新型初級永磁直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

曹瑞武，張之梁

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016)

“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”作為電氣工程及其自動化專業(yè)的特色課程，它在“電機(jī)學(xué)”、“微特電機(jī)”和“永磁電機(jī)”等課程的基礎(chǔ)上，著重討論直線電機(jī)的基本概念及結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性和分析設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生能夠分析和解決直線電機(jī)在工業(yè)自動化驅(qū)動系統(tǒng)中的實(shí)際問題[1]。因此，直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的課程必須與最新的應(yīng)用背景相結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對不同電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、運(yùn)行特性和基礎(chǔ)知識的掌握，豐富學(xué)生的知識面，提高他們的創(chuàng)新能力。

1 直線電機(jī)及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

隨著工業(yè)自動化、軌道交通、垂直提升系統(tǒng)和電磁彈射系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)已成為上述領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，直線感應(yīng)電機(jī)、永磁同步直線電機(jī)和開關(guān)磁阻直線電機(jī)在上述領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，也是“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”課程教學(xué)中的主要內(nèi)容。然而，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，常見的各種直線電機(jī)都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。例如，在軌道交通等長距離驅(qū)動場合，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動方式相比，直線感應(yīng)電機(jī)的次級定子僅由銅和鋁組成，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，施工成本低具有較大的優(yōu)勢。然而，與永磁同步直線電機(jī)相比，直線感應(yīng)電機(jī)具有效率低和功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。然而，如將傳統(tǒng)的永磁同步直線電機(jī)應(yīng)用在長距離驅(qū)動系統(tǒng)中，無論將永磁同步直線電機(jī)的次級永磁體，還是將初級電樞繞組沿著軌道鋪設(shè)，都會帶來系統(tǒng)成本升高和維護(hù)不便。開關(guān)磁阻直線電機(jī)次級僅由導(dǎo)磁鐵心組成，在長距離驅(qū)動系統(tǒng)中具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是該電機(jī)推力波動較大，效率較永磁同步直線電機(jī)低。此外，在電磁彈射系統(tǒng)中，現(xiàn)有直線電機(jī)也存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，在“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”教學(xué)過程中不僅要講解常見直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本原理，還要介紹其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合，并指出新型直線電機(jī)的研究方向。作為該課程的實(shí)踐教學(xué)部分，本文介紹的新型初級永磁直線電機(jī)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺及教學(xué)探索，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，利用該平臺進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)效率，而且可以掌握相關(guān)專業(yè)軟件，提高創(chuàng)新能力。

2 專業(yè)化軟件及實(shí)踐

2.1 專業(yè)軟件應(yīng)用的特點(diǎn)

“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”課程與工程聯(lián)系緊密，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，在做好理論教學(xué)的同時，更要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，制定可實(shí)施的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容。培養(yǎng)研究生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，使學(xué)生更好的學(xué)習(xí)電氣工程相關(guān)專業(yè)課程。

由于電機(jī)內(nèi)的電磁場較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的磁路法分析計(jì)算電機(jī)的靜態(tài)電磁特性對大多數(shù)學(xué)生而言較為困難。為了方便學(xué)生弄清電機(jī)的基本原理，掌握電機(jī)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，需要采用仿真分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式[3]。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺實(shí)驗(yàn)過程中采用有限元分析軟件及Matlab/Simulink軟件。由于這兩個軟件也是我?！半姍C(jī)與電器”方向研究生從事科研必備的工具，學(xué)生在平時的科研活動中已有一定的基礎(chǔ)。因此，本課程采用這兩種軟件有利于學(xué)生快速掌握有限元分析和系統(tǒng)仿真環(huán)節(jié)。此外，由于新型初級永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，為了更好的了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及繞線方式，需要增加電機(jī)結(jié)構(gòu)分析及繞組制作實(shí)踐環(huán)節(jié)[4]。

2.2 電機(jī)特性有限元仿真分析

本仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺選用了ANSYS Maxwell仿真軟件。在熟悉新型電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，學(xué)生只需熟悉該軟件的建模方法、繪制電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型、設(shè)置相關(guān)部件的材料、設(shè)置相關(guān)邊界條件及求解模式，即可求解電機(jī)的電磁特性。同時，為方便學(xué)生快速分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型電機(jī)電磁特性的影響，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺還提供新型初級永磁直線電機(jī)參數(shù)化和可視化仿真模型，學(xué)生只需根據(jù)電機(jī)額定推力、功率和速度等要求修改相關(guān)參數(shù)即可完成電機(jī)特性仿真，導(dǎo)出電機(jī)的磁鏈、反電勢、電感、電磁推力和定位力等仿真數(shù)據(jù)。

采用有限元軟件的教學(xué)方法給學(xué)生更大的自由度和設(shè)計(jì)空間，同時也節(jié)省時間，幫助學(xué)生將更多的時間用在電機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁特性的優(yōu)化和創(chuàng)新上。由圖1示出的新型初級永磁直線電機(jī)局部模型的磁場分布可知，該電機(jī)的永磁體和電樞繞組全部置于電機(jī)初級動子上，而次級定子僅由導(dǎo)磁鐵心組成，如將該電機(jī)用于軌道交通等長距離驅(qū)動場合，不僅可以降低系統(tǒng)的成本而且能夠提高效率[5]。

圖1 新型初級永磁直線電機(jī)磁場分布

2.3 電機(jī)及控制系統(tǒng)Matlab仿真通過有限元分析軟件可以快速的分析和計(jì)算電

機(jī)的靜態(tài)電磁特性，如空載反電動勢、磁鏈、定位力和推力等特性。為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)的動態(tài)特性、硬件電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略等內(nèi)容，需要建立電機(jī)及整個驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，通過系統(tǒng)仿真軟件可以驗(yàn)證控制策略及整個系統(tǒng)不同模塊連接的正確性，為實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

Matlab軟件中的 SPS(Simulink和 Power System)工具箱可以實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)和驅(qū)動控制系統(tǒng)建模，被廣泛用來研究電機(jī)、電力系統(tǒng)和電力電子驅(qū)動控制系統(tǒng)仿真。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺基于此軟件，在新型初級永磁直線電機(jī)的靜態(tài)特性、數(shù)學(xué)模型和控制策略的基礎(chǔ)上，建立了該電機(jī)控制系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，其主要結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該仿真模型采用了模塊化結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)模塊、功率變換器模塊、主控制器模塊、運(yùn)動與負(fù)載模塊、位移和速度控制模塊和顯示輸出單元等部分組成。其中功率變換器模塊就是SPS工具箱中用于功率變換器仿真的專用模塊，只要輸入相應(yīng)功率器件的開關(guān)邏輯控制信號，就可以自動完成考慮吸收回路和續(xù)流等影響因素的功率變換器電路的建模，大大簡化了繞組電壓的建模過程。電機(jī)本體模型可根據(jù)新型初級永磁直線電機(jī)基本電壓方程、磁鏈方程、推力方程和運(yùn)動方程，利用Simulink模塊來實(shí)現(xiàn)。給定位移模塊、給定速度模塊、負(fù)載給定模塊以及主控制器模塊均采用Simulink模塊和SPS構(gòu)建。同時應(yīng)用了接口模塊進(jìn)行端口設(shè)計(jì)，將這些子模塊組合起來就是新型初級永磁直線電機(jī)控制系統(tǒng)。

圖2 基于Matlab/Simulink的電機(jī)及系統(tǒng)仿真模型

通過該仿真平臺，可以幫助學(xué)生熟悉Simulink建模方法，了解電機(jī)建模過程，理解新型電機(jī)控制策略實(shí)現(xiàn)方式，觀察電機(jī)的動態(tài)特性。在學(xué)習(xí)過程中，指導(dǎo)教師按模塊對整個仿真系統(tǒng)進(jìn)行講解，使學(xué)生快速掌握該新型電機(jī)的整個控制系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)不同的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整電機(jī)的給定速度、給定位移和負(fù)載大小，對電機(jī)進(jìn)行仿真分析和研究。此外，基于此仿真平臺，學(xué)生可以通過交互式界面，直接修改電機(jī)模型的參數(shù)和控制模塊PI參數(shù)，仿真分析不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的動態(tài)特性，大大提高實(shí)驗(yàn)效率。同時，該仿真平臺還可以與dSPACE無縫連接，為完成新型初級永磁直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。

2.3 電機(jī)繞組及結(jié)構(gòu)實(shí)踐環(huán)節(jié)

由于新型初級永磁直線電機(jī)的初級動子中包含U型硅鋼片、電樞繞組和永磁體，次級僅由導(dǎo)磁鐵心組成，因此其結(jié)構(gòu)和繞組繞線方式等與傳統(tǒng)的直線電機(jī)不同。為了更好地讓學(xué)生了解該電機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們結(jié)合電機(jī)的實(shí)際動子U型疊片、動子模塊和定子模塊對學(xué)生進(jìn)行講解。在講解完直線電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)及繞線方法后，給每組學(xué)生提供一個小型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)動子鐵心、絕緣紙、槽楔、線圈以及下線工具，讓他們檢測相鄰模塊中永磁體的充磁方向，判斷繞組接線方式，再進(jìn)行繞組下線。在此過程中讓學(xué)生熟悉槽滿率、充磁方向和繞線連接方式等對電機(jī)性能可能產(chǎn)生的影響，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動手能力。圖3為該新型初級永磁直線電機(jī)的動子U型疊片、動子模塊和定子模塊實(shí)物圖。

圖3 初級永磁直線電機(jī)沖片及電樞繞組

3 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

本文提出的新型初級永磁直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺基于dSPACE實(shí)時仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺。非常適合實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜算法，它具有運(yùn)算速度快、使用方便和界面友好等優(yōu)點(diǎn)，已被越來越多地應(yīng)用到汽車、機(jī)械和電力電子等產(chǎn)品的研究開發(fā)中。

dSPACE實(shí)時系統(tǒng)具有很多其它仿真系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn):①組合性強(qiáng):dSPACE在設(shè)計(jì)時考慮了大多數(shù)用戶的需求，可以對系統(tǒng)進(jìn)行多種組合;②過渡性好，易于掌握使用:由于dSPACE與Matlab/Simulink無縫連接，使廣大Matlab用戶可以輕松地掌握dSPACE的使用;③快速性好:用戶可以在幾分鐘之內(nèi)完成模型/參數(shù)的修改、代碼的生成及下載等工作，從而可以在短期內(nèi)完成對原型的反復(fù)更改和實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率和熱情;④性價比高:可以用dSPACE進(jìn)行不同電機(jī)的開發(fā)或?qū)崟r仿真測試;⑤實(shí)時性好:一旦代碼下載到實(shí)時系統(tǒng)，代碼本身將獨(dú)立運(yùn)行;⑥可靠性高，可避免實(shí)驗(yàn)過程中由于系統(tǒng)不可靠而帶來的問題，提高學(xué)習(xí)效率。

利用dSPACE開發(fā)工具的實(shí)時控制系統(tǒng)主要分為以下幾個步驟:

(1)利用Matlab/Simulink建立被控對象及控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行離線仿真，確定控制器參數(shù)。

(2)保留Simulink控制部分模型，將輸入/輸出口(I/O)信號通過RTI庫中相應(yīng)的模塊連接，并對I/O參數(shù)進(jìn)行配置。

(3)RTW編譯。由于Matlab與dSPACE的無縫連接，可完成目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時C代碼的生成、編譯連接和下載，將模型下載為實(shí)時仿真機(jī)上可運(yùn)行的程序。

(4)dSPACE綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。利用dSPACE提供的ControlDesk對實(shí)驗(yàn)輸入、輸出及控制信號進(jìn)行觀察和設(shè)置，進(jìn)行實(shí)時實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及時調(diào)整控制算法和控制器參數(shù)。

4 結(jié)語

我們在“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”課程的教學(xué)過程中，獲得了如下教學(xué)體會，對其它課程的教學(xué)均有一定的借鑒作用:

(1)對“直線電機(jī)理論與應(yīng)用”這樣的專業(yè)課，需要選擇合適的專業(yè)化軟件開展教學(xué)活動，難易程度要適宜。我們選擇 ANSYS Maxwell和 Matlab/Simulink作為教學(xué)軟件，分別用于電機(jī)靜態(tài)電磁特性分析和動態(tài)驅(qū)動系統(tǒng)仿真。實(shí)踐表明，不僅便于學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握，同時有利于提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2)在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為了使實(shí)驗(yàn)過程簡單、可靠且高效，我們建立了基于dSPACE的新型初級永磁直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)踐證明，該平臺有利于學(xué)生理解新電機(jī)的運(yùn)行特性和實(shí)驗(yàn)過程，提高其動手能力。

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