袁登科 張文豪 朱琴躍 方春華

同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海 201804

社會的不斷發(fā)展對人才的需求是與時俱進的，因而高校人才的培養(yǎng)始終是一個更新著的話題，其中的一個表現(xiàn)就是專業(yè)課程教材的不斷更新[1]。本文以電氣傳動控制專業(yè)課程為例探索專業(yè)課程教材《永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制》的建設(shè)之路。

1 電氣傳動控制教材的新需求

以電氣工程專業(yè)為例，電力電子與電力傳動方向的內(nèi)容在汽車行業(yè)內(nèi)始終發(fā)揮著非常重要的作用，特別是近二十多年來國內(nèi)電動汽車行業(yè)從萌芽到日漸繁榮，時至今日電動汽車已成為世界主要國家大力發(fā)展的行業(yè)之一。在電動汽車的各類驅(qū)動電機中，永磁同步電動機以其高功率密度、高效率等優(yōu)點成為了驅(qū)動電機的首選。因此，圍繞永磁同步電動機的工作原理、控制及應(yīng)用技術(shù)就需要建設(shè)更加合適的教材以滿足新時代學(xué)生和工程師的迫切需要。而目前這方面的教材還比較少，因此非常有必要面向新的需求建設(shè)配套的專業(yè)教材。

永磁同步電動機除了在電動汽車領(lǐng)域發(fā)揮作用，還在風(fēng)力發(fā)電、軌道交通等領(lǐng)域發(fā)揮的作用日益明顯。這些不同的領(lǐng)域需要的人才也是來自于各專業(yè)方向的，所以與此相關(guān)的不同專業(yè)方向(如車輛工程、機電一體化等)的高校學(xué)生或是一線工程師也需要合適的著作向他們提供專業(yè)知識的指導(dǎo)。所以電氣傳動控制教材的建設(shè)也要考慮到相關(guān)多個專業(yè)學(xué)生的實際情況，他們也是教材的受益者[2]。

2 制定進階學(xué)習(xí)目標(biāo)

面向不同專業(yè)學(xué)生的不同需求，有必要制定不同等級的學(xué)習(xí)目標(biāo)并劃分出對應(yīng)的內(nèi)容。因此，針對教材《永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制》，擬定了入門級、基礎(chǔ)級和提高級三個不同等級的學(xué)習(xí)目標(biāo)及各等級應(yīng)掌握的內(nèi)容，表1列舉了部分內(nèi)容。

表1 教材的進階學(xué)習(xí)內(nèi)容劃分

表1中三個等級的總體劃分標(biāo)準(zhǔn)解釋如下：入門級主要是要求學(xué)生應(yīng)該理解的一些基本概念和術(shù)語及規(guī)律(企業(yè)內(nèi)與汽車電控系統(tǒng)有一定關(guān)聯(lián)的職員應(yīng)達(dá)到的水平)；基礎(chǔ)級的要求更高一些，是要求學(xué)生應(yīng)該在入門級水平的基礎(chǔ)上，要理解更復(fù)雜一些的規(guī)律并具有一定的分析能力(企業(yè)中與電控直接關(guān)聯(lián)的職員需要掌握的內(nèi)容)；提高級則是要求學(xué)生在基礎(chǔ)級水平的基礎(chǔ)上，爭取做到理論聯(lián)系實際，將永磁同步電動機控制的理論知識應(yīng)用到實際的物理系統(tǒng)中去，并促成實際問題的解決(企業(yè)中有經(jīng)驗的電機控制工程師應(yīng)達(dá)到的水平)。

3 面向?qū)W生新需求的永磁同步電機控制教材的建設(shè)

上述教材已經(jīng)出版了第一版，到目前為止已經(jīng)印刷了七次，說明教材的內(nèi)容得到讀者一定程度的認(rèn)可。目前已經(jīng)修訂好第二版并且正在出版過程中，在第二版的修訂中著重考慮了以下幾點：

3.1 著眼理論結(jié)合實際，完善部分內(nèi)容

為了更好地踐行理論聯(lián)系實際，助力讀者更好理解永磁同步電機的控制，修訂中補充了電機應(yīng)用中的一些內(nèi)容。如第15章電機參數(shù)獲取及典型實驗內(nèi)容，便于讀者把一臺實際的電機與教材介紹的數(shù)學(xué)模型及諸多變量更好地聯(lián)系到一起，更好地理解參數(shù)的物理意義及其在電機運行中的相互聯(lián)系。又如補充的電機效率MAP圖和逆變器效率計算(第10章最后)的內(nèi)容，一方面把整個電控系統(tǒng)的效率闡述的更加完整，另一方面也給讀者提供了分析電控系統(tǒng)工作效率的具體思路。其他章節(jié)主要補充內(nèi)容見下表2，表中也給出了相應(yīng)的說明。

表2 第二版教材各章節(jié)的主要補充內(nèi)容

其中關(guān)于永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的五要點分析法是作者針對PMSM矢量控制與分析的方法性總結(jié)。這里再簡要說明兩點：要點1——轉(zhuǎn)矩控制是核心(電機調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是控制電機的轉(zhuǎn)矩)；要點2——id、iq的控制是兩個關(guān)鍵(電機是一個具有確定屬性的對象，對于電機的轉(zhuǎn)矩控制，id與iq兩個變量的控制是關(guān)鍵，這兩個電流閉環(huán)控制得好，那么轉(zhuǎn)矩的控制性能就可以得到保證)。

3.2 MATLAB配套程序的更新

該教材與MATLAB及SIMULINK建模與仿真結(jié)合較多，但是新版本軟件(2018b)對老版本軟件(2009a)的函數(shù)及命令的兼容性下降，所以按照新版本軟件支持的命令對教材相應(yīng)內(nèi)容進行了修訂，省去了用戶在不同版本對照中花費的時間與精力。另外，新版本中的SIMULINK模塊也有較多地更新，修訂中也對此做了相應(yīng)的說明。其次還有SIMULINK仿真波形的繪制，第一版教材中普遍都是默認(rèn)的黑色底色的淺色曲線波形，對比度不是很好，借此修訂的機會，正文部分的絕大部分圖片都修改成了白色底色的深色曲線波形，波形顯示的效果會更佳。

3.3 電機控制典型微控制器的介紹

新版本教材補充了典型的電機控制用微控制器(如TI公司的TMS320F2812和英飛凌XMC1000、4000系列單片機)內(nèi)容，并且兩者都支持MATLAB以MBD(基于模型開發(fā))方式進行電機控制軟件的開發(fā)，特別是后者同時支持在DAVE集成開發(fā)環(huán)境中以類似SIMULINK的拖拉式圖形化建模，必須選擇DAVE CE project項目類型，如圖(a)所示，降低了電機控制系統(tǒng)開發(fā)的難度，使學(xué)生快速上手并建立信心，有利于整體項目的完成。建立CE project類型的項目后，可以很方便地在軟件中通過搜索相關(guān)APP的方式實現(xiàn)特定功能的編程，如圖(b)所示，搜索到了PWM_SVM[4.0.26]的APP，將其添加到項目后，通過簡單的對話框方式設(shè)置合適的參數(shù)后就可以完成空間矢量調(diào)制(SVM)的軟件編程了。

(a)CE PROJECT項目

(b)SVM APP的添加DAVE中APP方式的項目及SVM的APP添加圖

3.4 教材部分內(nèi)容的刪減

電機的內(nèi)容涉及電、磁、機械、力、熱等諸多方面，一本教材可以闡述的電機方面的內(nèi)容是極其有限的。該教材主要是圍繞永磁同步電機最基本的控制技術(shù)編寫的，所以第二版中刪去了對無傳感器及智能控制技術(shù)簡單介紹的內(nèi)容(第15章和第16章)，讀者可以參閱其他的專業(yè)書籍，同時補充了電機參數(shù)與典型實驗的內(nèi)容(第二版第15章)，以便讀者把理論知識與一臺實際的永磁同步電機密切聯(lián)系在一起。

第一版教材第8章關(guān)于逆變器的組成部件的描述篇幅過多，因此刪去一部分。另外附錄E、F及G都是與C語言相關(guān)的程序代碼，修訂中刪去了這三部分；附錄H是按照基于模型開發(fā)(MBD)的方式為DSP開發(fā)的模型代碼，但是建模方式有些過時，因此做了改進。

4 待改進的地方

基于前面的描述，第二版已經(jīng)做了不少的改進，但是由于修訂時間比較緊迫，仍有一些工作仍未很好地完成，需要繼續(xù)改進。例如每章后面的習(xí)題，在第二版中又補充了一部分，仍需繼續(xù)補充，目的是通過習(xí)題的操練，有益于讀者更好地掌握基本概念及其應(yīng)用[3]。再例如參考文獻，第二版雖然已經(jīng)補充了一部分但還是不夠的，仍需繼續(xù)補充一些經(jīng)典的高水平的科技文章。

結(jié)語

針對《永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制》的修訂，面向不同專業(yè)學(xué)生(及企業(yè)工程師)設(shè)定了不同等級的學(xué)習(xí)目標(biāo)；同時為了更好地滿足學(xué)生深度學(xué)習(xí)的需要，特別編寫了電機參數(shù)獲取與典型實驗、新版本MATLAB配套的仿真程序等內(nèi)容，助力學(xué)生更快、更好地掌握永磁同步電機的基本控制技術(shù)，從而為電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通等行業(yè)的發(fā)展貢獻更多的力量。