高欽和， 董家臣， 邵亞軍， 牛海龍， 陳志翔

(火箭軍工程大學(xué) 二系，西安 710025)

0 引 言

電動(dòng)機(jī)種類繁多，參數(shù)變化和動(dòng)態(tài)性能分析復(fù)雜，在進(jìn)行特性分析時(shí)，常給電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和科研教學(xué)工作帶來諸多不便。傳統(tǒng)教學(xué)方法較難實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)的要求，不易于分析過程的直觀表述。

為高效獲取對(duì)電動(dòng)機(jī)特性的理解，提升教學(xué)實(shí)踐效果，許多科研工作者針對(duì)電動(dòng)機(jī)特性設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[1-3]但這些平臺(tái)大多只針對(duì)一種實(shí)驗(yàn)特性，界面的優(yōu)化也做得不足，缺乏較好的人機(jī)交互性。本文基于Matlab/GUI開發(fā)了用于電動(dòng)機(jī)特性分析的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了不同種類電動(dòng)機(jī)的多種實(shí)驗(yàn)特性仿真功能，用戶在交互界面上進(jìn)行電動(dòng)機(jī)類型選擇、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置等操作可實(shí)現(xiàn)相關(guān)特性的Simulink模型調(diào)用、初始參數(shù)設(shè)置、仿真圖顯示、運(yùn)行結(jié)果輸出、特性曲線繪制等功能，使電動(dòng)機(jī)特性分析更加方便高效；對(duì)平臺(tái)界面進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)GUI界面互調(diào)、鼠標(biāo)檢測(cè)、特性介紹等功能，使得界面實(shí)用性更強(qiáng)。

以三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性分析實(shí)例對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，得到了特性曲線和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值，體現(xiàn)出該平臺(tái)在電動(dòng)機(jī)特性分析及仿真上具有系統(tǒng)化、便捷化、直觀化的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，該平臺(tái)為電動(dòng)機(jī)學(xué)科教學(xué)效率的提高帶來便捷。

1 平臺(tái)功能及結(jié)構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)特性分析的多項(xiàng)內(nèi)容，設(shè)計(jì)的平臺(tái)功能如圖1所示。

打開平臺(tái)首先進(jìn)入類型選擇界面，選擇電動(dòng)機(jī)類型隨后進(jìn)入次級(jí)界面。在該界面中設(shè)置了運(yùn)行參數(shù)初始設(shè)定模塊、Simulink仿真圖模塊、特性曲線繪制模塊、運(yùn)行穩(wěn)態(tài)值輸出模塊以及各種功能按鈕，用戶可查看Simulink圖，可修改電動(dòng)機(jī)運(yùn)行初始參數(shù)，可擦除已繪制的運(yùn)行曲線而后修改初值重新運(yùn)行，可以打開底層Simulink仿真原模型，直接修改參數(shù)。運(yùn)行流程圖如圖2所示。

圖2 平臺(tái)運(yùn)行流程圖

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以Matlab軟件[4]為開發(fā)工具，依托其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和建模仿真功能，大大提高了電動(dòng)機(jī)特性的分析效率。Matlab R2015b版中提供了豐富實(shí)用的用戶界面開發(fā)工具GUI，操作性強(qiáng)，使用方便。平臺(tái)采用GUI設(shè)計(jì)主、次級(jí)界面，使用Simulink建模以及程序語言編寫M文件等方法開發(fā)特性分析的底層模型或程序。以“三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)[5]”為例，詳述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)過程及功能實(shí)現(xiàn)。

2 底層仿真模型搭建

用戶通過操作虛擬平臺(tái)界面，調(diào)用底層電動(dòng)機(jī)仿真模型來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)特性的分析。首先搭建電動(dòng)機(jī)特性Simulink模型[6]。

2.1 模型建立

在Matlab R2015b環(huán)境下，啟動(dòng)Simulink，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性進(jìn)行建模仿真[5]。仿真過程分為制動(dòng)前、后兩個(gè)階段。

(1) 制動(dòng)前模型。使用Simulink中Simscape下的SimPowerSystems模塊庫，按圖3所示搭建能耗制動(dòng)前穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型,命名為“YBnhzd_sim_former”。

圖3 電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)前仿真模型圖

(2) 制動(dòng)后模型。將圖3中的三相交流電源去掉，給定子繞組重新加上直流電源模塊和電阻模塊，構(gòu)造新的制動(dòng)模型如圖4所示。將該模型命名為“YBnhzd_sim_latter”。

圖4 電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)后仿真模型圖

2.2 參數(shù)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)與后續(xù)GUI的參數(shù)傳遞，模塊參數(shù)需設(shè)為變量。

(1) 模塊參數(shù)。設(shè)置仿真模型中：三相交流電壓為U，頻率50 Hz；三相異步電動(dòng)機(jī)模塊按所提供的選項(xiàng)依次設(shè)置為：squirrel-cage，20:110 kW(150HP)400 V 50 Hz 1 487 r/min，Torque Tm，Rotor；常量模塊(負(fù)載力矩)，設(shè)為T；直流電源模塊，設(shè)為E；電阻模塊，設(shè)為0.5 Ω。

(2) 全局參數(shù)。在后續(xù)GUI編程時(shí)需使用sim函數(shù)獲取模型“YBnhzd_sim_former”的末狀態(tài)xFinal，因此在圖3仿真模型model configuration Parameters面板的“Load from workspace”選項(xiàng)卡中勾選Initial state，并設(shè)為xFinal，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)前、后模型之間的運(yùn)行狀態(tài)傳遞，其他設(shè)置均為默認(rèn)。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

Matlab提供了GUIDE和底層代碼編程兩種設(shè)計(jì)界面的方法。前者提供了用戶所需要的控件，通過鼠標(biāo)拖拽添加到設(shè)計(jì)界面中，操作方便但在具體設(shè)置上靈活性不夠；后者通過編寫界面的程序代碼為GUI控制程序提供框架，所有的程序代碼和回調(diào)函數(shù)都包含在該M文件中，便于使用命令行方式進(jìn)行界面控件的創(chuàng)建和編輯，能夠設(shè)計(jì)出功能相對(duì)復(fù)雜的界面，也方便發(fā)布程序。本文采用編寫底層代碼的方式搭建平臺(tái)界面[8]。

3.1 主界面設(shè)計(jì)

首先使用figure函數(shù)、set函數(shù)搭建好基本界面：

h_fig=figure( ‘Name’, ‘電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件’，…

‘position’, [0.283,0.256,0.469,0.579]);

set(h_fig，‘NumberTitle’, ‘off’, …

‘MenuBar’, ‘none’, ‘unit’, ‘normalized’)

如此設(shè)置，可使圖形窗口標(biāo)題為“電機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件”，不顯示菜單條，單位標(biāo)準(zhǔn)化，并確定窗口相對(duì)于屏幕的大小和位置。

然后添加各類控件設(shè)計(jì)界面布局并實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，控件及屬性設(shè)置見表1(注：調(diào)用時(shí)，表中的‘Dong’即為主界面的主體程序名)。

表1 主界面控件及相關(guān)屬性設(shè)置

界面中相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1) 鼠標(biāo)響應(yīng)。當(dāng)用戶將鼠標(biāo)移動(dòng)至電動(dòng)機(jī)按鈕上時(shí)，為優(yōu)化顯示，并給予一定的提示作用，設(shè)計(jì)鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?。使用函?shù)“WindowButtonMotionFcn”，鼠標(biāo)在窗口上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就會(huì)響應(yīng)此函數(shù)：set(gcf,‘WindowButtonMotionFcn’, @btnmotion)。通過編寫回調(diào)函數(shù)btnmotion，使用get(push1, ‘position’)獲得按鈕控件的位置，使用setappdata和getappdata函數(shù)將按鈕位置數(shù)據(jù)從界面h_fig的property傳遞至btnmotion函數(shù)中，同時(shí)使用get(h_fig, ‘CurrentPoint’)獲取當(dāng)前鼠標(biāo)位置，經(jīng)if條件語句判斷出當(dāng)前鼠標(biāo)與按鈕相對(duì)位置，進(jìn)而設(shè)置鼠標(biāo)為手的形狀或默認(rèn)形狀：set(hObject, ‘Pointer’, ‘hand’(或者‘default’ ))。

(2) 注釋信息、設(shè)置按鈕背景圖片。按鈕控件的tooltipstring屬性可顯示鼠標(biāo)所指按鈕的注釋信息，‘cdata’屬性可設(shè)置按鈕背景：

pic=imread(‘icon.png’); %讀取圖片icon的數(shù)據(jù)矩陣

set(push1,‘tooltipstring’,‘分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、…

復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)’, ‘cdata’,pic); %注釋信息、設(shè)置按鈕背景

(3) listbox設(shè)置及關(guān)聯(lián)。使用列表框控件完成電動(dòng)機(jī)選型：listbox=uicontrol(h_fig,‘style’,‘listbox’, ‘string’...)。lisbox1用來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)類型選擇，編寫的回調(diào)函數(shù)為“select_callback”；lisbox2實(shí)現(xiàn)特性選擇，編寫的回調(diào)函數(shù)為“display_callback”；listbox3進(jìn)行實(shí)例描述，無需回調(diào)。可在callback中使用switch函數(shù)實(shí)現(xiàn)各列表框之間的調(diào)用：

set(listbox1,‘max’,1,‘min’,0,‘callback’，@select_callback);

functionselect_callback

switch get(listbox1,‘value’)

case 1

set(listbox2,‘string’,‘反接制動(dòng)|能耗制動(dòng)|反饋制動(dòng)’)；

…

end

可使用HTML標(biāo)記語言設(shè)置listbox中的選項(xiàng)文本格式：

str=cell(1,2); %定義cell類型的數(shù)據(jù)矩陣str

str{1}=‘’; %加粗

str{2}=‘

’;%選項(xiàng)文本設(shè)為杏色

set(listbox1,‘string’,‘str’)；%在listbox中顯示選項(xiàng)文本

(4) 主、次級(jí)界面的關(guān)聯(lián)。push4為“確定”按鈕，在callback中調(diào)用property1_callback函數(shù)，使用switch函數(shù)實(shí)現(xiàn)與次級(jí)界面的聯(lián)接，callback中的部分程序如下：

function texing1_callback

switch get(h_listbox1,‘value’)

…

case 2 %選擇的是第2種類型電動(dòng)機(jī)

switch get(h_listbox2,‘value’)

case 1%選擇的是第1種實(shí)驗(yàn)特性

YBnhzd; %調(diào)用YBnhzd次級(jí)界面

end

最終界面設(shè)計(jì)效果如圖5所示。

3.2 次級(jí)界面設(shè)計(jì)

次級(jí)界面主程序命名為YBnhzd，其控件添置與主界面相仿，這里不再贅述。在該界面，主要完成電機(jī)初始參數(shù)設(shè)定、Simulink調(diào)用、仿真結(jié)果讀取、模型圖顯示及特征曲線繪制功能。

(1) 初始參數(shù)設(shè)定。使用文本框控件edit。用戶輸入初始參數(shù)，便以字符格式確定該控件的string值。使用global函數(shù)聲明全局變量，使用str2num函數(shù)將字符轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)與simulink模型的參數(shù)傳遞：

圖5 主界面設(shè)計(jì)效果圖

global U;

U=str2num(get(h_edit1,‘string’))；

同時(shí)在simulink模型中將電壓模塊的value設(shè)為U，即實(shí)現(xiàn)模型三相電壓的初始設(shè)定。

(2) Simulink調(diào)用。以“制動(dòng)前”為例，在按鈕控件push的回調(diào)函數(shù)中，使用sim函數(shù)完成對(duì)simulink模型的調(diào)用：

h_push=uicontrol(h_fig,‘style’,‘push’,‘string’,‘制動(dòng)前’,…

‘callback’,@sim_callback);

function sim_callback(～,～)

options = simset(‘SrcWorkspace’,‘current’);

%設(shè)置simulink使用當(dāng)前工作空間

[t,x,ira,isa,speed,Te]=sim(‘YBnenghao_sim_former’,…

[],options); %運(yùn)行仿真，輸出相關(guān)參量

xFinal=x(end,:); %獲取制動(dòng)前模型的末狀態(tài)xFinal

save xFinal.matxFinal; %將末狀態(tài)儲(chǔ)存至xFinal.mat，

制動(dòng)后模型設(shè)置初始狀態(tài)時(shí) … 通過importdata命令可調(diào)用end

(3) 仿真結(jié)果讀取。仿真結(jié)束時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)視為穩(wěn)定值，將之傳遞至GUI的edit編輯框中：

set(h_edit2,‘string’, speed(end));

(4) 模型圖顯示。為方便用戶操作，將模型圖顯示至界面中。首先將搭建的模型截圖，保存為“能耗制動(dòng).jpg”，然后添加坐標(biāo)軸控件axes，使用imread命令在坐標(biāo)軸中完成圖像顯示。

h_axes=axes(‘parent’,h_fig, ‘unit’,‘normalized’,…

‘position’,[0.007,0.439,0.43,0.315]);

Pi=imread(‘能耗制動(dòng).jpg’);

image(Pi);

axis off;

(5) 特征曲線繪制。添加8個(gè)坐標(biāo)軸控件axes，分別用以繪制能耗制動(dòng)前、后的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩。將simulink模型中的仿真數(shù)據(jù)讀出，用plot函數(shù)在相應(yīng)坐標(biāo)軸中完成曲線的繪制。如下：

h_axes1=axes(‘parent’,h_fig,‘unit’,‘normalized’,…

‘position’,[0.56,0.124,0.2,0.15]);

set(h_axes1,‘fontsize’,8,‘XTick’,[],‘YTick’,[]);

plot(h_axes1,t,speed)

ylabel(‘轉(zhuǎn)速[r/min] ’,‘fontsize’,10);

xlabel(‘時(shí)間(s)’,‘fontsize’,10);

為在不同初始條件下重新仿真，需增設(shè)“清除”按鈕，在其callback中使用“delete”命令可刪除axes控件。

實(shí)現(xiàn)上述5步功能后，對(duì)界面顏色、控件位置等繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，添加適當(dāng)文字說明，最終設(shè)計(jì)的次級(jí)界面效果如圖6所示。

圖6 次級(jí)界面設(shè)計(jì)效果圖

4 仿真實(shí)例測(cè)試

分析正常工作在220 V市電、負(fù)載力矩為25 N·m的三相異步電動(dòng)機(jī)，在180 V外接電壓下的能耗制動(dòng)特性。

4.1 界面操作測(cè)試

(1) 運(yùn)行主界面程序，依次選擇“三相異步電動(dòng)機(jī)”“能耗制動(dòng)”，閱讀下方的特性介紹后，點(diǎn)擊“確定”按鈕進(jìn)入次級(jí)界面；

(2) 設(shè)置初始參數(shù)，然后點(diǎn)擊 “制動(dòng)前”按鈕，得到正常運(yùn)行特性曲線和輸出數(shù)據(jù)；再點(diǎn)擊“制動(dòng)后”按鈕，得到電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性曲線和輸出數(shù)據(jù)。

(3) 點(diǎn)擊“清除”按鈕，擦除所繪曲線，重新設(shè)置初始參數(shù)后，可再次運(yùn)行仿真。

(4) 點(diǎn)擊“返回”按鈕，返回至主界面。

通過操作界面，可快速、直觀、便捷地繪制出不同初始條件下的電動(dòng)機(jī)特性運(yùn)行曲線，還可隨時(shí)改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的初始參數(shù)，便于觀察比對(duì)特性的改變，整個(gè)界面具有較好的操作性。

4.2 仿真實(shí)用性測(cè)試

依照操作步驟運(yùn)行，獲得三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性仿真界面，如圖7所示。

觀察仿真界面，結(jié)合顯示的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，可以很清楚地了解：正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)歷大約1.8 s加速后，電動(dòng)機(jī)開始穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到188.273 r/min，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在35.285 9 N·m，此時(shí)轉(zhuǎn)子、定子電流分別達(dá)到13.789 9 A、45.273 1 A; 在制動(dòng)7.3 s后，轉(zhuǎn)速降至-0.003 61 r/min，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為24.9831 N·m，制動(dòng)后的轉(zhuǎn)子、定子電流分別為3.396 17 A、-337.813 A。同時(shí)可以分析出，能耗制動(dòng)時(shí)定子電流很大，這是由于制動(dòng)電壓較高，電動(dòng)機(jī)阻抗小所致，因此采用該種制動(dòng)方式，必須控制制動(dòng)時(shí)間，防止燒毀電動(dòng)機(jī)。結(jié)合所學(xué)知識(shí)，該制動(dòng)特性曲線與實(shí)際相符。

圖7 能耗制動(dòng)特性仿真界面

5 結(jié) 語

以三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)為例，詳述了使用Matlab/GUI搭建電動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法，并通過實(shí)例測(cè)試驗(yàn)證了人機(jī)交互界面各控件的功能以及電動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用性。結(jié)果表明：①使用該電動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)仿真的圖形化、特性分析的模塊化；②通過改變初始參數(shù)可以動(dòng)態(tài)研究參數(shù)改變對(duì)電動(dòng)機(jī)特性運(yùn)行的影響，方便直觀；③集成了各種類型、多種特性的電動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠系統(tǒng)地進(jìn)行電動(dòng)機(jī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)；④該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)特性分析的系統(tǒng)化、便捷化、直觀化，對(duì)于電動(dòng)機(jī)學(xué)教學(xué)及科研分析有較好的幫助。

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