《电机与拖动基础》试验实施应用型教学的探索

朱云国 尹爱勇 江春红

（1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.铜陵学院，安徽 铜陵 244000；3.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000）

《电机与拖动基础》试验实施应用型教学的探索

朱云国1，2尹爱勇3江春红2

（1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.铜陵学院，安徽 铜陵 244000；3.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000）

电机与拖动基础的学习过程中，做实验是理论学习的补充和拓展。文章针对传统实验的不足，首先分析了仿真实验的必要性以及软件的实现方法；通过举例分析了运用MATLAB进行电机与拖动仿真实验的可行性和优越性。

电机与拖动基础；MATLAB；仿真实验

1 .前 言

现代化的生产过程中，电机担负着机电能量转换的重要任务，在各个领域得到广泛的应用，它支撑着工农业生产、交通运输和国防建设的正常运行。电机与拖动基础是用来指导电机系统分析和设计的，它已经成为许多行业技术人员必备的知识。因此，为了满足社会的需求，培养出优秀的科技人才，铜陵学院自动化专业和机电一体化专业的学生必须加强对“电机与拖动基础”这一专业基础课的学习。“电机与拖动基础”的课程特点是具有强的理论性又相对较抽象，这种综合性给学生的理解带来很大的困难，需要借助实验加深对课堂学习内容的理解、培养学生创新能力。但铜陵学院开设的该课程实验，仍处于传统实验阶段，实验内容没有从模块化、系统化的角度整体考虑，学生以被动接受为主，忽视了学生作为学习主体的地位，不利于学生主动获取知识能力的培养，使学生缺乏创新等能力。另外，实验平台台套数紧张，难以满足日益扩大的招生规模的需求，实验平台的建设需要大量的资金投入，但因资金和实验室面积有限，随着招生规模的进一步扩大，这种窘迫情况势必更加严重。电机拖动基础实验学时较少，要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容，显然是很困难的。而采用软件仿真实验替代硬件实验的办法，学生可以在个人电脑上进行仿真实验，将为学生进行自主实验、综合实验和创新实验提供广阔的发展空间。使用Matlab仿真实验与传统实验手段相结合，互相弥补，使实验内容形象直观，易于理解;实验过程更生动清晰，提高了实验效率，激发了学生学习的主动性。

2 .MATLAB Simulink概述

MATLAB 是著名数学软件，凭借强大的计算能力，已经发展成一种具有广泛前景的、全新的计算机高级编程语言，人称它为“第四代”计算机语言，当前已成为美国和其他发达国家大学本科生、硕士生、博士生必备工具。它不但有很好的助学性能，而且有很好的教学性能，在我国很多教师和学生正逐步将MATLAB作为重要的仿真工具。

在MATLAB中的Simulink工具箱提供了系统模型图形输入与仿真工具，为准确建立系统模型和进行仿真分析提供了开发式的体系结构。Simulink为动态系统设计开发提供直观的、图形化的仿真环境，MATLAB为数据分析、可视化与算法开发提供强大的计算能力，它们共同建立了一个灵活的、综合的、有丰富特性的动态系统设计环境，为用户对这一平台进行扩展或开发自己的工具提供了丰富技术支持。

（1）可视化建模。Simulink建模时是可视化的，只需在Simulink图块元件库中选择合适的模型块拖放到Simulink建模窗口就可迅速建立动态系统的框图模型。Simulink图块元件库可用于构成各种不同种类的动态系统。

（2）设计及模拟快速、准确。Simulink优秀的积分算法给非线性系统仿真带来了极高的精度。先进的常微分求解器可用于求解刚性的和非刚性的系统、具有事件触发或不连续状态的系统和具有代数环的系统。Simulink的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真高速、准确地进行。同时，Simulink还为用户准备一个图形化的调试工具辅助用户进行系统开发。

（3）交互式的仿真分析。Simulink的示波器可以动态、图形化的显示数据，能够在仿真运算过程中随时监视仿真结果。Simulink的交互仿真使假设分析简单易行，运行中可随时改变模型参数并立刻观察改动结果。由于Simulink完全集成于MATLAB，在Simulink下计算的结果可保存到MATLAB的工作空间中，因而还能使用MATLAB所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。

3 .基于MATLAB的仿真试验

3.1MATLAB软件的语言入门要求低MATLAB中的编程是一个单一的易学易用的环境，编辑器可以将MATLAB语言编写的m文件自动转换成C或C++文件，支持用户进行独立的应用开发。可以进行传统实验所不能进行的综合性的实验。MATLAB作为计算工具具有明显的优势，其编程风格与实际问题的分析十分的接近，编程语言接近数学语言，在当今科学及计算领域内居于领先地位，是当今工程技术人员必须掌握的工具软件。下面以交流磁路电流畸变分析为例，仿真分析：

（1）磁通Φ与电流I之间的关系Φ=f（I）；

（2）分析磁通Φ与时间t之间的关系Φ=f（t）；

（3）通过上述对应关系确定电流I和时间t之间的关系I= f（t），这就是电流的畸变规律。

已知交流磁路磁化数据如表1所示：

表1 某交流磁路磁化数据

在MATLAB中编程如图1所示，用spline函数，根据样点数据求励磁电流对应的样条插值，就是根据样点数据（I，Ψ），求对应于Ψ数据的插值I。spline函数三次样条插值，属于插值精度很高的方法。

图1 MATLAB中的m文件

图2 MATLAB仿真中的输出波形图

3.2随意改变模块参数首先学生在做传统的实验时，面对的是各个实验环节，对复杂控制电路往往不知所措，只是依据给定的电路进行接线；对于控制系统的参数，不知如何调整，而是胡乱地调节电位器值和电容值，很容易造成控制电路和电机的损坏；更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数，显然不会对课堂学习的内容加深理解，这使得学生对实验不感兴趣；另外实验设备高度集成，可扩展性差，难以开展综合性实验；MATLAB Simulink进行仿真时，具有一个无论是用在教学中还是用在研究中都非常优秀的特点：可以改变各个模块的参数，然后通过示波器立即观察由于参数改变而引起的系统变化。这个特点可以进一步提高学生讨论和思考问题的积极性，能引导学生进一步研究复杂问题中不同参数在系统中所产生的影响及不同参数间的相互作用关系。采用方框图绘制来代替程序的编写，使系统编写具有可视化的功能，不仅有利于教师根据课程特点编写多媒体课件，而且可培养学生独立获取知识的能力及提高学生借助于计算机解决工程实际问题的能力。下面我们以一台他励直流电机，要求仿真实验电枢回路串电阻三级起动为例：

图3 直流电动机串电阻起动仿真模型

其中电动机的额定参数为PN=17kW,UN=220V,IN=88.9A, nN=3000r/min,电枢回路总电阻为Ra=0.087Ω,励磁回路总电阻为RF=181.5Ω，电动机转动惯量为J=0.76kg·m2。

图4 三级起动变阻箱的电路模型

图5 他励直流电动机分级起动的仿真结果

图4三级起动变阻箱的电路模型封装后就是图3直流电动机串电阻起动仿真模型中的变阻箱的仿真模型。通过计算得额定负载转矩为TL=60.1N·m,电动机的最大允许电流一般为额定电流的2.5倍，故最大电流设计在200A，为确保电动机起动，最小转矩应至少大于额定负载转矩，所以最小起动电流定在100A。从图5的仿真结果可以看出，起动过程中，电流能被限制在100-200A，没有发生过电流的情况；实现了转速的近似平滑上升；并且保证了转矩在一个相对较大值。图5清楚的反映了起动中的电压、电流、转速和电磁转矩的变化规律。

4 .结论

为了适应现代教育发展的需要，实验教学必须不断更新教学方法与手段，深化教学改革。MATLAB是一种科学计算软件，在实验中利用MATLAB进行分析、计算和设计，仿真实验课使实验在一种“问题—实践—交流—猜想—推证—解决”的新模式中进行，可以使实验方法得到改进，积极推进课程建设的发展。利用MATLAB Simulink工具箱及m文件编程，能构建所需系统仿真模型和开发各种控制界面，激发学生对实验设计的兴趣，有利学生创新思维的培养，提高学生分析和解决实际问题以及理论联系实际的能力。学生通过课堂学习，传统实验仿真实验相结合，提高了实验效率和实验水平，也可以为我们的实验室投资节省一大笔宝贵的经费。MATLAB仿真实验必将成为我们教学和科学研究中最常用且必不可少的工具。

［1］黄永安，马 路，刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

［2］洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：机械工业出版社，2006.

［3］潘晓晟，郝世勇.MATLAB电机仿真精华50例[M].北京：电子工业出版社，2007.

［4］苏晓生.掌握MATLAB6.0及其工程应用[M].北京：科学出版社，2002.

G642

A

1672-0547（2010）01-0108-02

2009-08-01

朱云国（1976-），男，安徽宿松人，铜陵学院电气工程系副教授，合肥工业大学电气与自动化工程学院博士研究生，研究方向：智能控制、电力电子技术。