基于“电机学”实验室教学利用实验平台的本科毕业设计初探精选.doc

第 PAGE 页 基于“电机学”实验室教学利用实验平台本科毕业设计初析 　　1.引言 　　毕业设计作为大学期间最后学习，是学生运用所学知识与能力独立进行一次综合训练，其质量直接反映出高校毕业生综合素质与所在高校该专业办学水平[1]。电气工程及其自动化专业本科教育目标是培养具有坚实理论基础与创新能力，能较系统地掌握电工技术、电子技术、控制理论与计算机应用技术与宽广专业知识，并具备一定科技开发与科学研究能力高级工程技术人才，可见电气工程及其自动化专业，具有强电与弱电结合、软件与硬件结合、元件与系统结合、运行与制造结合特点。上述特点决定了毕业设计在该专业培养体系中具有举足轻重作用。 　　大部分高校电气工程与自动化专业电机控制方向毕业设计课题主要通过软件仿真完成，如果进行实验验证，则一方面需要DSP软件编程，另一方面需要设计与制作功率硬件电路，并在此基础上进行调试，工作量与难度都很大，与本科生知识水平与实际能力不符合，所以操作起来较困难。 　　目前大部分高校电气工程与自动化专业都有电机学与电机调速实验室，可以完成基本电机学实验与电机调速实验，也有部分高校开发了电气专业综合性实验平台，可以完成综合性实验[2]。本院有多套电机及其控制系统实验装置，实验功能齐全，确保了相关理论课程实验开出率，同时有两套交流电机控制系统实验平台，由于设备复杂不适合所有学生基础实验，只用于实验教学中演示环节。但是该设备资源并没有得到充分利用，让电气工程与自动化专业本科生在实验室里利用交流电机控制系统实验平台完成毕业设计，培养学生动手实践能力，是目前教学中需要研究与剖析问题。 　　2.交流电机控制系统实验平台特点 　　根据目前人才培养特点与电机技术及电气传动技术发展情况[3][4]，图1所示为本院电气工程及其自动化专业电机实验室，选用是浙江求是NMCL-IIIA型交直流调速控制系统实验装置，该实验台在完成传统实验项目同时，突出对现代电力电子器件与现代控制理论研究。 　　学生通过完成该实验设备开出实验，对各种器件在不同场合应用有深刻了解，对目前流行各种线路均练掌握，直至独立地设计各线路甚至系统。 　　该平台NMCL-13B是DSP控制高性能交流电机控制系统（含高分辨率编码器、采集控制软件、MATLAB软件），该实验系统，以TI公司32位高性能TMS320F2812（DSP2812） DSP必威体育精装版产品为控制核心芯片，并设计成为基于PCI总线DSP2812运动控制卡，开发出电机控制实时控制软件与MATLAB实时控制模块库。其运动控制卡，在MATLAB环境下开发了Embedded Target for TI C2000 DSP实时控制SIMULINK模块库。利用该运动控制卡与接口软件，完成交流感应电机实时控制实验。电气专业学生都选修过MATLAB，都能熟练应用该软件搭建电气模型，也有很多学生利用该软件完成毕业设计[5]。所以该平台使用MATLAB语言编写算法或者用SIMULINK库搭建电机控制算法，使电机控制算法开发变得简单。 　　3.毕业设计实例 　　直接转矩控制DTC （Direct Torque Control）变频调速技术是近十几年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来一种新型具有高性能交流变频调速技术。其控制思想新颖，动静态性能优良，得到越来越广泛应用[6]。所以将异步电机直接转矩控制交流电机系统实现作为毕业设计内容，不但能全面检查学生对电机学、电力电子技术、自动控制原理及电力拖动自动控制系统等课程学习情况，而且能很好地锻炼学生综合应用与掌握专业知识能力。该设计要求学生从异步电动机数学模型出发，推出在定子坐标系下直接控制定子磁链与转矩控制规律。再利用空间矢量概念，推导出直接转矩控制系统中电压空间矢量选择规则，采用圆形磁链轨迹控制方法，然后搭建基于MATLAB/SIMULINK 软件异步电机直接转矩控制系统（DTC）模型，对系统调速性能进行仿真验证与剖析。最后在NMCL-13B 交流电机控制系统实验平台上，构建出DSP控制高性能变频调速系统硬件控制平台，在该平台上进行实验调试，剖析其运行情况。 　　3.1 控制系统仿真模型及结果 　　学生在掌握DTC基本理论基础上，建立DTCMATLAB电气仿真模型，如图2所示，电气模型结果更接近异步电动机实际运行情况。其中，电机模型直接采用SIMULINK 电气系统模块库中Asynchronou Machines SIUints模块；采用Machine Mesurement Demux 模块可以直接观测到电机变量。该模型较复杂，里面部分程序（磁链扇区判断模块、开关电压矢量选择模块）需要利用S-function进行编程。异步电动机空载时，给定转速为1500r/min时反馈转速波形及定子磁链轨迹波形如图3所示。仿