“电机与拖动”的创新性教学改革研究

潘慧慧 丁方莉 高鹏

摘要：为解决《电机与拖动》课程传统教学中理论知识固定、学生实验动手能力较差等问题，在理论教学中引入Matlab/ Simulink仿真软件和终端滑模控制理论，学生在学习先进的控制理论的同时，可以提高自身的编程能力；在实践教学中引入半实物仿真实验平台，可以提高学生实验的积极性和实践动手能力。创新的教学模式不仅能够加强学生对该课程理论知识的理解，而且能够拓宽学生的知识面，锻炼学生的编程能力。

关键词：电机；终端滑模控制；Matlab 软件

《电机与拖动》是各大本科院校电气类专业学生的一门核心课程。该课程主要介绍了电机与拖动的基础理论和相关知识，具有比较强的理论性及实践性；同时还涉及到电磁学、数学、力学等多门学科，是一门具有综合性、应用型等特点的专业基础课程[1]。延续传统的教学方式无法取得理想的教学效果，且与新工科人才的培养目标不相符合[2]。因此，笔者针对这门课程的教学，提出了一些新颖的教学方式和教学内容，在提高学生学习电机与拖动这门课程兴趣的同时，拓展学生的知识结构，提高学生的编程能力，培养学生的动手操作能力。本文以永磁同步电机的位置控制系统为例，就“电机与拖动”课程如何进行教学改革，从下文给出的三个方面进行简要阐述。

永磁同步电机是由定子绕组、转子永磁体和端盖等部件组成，其凭借结构简单、效率高、低碳节能等优势，被广泛运用于工农业生产中。通常情况下，定子绕组线圈采用星型连接的方式，以降低附加损耗。永磁同步電机的数学模型表示如下：

其中，、分别表示定子电流、轴分量，、分别表示定子电压、轴分量，表示定子电阻，表示定子电感，表示极对数，表示转子机械角位置，表示转子机械角速度，表示磁通，表示电机负载转矩，表示转动惯量。

一、引入Matlab/Simulink仿真软件

目前，在大多数普通本科院校中，《电机与拖动》这门课程总课时为56课时，其中实验是10课时。笔者提出将Matlab/Simulink仿真软件引入到课堂教学中。以讲述电机控制原理为例，结合课本中的理论知识和Simulink工具箱中自带的永磁同步电机模块进行讲解，图1所示的是永磁同步电机模块。根据图1可知，在永磁同步电机模块中需要设置电机的定子绕组电阻、电枢电感、磁链、磁极对数、转动惯量及初始条件等相关参数。

引导学生利用Matlab/Simulink软件，并结合《控制电机》课程中已学到的Park变换和Clark变换的相关知识，绘制出图2给出的永磁同步电机位置跟踪控制系统结构框图。目前大多数永磁同步电机位置跟踪控制系统使用位置环、速度环及电流环三环控制方式。本文，将位置环与速度环相结合，设计永磁同步电机位置跟踪控制系统的位置-转速控制器。

根据图2所示的结构框图，指导学生运用Simulink搭建永磁同步电机位置跟踪控制系统的仿真模型，加深学生对电机控制理论知识的理解掌握，同时能够锻炼学生的编程能力。

二、引入终端滑模控制理论

传统PI控制器因结构简单、易于实现等特点，被广泛应用于永磁同步电机的控制系统中。但传统PI控制器无法满足现代工业控制的高标准和高要求，这是由于永磁同步电机具有时变、强耦合等非线性特性。在传统的教学中，授课老师对先进控制理论的讲述很少，导致学生对先进控制理论知之甚少。在《电机与拖动》的教学中引入目前比较热门的控制理论之一，即：终端滑模控制理论。向学生传授新的控制理论知识的同时，引导学生从理论学习向研究性学习的转变，提高学生的科研能力。

滑模控制是由前苏联学者 Emelyanov 首次提出，后经 Utkin 等学者深入研究而发展出来的一种非线性控制方法[3]。在滑模控制理论研究初期，滑模面大多设计为线性滑模面。然而，基于线性滑模面的滑模控制只能使得系统状态渐近收敛到平衡位置。为进一步提高系统的收敛特性，Zak提出了终端吸引子的概念[4]。Venkataraman 等将其引入到滑模面的设计中，提出了终端滑模控制算法[5]。终端滑模控制由于具有滑模控制和有限时间控制的双重优势，已广泛应用于电机、工业机器人、航天飞行器及多智能体等多个领域[6-8]。

教学过程中，首先向学生介绍终端滑模控制的概念，然后介绍几种常见的终端滑模面表达形式。传统的终端滑模面可以表示如下

接下来，重点给学生们讲述以上两种终端滑模面的收敛特性，让学生对终端滑模控制理论有进一步深入的了解。同时，指导学生将快速终端滑模控制算法运用到永磁同步电机控制系统的位置-转速控制器的设计中。

指导学生使用Matlab/Simulink仿真软件完成位置-转速控制器（10）的编程，加强学生对电机控制和终端滑模控制理论的理解。

三、引入电机控制的半实物仿真实验平台

《电机与拖动》是一门实用性比较强的课程，因此在教学过程中需要注重对学生动手实践能力的培养。现有的多数电机控制实验平台是针对单片机或DSP进行编程，这对于普通本科院校的学生而言有较大的难度，这也是目前部分学生在做电机与拖动这门课程相关实验参与度不高的重要原因。为提高学生实验课的参与度，本文引入图3所示的半实物仿真实验平台到实践教学中。该平台是基于 TI TMS320F28335 DSP 和 Matlab/ Simulink软件开发出来的，其是由电机对托平台和硬件在回路控制测试仿真系统组成的实验平台，如图3所示。该实验平台可以实现电机位置控制仿真、转速控制仿真、矢量变换等实验内容，可作为《电机与拖动》课程的实验平台。该半实物仿真实验平台无需针对DSP进行编程，其能够将在MATLAB/Simulink中搭建的仿真模型转化为DSP可识别的C语言，使编程过程大大简化，降低了学生实际动手操作的难度，能够有效提高学生动手实验的积极性，提升课程的教学质量。

四、结论

本文以永磁同步电机位置控制为例，阐述了“电机与拖动”课程中创新的教学内容和方式，可以获得如下教学效果：

（1）在理论教学中引入Matlab仿真软件，使得教学过程更加形象和直观，有助于学生更好地理解该课程的知识要点和难点，提高学生对课程学习的兴趣和积极性。

（2）将终端滑模控制理论引入课堂教学中，让学有余力的同学了解先进的控制理论和相关技术，拓宽学生的知识面。

（3）将半实物仿真实验平台引入实践教学中，有利于引导学生从理论学习向实践研究性学习的转变，提高学生的实践动手能力。

参考文献：

[1]李瑾.Matlab仿真在“电机与拖动基础”课程教学中的应用.科技风，2021，23：68-69.

[2]武海军.强化应用提高《电机技术》课程教学质量［J］.科技风，2018，12： 37.

[3]V Utkin. Sliding modes in control and optimization [M]. Berlin：Springer Science and Business Media， 2013.

[4]M Zak. Terminal attractors for addressable memory in neural networks [J]. Physics Letters A， 1988， 133（1-2）： 18-22

[5]S Venkataraman， S Gulati. Control of nonlinear systems using terminal sliding modes [J]. Transactions of the ASME， Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control， 1993， 115（3）： 554-560.

[6]P Zhu， Y Chen， M Li. Terminal sliding mode control of permanent magnet synchronous motor based on the reaching law [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2020， 234（7）： 849-859.

[7]X Shao， G Sun， C Xue， and X Li. Nonsingular terminal sliding mode control for free-floating space manipulator with disturbance [J]. Acta Astronautica， 2021，181： 396-404.

[8]D Lee. Fault-tolerant finite-time controller for attitude tracking of rigid spacecraft using intermediate quaternion [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2020， 57（1）： 540-553.

基金項目：安徽省高等学校科学研究项目“不确定非线性有限/固定时间稳定滑模控制策略研究”（2022AH051759）；安徽省高校优秀青年人才支持项目“有限时间收敛抗扰控制在机载光电载荷中的应用研究”（gxyq2022094）；安徽省高等学校科学研究项目“基于扩展状态观测器的交流伺服系统复合控制策略研究”（2022AH051752）；安徽省铜陵学院人才科研启动基金项目“基于数据驱动理论的永磁同步电机调速系统无模型滑模控制策略研究”（2022tlxyrc33）；安徽省铜陵学院人才科研启动基金项目“不确定机器人的有限时间滑模跟踪控制研究”（2022tlxyrc34）

作者简介：潘慧慧（1989—  ），女，江苏大丰人，博士，铜陵学院电气工程学院讲师，研究方向：终端滑模控制、机电控制。