“控制电机”的创新性教学研究

高鹏 杨路

[摘 要] 在“控制电机”的传统教学方法上，首先提出将Matlab/SIMULINK软件全程引入该门课程的教学中来;其次提出将先进的控制理论引入日常教学，在学习新的控制理论知识的同时，还能够提高学生利用仿真软件编程的能力;最后提出结合新型的实验操作平台，提高学生的动手操作能力。这些创新性的教学方式和教学内容能够在拓展学生学习知识的同时，也有效地提高了学生学习电机课程的积极性和兴趣。

[关键词] 电机;控制理论;仿真软件

[基金项目] 2017年安徽省教育厅自然科学重点基金项目“媒体融合下基于增强现实的高校网站富媒体化建设研究”（KJ2017A471）

[作者简介] 高 鹏（1984—），男，安徽阜阳人，铜陵学院电气工程学院讲师（通信作者），南京工业大学电气与控制工程学院2018级工程热物理专业博士研究生，研究方向为先进控制理论、机电控制;杨 路（1985—），女，安徽安庆人，安徽公安职业学院公安科技系讲师，南京工业大学电气与控制工程学院2019级工程热物理专业博士研究生，研究方向为先进控制理论、机电控制。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）40-0303-03    [收稿日期] 2020-04-06

由于我国的电机在各种工业领域得到广泛的应用，“控制电机”作为电气类专业学生一门重要的专业课，在我国的应用型本科院校得到广泛的开设，该课程在培养高级电气类应用型人才方面具有重要地位，该课程主要传授各类电机的工作原理以及相关控制原理。目前的“控制电机”教学主要存在控制理论比较固定、理论传授较为传统、学生实验动手能力不强等问题，为了解决这些问题，本文以永磁同步电机的转速控制为例，分三部分阐述如何进行“控制电机”创新性教学。[1]

永磁同步电机目前被广泛应用于各类工业场合。永磁同步电机由定子绕组和转子永磁体组成。定子上的绕组通常是星形连接的，以减少杂散损耗。三相平衡交流电流与相位差的负载在三相永磁同步电机的固定绕组上，其中永磁同步电机的定子电压如下。

一、Matlab/SIMULINK的应用

目前的“控制电机”课程主要还是以课堂教学为主，大多数本科高校的理论课时都在32个学时左右，本文提出在不改变目前课时分配的基础上，将Matlab/SIMULINK软件全程引入该门课程的教学中来，本节以永磁同步电机控制原理讲解为例，利用SIMULINK库中的永磁同步电机已有的模型结合课本进行教学，图1为SIMULINK库中的永磁同步电机模型。从图1中，我们可以看出，我们可以根据需要设置该电机的永磁体的磁链、电机的极对数、旋转惯性、定子绕组电阻等参数。

结合学生在前期课程中已经学习掌握的Clark变换和Park变换的知识，利用Matlab/SIMULINK软件搭建永磁同步电机控制系统，该电机的控制原理框图如图2所示：

利用构建如图2所示的永磁同步电机控制系统框图指导学生在Matlab/SIMULINK软件搭建如图3所示的永磁同步电机转速仿真图，能够加深学生对该类型电机控制理论的理解，并且通过Matlab/SIMULINK软件的运算结果对电机的运行特性有了直观的认识。

二、先进控制理论的应用

传统的线性控制器由于其结构简单，在永磁同步电机的控制中得到了广泛的应用，在传统的“控制电机”教学中线性控制理论占据主要地位。但由于永磁同步电机的未知扰动、时变、强耦合，传统的线性控制器不能满足高性能的控制要求[2，3]。因此，许多不同的高级控制理论被应用到提高永磁同步电机控制性能中来，如自抗扰控制、反步控制、有限时间控制、模型预测控制、模糊逻辑控制、分数阶滑模控制和鲁棒控制。本文将目前新型的控制理论，即：自抗扰控制理论和分数阶滑模控制理论引入“控制电机”的教学中来。在引导学生学习新的控制理论知识的同时，还能够提高学生利用仿真软件编程的能力。

自抗扰控制理论是由传统PID控制理论导出的，自抗扰控制理论比PID控制器具有更高的稳定性和鲁棒性。非线性自抗扰控制理论是韩京清先生于2009年提出的，旨在开发一种替代经典PID的实用控制方法，自抗扰控制理论是一种不依赖于植物精确数学模型的新控制方法。自抗扰控制理论由跟踪微分器（TD）、扩展状态观测器（ESO）和状态误差反馈（SEF）组成，TD用于安排瞬态过程，ESO用于估计系统的总扰动，SEF用于限制系统中的残差，自抗扰控制理论强调使用ESO及时估计系统中的总扰动，包括内部未建模动力学和外部扰动。经过多年的发展，自抗扰控制理论不仅在理论上取得了很大的进步，而且在应用上也取得了很快的进步。在“控制电机”教学中，我们可以基于图4讲授基于自抗扰控制理论的电机控制理论和应用。

分数阶滑模控制理论是近年来兴起的一项新的控制理论。首先，由于滑模控制理论的鲁棒性和简单性，滑模控制理论已经被广泛应用了几十年，许多研究人员提出了几种滑模控制理论策略。与整数阶控制器相比，使用分数阶积分器和微分器的额外自由度使得进一步提高控制效果成为可能。近年来，许多基于不同形式的分数阶滑动面的滑模控制理论策略得到了广泛的应用。教学中先教会学生掌握一定的分数阶微积分的概念和定义，Riemann-liouville分数阶导数和函数积分[3]：

再以分数阶微积分为基础结合滑模控制理论，教会学生掌握分数阶滑模控制理论的基本概念和应用方法。

分数阶滑模滑动面被定义为[3]：

在课堂教学中，结合Matlab/SIMULINK軟件完成算法（13）的编程工作，加深学生对这一新控制理论的理解和掌握。

三、实际电机控制系统的应用

实践动手能力的培养，在本门课程中同样占据重要地位。但目前电机控制平台多是基于各型号DSP或者各类单片机，这些微处理器的学习对于普通本科院校的学生来说往往较为困难，这些学习困难也是造成目前控制电机课程学生不愿动手实际操作的一个重要原因。故本文引用一种新型的半实物实验平台到实践教学中来，以提高学生的实际动手操作能力（见图5）。该平台是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink开发，包括电机控制仿真、信号采集、PWM产生、矢量变换等实验内容，可作为电机控制课程的实验平台。该实验平台不需要针对TI TMS320F28335 DSP进行编程，该平台使用cSPACE半实物实验系统，可以直接将MATLAB/Simulink中的模块语言转变成DSP能够识别的C语言，从而简化了编程过程，降低了学生实际动手操作的门槛，可以大大提高学生动手的兴趣，提高该门课程教学效果。

参考文献

[1]李仁忠.《控制电机》的教学方法探索[J].教育教学论坛，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.