Flux與Simulink聯合仿真在電機驅動教學中的應用

摘要：現實中的電機驅動控制需要搭建電機測試平臺，并設計電機控制器，過程較為復雜、繁瑣，成本較高，對學生的要求也較高。為了提高電氣工程及其自動化專業學生理論聯系實際的能力，介紹了Flux與Simulink聯合仿真的方法，闡述了該方法的優點及具體實現過程。經教學實踐證明，在電氣工程專業教學中應用Flux與Simulink聯合仿真功能非常有必要，無論對學生加深對電機、電力電子、控制理論等學科知識的理解，還是對電機驅動控制技術的掌握，均能取得積極效果。

關鍵詞：電機驅動；Flux；Simulink；聯合仿真

中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0084-02

“電機驅動”是廣東工業大學自動化學院的一門重要課程。與其相關聯的課程較多，其中電機學是一門電氣工程及其自動化專業的專業基礎課，理論較深且內容抽象，學生普遍反映不容易掌握；而電力電子技術也作為該專業的基礎課，雖然內容容易理解，但較為瑣碎，且難于與實踐應用相結合。因此，學生們覺得以這兩門課程為基礎的電機驅動控制技術的理解與掌握更加困難。通過不斷的科研實踐，作者摸索出可以采用Flux與Simulink聯合仿真的方法來引導學生學習電機驅動控制方法。

一、“電機驅動”課程特點及電機控制系統結構組成

1.“電機驅動”的課程特點

“電機驅動”是一門專業性較強的綜合性課程，涉及的多學科多門類，包括：數學、物理、電路、電磁場、電機、電力電子技術、自動控制理論、嵌入式系統設計、PCB設計等。一方面，由于學生不一定所有相關課程都系統學習過，即使學過也不一定掌握；另一方面，由于被控對象——電機比較抽象、復雜、難懂，無形中給學生形成了一種無形的障礙，他們普遍感覺該課程比較難入門，更談不上深入理解和熟練掌握。

根據已經教學經驗和實驗收獲，筆者認為該課程不宜從局部入手，過分強調某一必要技術知識的重要性，而應該著眼全局，綜合對系統進行分析。在進行系統分析的過程中，不推薦全局性的泛泛而談，也不主張單純的紙上談兵，而應該按照某一種電機驅動（如：直流電機驅動、步進電機驅動、異步電機驅動、永磁同步電機驅動）系統的功能框圖，將系統分成若干部分或子系統，進而對各部分進行詳細的講解。

目前高性能的工業控制領域使用最多的電機為永磁同步電機，下面將對永磁同步電機的測試平臺和控制器硬件系統進行初步的介紹。

2.電機測試平臺

電機的測試平臺[1]通常由被測電機及其控制器、負載電機及負載電機變頻器、扭矩傳感器、供電電源、平臺底座、連軸器及其它機械部件通過有機連接而成。圖1為傳統旋轉電機的測試平臺實物圖。

由圖可見，電機測試平臺系統組成復雜，造價高。同時，被測電機、扭矩傳感器、連軸器和負載電機要求同軸連接，這無疑對實驗人員的技能和經驗提出較高要求。此外，對于大功率電機系統通常工作電壓較高，實驗人員需要注意用電安全；對于高速電機系統，旋轉機械部件（包括螺栓、螺母等）需要加以安全防護。

3.被測電機控制器

圖2為通常的電機控制器[2]結構圖，它包括控制板及控制板電源、驅動板及其供電電源、通信單元、多種傳感器（電流傳感器、速度位置傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等）及保護電路等，可見電機控制器的設計相當復雜。

二、優化“電機驅動”教學方法，巧用Flux與Simulink聯合仿真功能

1.“電機驅動”教學方法優化

眾所周知，興趣是最好的老師。如果對于某門課程學生毫無興趣，即使老師教案寫得再認真，備課再充分，講課再精彩，學生也只會被動地學習而不會主動地學習。而“電機驅動”作為一門對動手能力要求很高的課程，如果只是課堂聽講而缺乏課外學習，則無法收到理想的學習效果。

所以教授“電機驅動”這門課程的首要任務為激發學生的學習興趣，調動學習的積極性、主動性。在課程學習伊始，可以從學習本課程的意義和課程的應用價值著手，激發學生的學習熱情。例如可以在第一節課時，強調“為了成為未來工控領域的工程師，掌握電機控制必不可少”這一觀點，并且要向學生介紹電機驅動技術在廣泛的領域中得到應用，包括家電行業中的電冰箱、電風扇、洗衣機、抽油煙機、吹塵器、空調等，工業應用中的機器人、電動汽車、地鐵、機床、風機等，軍事應用中的雷達、電磁彈射、多軸伺服聯動、舵機伺服系統等，以及消費電子領域的隨身聽、數碼相機、筆記本電機、打印機、投影儀等。讓學生覺得電機驅動并不遙遠，普遍存在于日常應用中。

然后再考慮如何引導學生學習具有的課程內容。可以以典型的實際應用作為例子，綜合應用多種教學手段和方法，多方面多渠道地向學生講解。例如先播放一段關于介紹火箭與舵機伺服系統的視頻，采用多媒體手段讓學生了解到在火箭的舵機系統中可以利用電機驅動技術來調節火箭的飛行姿態，從而激發了學生的好奇心和學習興趣。再通過傳統板書的方式在黑板上繪制電機驅動控制的流程圖，詳細地加以解析，使學生了解電機驅動系統的組成和功能。再用PPT全面介紹電機的結構、組成、工作原理，同時介紹控制系統各個模塊的搭建和控制的流程，這樣學生對系統整體有了初步的了解。在此基礎上，通過電機仿真軟件（Ansoft，Ansys，Simploe和Flux）對被控電機的運行性能進行仿真分析，并向學生展示電機的仿真結果，使學生對電機的工作原理和特性有較直觀的了解；對控制系統的性能介紹則可以借助Matlab軟件，應用Simulink子系統根據電機控制流程搭建模型，并通過仿真分析系統性能，通過展示使學生對控制系統也有全面的了解。

四、結論

通過介紹、對比了實際的電機驅動控制與通過Flux和Simulink聯合仿真的電機驅動控制系統，顯示出后者的獨特優勢：

（1）可以通過Flux及時優化電機設計；

（2）可以方便修改電機驅動控制器硬件設計；

（3）可以通過Simulink為電機控制器添加任意控制算法；

（4）不存在潛在的實驗安全隱患，實驗成本低。

通過教學實踐證明：Flux和Simulink聯合仿真可以激發學生對電機驅動控制的學習興趣，提高他們理論聯系實際的能力，明顯改善教學效果。

參考文獻：

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（責任編輯：劉翠枝）