平台和实验

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[3]　刘建红,张方华,陈宝林.新一代电力电子实验装置的研制

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[4]　吴明赞,陈晓宁,潘亭等.基于LabVIEW的电机虚拟实验平

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[6]　邢岩,刘建宏,龚春英等.科研推动电力电子技术课程实践性

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