駱正紅 勞振圖 李潔靜 李永崗 胡亞山

1 湖南大學(xué) 長(zhǎng)沙 410082 2 滄州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北滄州 061001

0 引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)也得到了發(fā)展，成為了一門多學(xué)科交叉的綜合新興學(xué)科技術(shù)，涵蓋內(nèi)容范圍較廣，貫穿電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械工程等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。電機(jī)控制課程融合了多門電氣類專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，具有很強(qiáng)的綜合性、應(yīng)用性和實(shí)踐性。該課程重視實(shí)踐教學(xué)，以學(xué)生的科研能力培養(yǎng)為主要目標(biāo)，充分利用現(xiàn)有的教學(xué)手段，培養(yǎng)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力的專業(yè)人才。

電機(jī)控制課程的特點(diǎn)是理論教學(xué)與課程實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。學(xué)生僅僅依靠老師在課堂上講授的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際動(dòng)手操作，才能真正理解理論知識(shí)，做到理論聯(lián)系實(shí)際，打好扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。然而，在現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需要學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)過多，工作量太大。這就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)展困難，存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)效率過低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以拓展等問題。通常只能開展一些比較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生的能力難以得到提升。這造成了實(shí)驗(yàn)與教學(xué)在一定程度上產(chǎn)生了脫節(jié)，無法完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

MATLAB/Simulink 是現(xiàn)如今應(yīng)用最普遍的開發(fā)工具。作為MATLAB 的重要組件之一，Simulink 由于其具有圖形化的環(huán)境、強(qiáng)大的集成工具庫(kù)、豐富的分析工具以及十分簡(jiǎn)易的操作流程，被廣泛應(yīng)用到圖像處理、航空航天、電機(jī)控制、嵌入式設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域[4-6]?；贛ATLAB/Simulink 的仿真教學(xué)在電氣類、自動(dòng)化類課程教學(xué)中也逐漸得到應(yīng)用與普及[7-9]。近年來，代碼生成技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。在MATLAB/Simulink 平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)從模型建立到目標(biāo)代碼生成、調(diào)試、運(yùn)行整個(gè)開發(fā)過程，可移植性強(qiáng)，可復(fù)用性高。無需手動(dòng)編寫代碼，操作簡(jiǎn)單方便，極大地減少了開發(fā)難度和開發(fā)成本，縮短了開發(fā)時(shí)間，顯著提高了開發(fā)效率。

本文基于自動(dòng)代碼生成和硬件封裝技術(shù)，構(gòu)建了電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，并將其應(yīng)用到電機(jī)控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生省去了大量學(xué)習(xí)軟硬件相關(guān)知識(shí)的時(shí)間，達(dá)到了事半功倍的效果。同時(shí)結(jié)合Simulink 的圖形化環(huán)境，無需進(jìn)行復(fù)雜的代碼編寫，只需要進(jìn)行類似仿真的操作即可自動(dòng)生成代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。這使得該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以在課程中普及，增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，拓寬了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑。學(xué)生可以真正實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中深入理解課堂知識(shí)，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力以及自主創(chuàng)新能力。

1 硬件平臺(tái)與軟件系統(tǒng)

1.1 硬件平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)采用TMS320F28335 作為主控芯片。TMS320F28335 屬于TI 公司的C2000 系列DSP的高端系列，主頻150MHz，具有32 位浮點(diǎn)處理單元，數(shù)字處理能力十分卓越，事件管理能力突出，嵌入式控制功能優(yōu)越，執(zhí)行速度快，外設(shè)資源豐富，通信接口完備，A/D 轉(zhuǎn)換高速，同時(shí)還具有微控制器(MCU)的功能，開發(fā)過程高效，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低，廣泛應(yīng)用在高性能的電機(jī)伺服控制領(lǐng)域。因此，采用TMS320F28335 作為主控芯片為電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)生后續(xù)拓展創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了充分的條件保障。

實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的硬件平臺(tái)如圖1 所示，分為功率板和控制板。功率板主要包括整流電路、三相逆變電路、放電電路以及溫度測(cè)量電路。放電電路由IGBT 和耗散電阻串聯(lián)組成，防止母線電壓過高，保護(hù)硬件電路。溫度測(cè)量電路實(shí)時(shí)對(duì)IGBT 殼溫進(jìn)行采樣監(jiān)控，防止過溫現(xiàn)象?？刂瓢宄浞掷昧薚MS320F28335 芯片提供的資源，具有豐富的外圍電路設(shè)計(jì)?？刂瓢逯饕娫醇皬?fù)位電路、采樣電路、保護(hù)電路、通信電路、仿真器接口電路以及編碼器采集電路。保護(hù)電路包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)以及故障保護(hù)電路。通信電路采用RS485 通信，通過差分信號(hào)傳輸，為半雙工通信，抑制共模干擾。編碼器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，通過兩路激勵(lì)信號(hào)和四路反饋信號(hào)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。功率板與控制板之間通過排線進(jìn)行連接，采用光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的隔離保護(hù)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件部分對(duì)過流、過壓、過溫、過載等情況都做了相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)，實(shí)用性高、安全性強(qiáng)、可靠度高。

圖1 電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)

1.2 軟件系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)如圖2 所示，采用MATLAB/Simulink 作為統(tǒng)一開發(fā)工具。通過采用普通的Simulink 模塊和Embedded Coder 工具箱中模塊化封裝的DSP 底層驅(qū)動(dòng)模塊以及TI 公司提供的C28xDMC 和C28xIQmath 函數(shù)庫(kù)共同完成模型的設(shè)計(jì)。對(duì)模型中相應(yīng)模塊進(jìn)行必要參數(shù)的配置后利用Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors 硬件支持包實(shí)現(xiàn)代碼生成功能，將搭建好的模型轉(zhuǎn)化成代碼，再通過TI 環(huán)境下的Code Composer Studio、controlSUITE、C2000 Ware 三個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼的運(yùn)行與調(diào)試，通過編譯鏈接后生成目標(biāo)文件并下載到核心處理單元中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。

圖2 電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

除此之外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過串口通信方式建立上位機(jī)可視化界面，如圖3 所示。一方面上位機(jī)通過串口對(duì)核心處理單元發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。另一方面核心處理單元將采集的電機(jī)的各路信號(hào)通過串口發(fā)送到上位機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，合理利用了串口的雙向通信功能，交互性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高，大大提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

圖3 電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)上位機(jī)界面

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在搭建系統(tǒng)模型的過程中，將底層的硬件驅(qū)動(dòng)模塊搭建好之后進(jìn)行參數(shù)的配置，包括環(huán)境參數(shù)以及硬件參數(shù)。經(jīng)過調(diào)試及優(yōu)化后，采用硬件封裝技術(shù)將底層硬件驅(qū)動(dòng)模塊封裝成類似Simulink工具箱中的電機(jī)庫(kù)模型，便于實(shí)驗(yàn)的開展。同時(shí)，還搭建并封裝完成了保護(hù)模塊，實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)過流、過壓現(xiàn)象則立即觸發(fā)軟件保護(hù)信號(hào)，終止電機(jī)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安全性和靈活性進(jìn)一步得到保障，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更容易普及。

2 教學(xué)模式改進(jìn)

傳統(tǒng)電機(jī)控制課程的主要教學(xué)模式是：1）教師講授電機(jī)控制相關(guān)理論知識(shí)以及公式模型的推導(dǎo)；2）學(xué)生在指導(dǎo)下進(jìn)行仿真模型的搭建，進(jìn)一步學(xué)習(xí)理論知識(shí)；3）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真，深入鞏固電機(jī)控制課程相關(guān)理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

但是，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行軟硬件相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，包括軟件的使用、單片機(jī)以及DSP 外設(shè)寄存器的配置、底層驅(qū)動(dòng)和功能代碼的編寫、軟硬件調(diào)試相關(guān)知識(shí)等等。一方面學(xué)生編寫代碼困難，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)。另一方面學(xué)生軟硬件調(diào)試經(jīng)驗(yàn)不足，很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。因此，只能進(jìn)行一些比較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作讓電機(jī)運(yùn)行，無法將仿真的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，難以進(jìn)行一些控制算法的實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法深入拓展。這就導(dǎo)致仿真過程與實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生割裂，教學(xué)與實(shí)踐產(chǎn)生了脫節(jié)，學(xué)生無法真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，這會(huì)在一定程度上降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)熱情，導(dǎo)致教學(xué)效率低，教學(xué)效果差。

采用電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)則解決了上述問題。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，學(xué)生無需學(xué)習(xí)編程方法編寫代碼，只需要進(jìn)行類似仿真的圖形化操作即可完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件平臺(tái)已經(jīng)將底層硬件的驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)的模型搭建調(diào)試完成后進(jìn)行封裝，學(xué)生無需再花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)底層硬件驅(qū)動(dòng)相關(guān)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的保護(hù)模塊，安全性強(qiáng)，學(xué)生可以放心大膽地進(jìn)行電機(jī)控制算法的學(xué)習(xí)與驗(yàn)證。這大大增加了教學(xué)效率，同時(shí)也使教學(xué)更具有直觀性、可視性和靈活性。

結(jié)合本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的新型教學(xué)模式，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)理論、仿真、實(shí)驗(yàn)三位一體。學(xué)生對(duì)教師在課堂上講授的內(nèi)容的理解不再停留于表面，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)的掌握程度進(jìn)行檢驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況可以得到及時(shí)的反饋。同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。部分學(xué)有余力的學(xué)生還可以根據(jù)自身興趣去構(gòu)造一些仿真與實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證一些新的想法。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過上位機(jī)可視化界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)反饋控制效果，便于學(xué)生調(diào)試。因此，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的新型教學(xué)模式可以實(shí)現(xiàn)因材施教，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做合一的目的。

此外，當(dāng)前疫情形勢(shì)下，發(fā)展線上教學(xué)是大勢(shì)所趨。如今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源豐富，在課堂教學(xué)中可以充分利用網(wǎng)絡(luò)上的教學(xué)資源。采用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過遠(yuǎn)程桌面控制實(shí)驗(yàn)主機(jī)，再配備網(wǎng)絡(luò)攝像頭即可開展實(shí)驗(yàn)，擺脫對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的依賴，這使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展有了保障，學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)突破了時(shí)間和空間的限制。開展線上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更符合當(dāng)下的時(shí)代背景，體現(xiàn)了基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的新型教學(xué)模式的靈活性和高效性。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)代碼生成和硬件封裝技術(shù)的電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)、直流電源與PC 共同構(gòu)成。

圖4 電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，首先，教師通過介紹硬件驅(qū)動(dòng)板的各個(gè)模塊使學(xué)生對(duì)硬件相關(guān)知識(shí)有一定的了解。在此基礎(chǔ)上，對(duì)軟件平臺(tái)的模型的各個(gè)模塊進(jìn)行講解，使學(xué)生將模型與電機(jī)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)對(duì)應(yīng)起來，了解控制算法的實(shí)現(xiàn)方法。最后，教師通過對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，包括模型的建立，代碼生成方法，上位機(jī)可視化界面讀取數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法，使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程。學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室規(guī)范安全操作守則后獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的模型及算法的設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)完成后通過上位機(jī)存儲(chǔ)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，課后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理和分析，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

教師通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電流環(huán)跟隨響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)例演示。采用PI 控制器對(duì)dq 軸電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使得反饋電流能夠快速響應(yīng)指令值。電流環(huán)跟隨響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，可以看出電流環(huán)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能良好，說明實(shí)驗(yàn)平臺(tái)符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

圖5 電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于自動(dòng)代碼生成和硬件封裝技術(shù)的電機(jī)智能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，并將其應(yīng)用到電機(jī)控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程難度大、周期長(zhǎng)、難以普及的問題。同時(shí)可以保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將底層硬件驅(qū)動(dòng)模塊搭建完成后封裝集成到模型中，采用代碼生成技術(shù)，使得學(xué)生無需耗費(fèi)過多時(shí)間學(xué)習(xí)軟硬件相關(guān)知識(shí)也無需編寫代碼即可完成實(shí)驗(yàn)，降低了實(shí)驗(yàn)難度，極大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。學(xué)生可以集中精力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)驗(yàn)證課程中所學(xué)的電機(jī)控制方面相關(guān)的理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)。學(xué)有余力的學(xué)生還可以利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證一些感興趣的算法知識(shí)，通過上位機(jī)可視化界面可以實(shí)時(shí)地反饋控制效果并進(jìn)行在線調(diào)試，拓寬了學(xué)習(xí)途徑，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。