基于模型設(shè)計(jì)的方法在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

高寧宇 楊慧

摘 要 為了提高電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)效率，將基于模型設(shè)計(jì)的方法應(yīng)用于該課程的綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。以三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)為教學(xué)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)Simulink模型構(gòu)建、C程序代碼自動(dòng)生成、硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，教學(xué)效果顯著，基于模型設(shè)計(jì)的方法有助于學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)；基于模型設(shè)計(jì)的方法；MAT-LAB；Simulink；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）22-0118-04

Application of Model-Based Design in Experimental Teaching of Electric Drive Automatic Control System//GAO Ningyu， YANG Hui

Abstract In order to improve the teaching effect of the electric drive automatic control system course， a model-based design method is applied to the comprehensive and research experiments for this course. The ac asynchronous motor vector control system is used as a teaching case， the paper introduces the whole development process including the model building， the code generation， and the hardware experimental verification. The result of the teaching reform is significant， which show that students engineering practice ability and innovation ability have been greatly improved.

Key words electrical drive and automatic control system; method of?model-based design; MATLAB; Simulink; experimental teaching

0 引言

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程體系中是一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)課，已成為電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)等多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合學(xué)科[1]。該課程具有理論性強(qiáng)、與工程實(shí)踐聯(lián)系密切的特點(diǎn)，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)活動(dòng)中具有重要地位。工程上大多數(shù)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是基于DSP實(shí)現(xiàn)的，目前，課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等因素的制約，學(xué)生只能完成一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或者M(jìn)ATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不利于工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中引入基于模型設(shè)計(jì)（Model-Based Design，MBD）的方法，用于綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量與效率，使學(xué)生具備解決電機(jī)控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1 基于模型設(shè)計(jì)的方法

MBD出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，是一種軟件開(kāi)發(fā)流程，是將MATLAB/Simulink仿真技術(shù)與代碼生成技術(shù)的有機(jī)融合，被廣泛運(yùn)用于汽車(chē)電子信號(hào)處理、工業(yè)控制、通信等行業(yè) [8-9]。

MBD把模型設(shè)計(jì)作為整個(gè)開(kāi)發(fā)流程的核心，以MATLAB/Simulink作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Simulink和CCS聯(lián)合仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)Simulink仿真模型到C程序代碼自動(dòng)生成、編譯、下載、測(cè)試。在這一開(kāi)發(fā)流程中不需要手寫(xiě)代碼，即可完成仿真驗(yàn)證和硬件實(shí)物驗(yàn)證。

MBD的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。首先，根據(jù)項(xiàng)目需求確定電動(dòng)機(jī)控制策略，搭建MATLAB/Simulink仿真模型并調(diào)試與優(yōu)化；其次，仿真成功后，在仿真模型基礎(chǔ)上保留控制算法部分，將模型的信號(hào)源和信息接收部分模塊轉(zhuǎn)換為輸入輸出端口，實(shí)現(xiàn)算法模型與底層驅(qū)動(dòng)的集成，構(gòu)建基于DSP的代碼模型；再次，使用Simulink中嵌入式編碼器（EmbeddedCoder）工具自動(dòng)生成為C代碼、調(diào)用CCS，程序代碼在CCS環(huán)境下編譯、下載到電機(jī)控制目標(biāo)板卡；最后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證[10-11]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

交流電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由整流電路、三相逆變器、三相異步電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、DSP電機(jī)控制器、增量式光電編碼器、計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。利用PC機(jī)上的MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，不斷驗(yàn)證算法的可靠性。PC機(jī)通過(guò)XDS510仿真器與DSP連接進(jìn)行通信，將MATLAB/Simulink平臺(tái)中的系統(tǒng)仿真模型生成C代碼并下載到DSP板中運(yùn)行。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，MBD被用于交流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可增開(kāi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：基于SPWM開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)；基于SVPWM開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)；基于馬鞍波脈寬調(diào)制的開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)；三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)；三相異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)這些項(xiàng)目的鍛煉，可以實(shí)現(xiàn)將電機(jī)控制技術(shù)理論知識(shí)、仿真驗(yàn)證與工程實(shí)際相結(jié)合。同時(shí)，MBD在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，可以拓寬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量與種類(lèi)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

下面以三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制（Vector Control，簡(jiǎn)稱(chēng)VC）系統(tǒng)為例，說(shuō)明MBD在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 VC實(shí)驗(yàn)原理

三相異步電動(dòng)機(jī)VC系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要由坐標(biāo)變換、SVPWM生成模塊、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr計(jì)算模型、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、Ψr調(diào)節(jié)器AΨR、定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器ACMR、定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器ACTR、轉(zhuǎn)速傳感器FBS等組成。

3.2 基于模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)流程

3.2.1 搭建三相異步電動(dòng)機(jī)VC系統(tǒng)的仿真模型 根據(jù)圖3建立三相異步電動(dòng)機(jī)VC系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。系統(tǒng)可以分成主電路和矢量控制兩部分。主電路部分由直流電源Udc、逆變器（inverter）、異步電動(dòng)機(jī)（asynchronous machine SI units）和電機(jī)測(cè)量（machine demux）等模塊組成。其中，實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=1.115 Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.083 Ω，定子電感轉(zhuǎn)子電感Lsl=0.005 974 H，轉(zhuǎn)子電感Llr=0.005 974 7 H，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.203 7 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02 kg·m2，極對(duì)數(shù)np=2，額定電壓UN=380 V，額定頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1460 r/min；逆變器采用SVPWM控制，開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz，直流電源Udc=510 V。

設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)和PI控制器參數(shù)后，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。仿真條件為給定轉(zhuǎn)速120 rad/s，電機(jī)空載起動(dòng)，t為1 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載為5 N·m，仿真結(jié)果如圖5所示，仿真結(jié)果反映系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較好的抗干擾能力。

3.2.2 建立基于DSP處理器的Simulink代碼模型與代碼生成 仿真正確后，在圖4仿真模型的基礎(chǔ)上，刪除三相異步電動(dòng)機(jī)和外部主電路，保留控制算法部分和相關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊添加DSP的外設(shè)模塊，與控制算法部分的I/O端口相連。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電機(jī)控制芯片是TI公司的TMS320F2812，在Simulink庫(kù)中利用目標(biāo)選擇模塊（C2000 Target Pre-ferences）選擇F2812 eZdsp模塊，該模塊用于設(shè)置DSP

2812目標(biāo)板卡型號(hào)、時(shí)鐘頻率、仿真器及處理器等參數(shù)。TMS320F2812芯片的各個(gè)外設(shè)模塊如ADC、QEP、ePWM、eCAN等均以模塊化的形式集成在Simulink的C2000系列的硬件支持包里。經(jīng)過(guò)正確配置各模塊參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)后，得到基于DSP處理器的Simulink完整的代碼模型，如圖6所示。

Simulink代碼模型建立后，利用嵌入式編碼器（EmbeddedCoder）工具，將Simulink代碼模型自動(dòng)生成實(shí)時(shí)C代碼，并自動(dòng)鏈接CCS，經(jīng)過(guò)編譯生成DSP可執(zhí)行的程序代碼文件（.out）。

3.2.3 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證 將可執(zhí)行的程序代碼文件下載到DSP實(shí)驗(yàn)板卡上運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。觀察運(yùn)行結(jié)果，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析和工程要求，也充分說(shuō)明了MBD應(yīng)用于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的可操作性和高效性。

3.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、教師講解、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)五個(gè)階段組成。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師通過(guò)課程學(xué)習(xí)QQ群上傳基于模型設(shè)計(jì)的相關(guān)預(yù)習(xí)資料，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成預(yù)習(xí)；教師分解實(shí)驗(yàn)任務(wù)，介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并解答學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)存在的疑問(wèn)；學(xué)生自主分組、分工合作，完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；最后，教師進(jìn)行驗(yàn)收，學(xué)生撰寫(xiě)總結(jié)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)重視過(guò)程性評(píng)價(jià)，從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)成果驗(yàn)收、實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告四個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)占20%，考核系統(tǒng)方案的正確性、電路原理圖設(shè)計(jì)的規(guī)范性、仿真軟件設(shè)計(jì)的合理性與驗(yàn)證正確性、報(bào)告撰寫(xiě)的規(guī)范性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程占30%，實(shí)驗(yàn)人數(shù)2～3人一組，考核對(duì)基本知識(shí)的掌握程度、分析和解決問(wèn)題的能力、自主思考和獨(dú)立實(shí)踐能力，由組員協(xié)商，按照分工情況和貢獻(xiàn)程度進(jìn)行分配。實(shí)驗(yàn)成果驗(yàn)收與總結(jié)報(bào)告占50%，考核實(shí)驗(yàn)完成程度，調(diào)試步驟和運(yùn)行效果的完整性、正確性，調(diào)試現(xiàn)象的描述、分析與解釋。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以三相異步電動(dòng)機(jī)VC系統(tǒng)為例，采用基于模型設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)從算法設(shè)計(jì)到硬件平臺(tái)運(yùn)行的所有階段。基于模型設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用不僅避免了手寫(xiě)代碼，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效率，拓展了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量，而且加深了學(xué)生對(duì)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)理論知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高了學(xué)生工程素養(yǎng)和解決電機(jī)控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

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