基于MATLAB/GUI的“电机学”仿真实验教学平台的设计

李思

（武昌首义学院 机电与自动化学院，湖北武汉，430064）

0 引言

“电机学”是电气工程及其自动化专业的必修核心课程，其以直流电机、变压器、异步电机和同步电机为主要学习内容，重点讲解电机的基本结构、工作原理、基本分析方法和运行特性[1]。

该课程涉及多学科知识，具有理论性强、概念抽象、与工程实际联系密切等特点。目前理论教学以教师讲授为主，实践教学以学生操作为主，二者分开、独立进行，且实验教学往往不能够及时切入，实验与理论教学不能有效紧密联系在一起，导致学生学习效果不佳。唤醒学生的创新意识，培养其创新能力是教育教学的高级目标，向此目标靠近的最好方法就是为学生创造更多进行实践活动的机会。根据课程内容特点及传统实践教学中的不足，建立基于ΜATLAB/GUI的“电机学”仿真实验教学平台，充分运用于课堂内外，拓宽学生进行实践活动的途径。课前借助仿真教学平台进行实验预习，改善课中实践教学效果，课外学生可以利用教学平台对电机特性进行探索、研究，培养创新意识。

1 仿真实验教学平台的组成

该平台专为“电机学”教学而设计，依托ΜATLAB 软件及其附属的Simulink 和GUIDE 工具，主要包括直流电机的电动机和发电机两大部分，共计六个实验项目。其中直流电动机部分由“直流电动机的启动”、“直流电动机的调速”和“直流电动机的机械特性”三个实验项目组成；直流发电机部分由“直流发电机的空载特性”、“直流发电机的外特性”和“直流发电机的调节特性”三个实验项目组成。用户主界面如图1 所示。平台的层次结构是通过设置不同级别的仿真界面来实现的[1]。

图1 “电机学”仿真实验教学平台主界面

2 仿真实验教学平台的设计思路

华北电力大学提出了一种基于Μatlab 和LabVIEW 混合仿真技术的虚拟实验方法，该方法能减少实验设备的投入，且实验不受时间和空间限制[2]。笔者首先根据线下实验教学内容和预设平台结构建立直流电机Simulink 实验仿真模型，具体包括他励直流电动启动实验仿真模型、他励直流电动机调速实验仿真模型、他励直流电动机机械特性实验仿真模型等，并调试运行成功。然后建立平台 GUI 主界面和子界面，按照功能需求设置控件，编辑控件属性，达到使用方便、显示直观、交互性好的效果[3]。最后编写回调函数实现直流电机仿真实验教学平台动态调用实验仿真模型和仿真结果。

3 实验项目建模与仿真

该教学平台共设计了六个仿真实验项目，涉及直流电动机的启动、调速、机械特性，直流发电机的空载特性、调节特性、外特性。本文以他励直流电动的启动实验项目为例，讲述仿真实验模型的建立与仿真结果的分析。

以一台电枢电感为0.012H，励磁电阻为240Ω，电枢电阻为0.6Ω，励磁电感为1.2H，励磁-电枢互感为1.8H，转动惯量为1kg·m2，磁滞损耗为0，且其额定励磁电压和额定电枢电压均为220V 的他励直流电动机为例分析。

■3.1 他励直流电动机直接启动仿真模型

在Simulink 工具的元件库中，分别找到直流电机（DC machine）、理想开关元件（Ideal Switch）、常数模块（Constant）、阶梯波形生成器（Stair Generator）和示波器（Scope）等模块。然后建立直流电动机直接启动Simulink 仿真模型，如图2 所示，并进行参数设置，调试运行，测试仿真结果的准确性。

图2 他励直流电动机直接启动Simulink 仿真模型

■3.2 他励直流电动机串电阻启动仿真模型

他励直流电动机串电阻启动可限制启动瞬间冲击电流的大小，其仿真模型的建立只需在他励直流电动机直接启动仿真模型的基础上增加一个电阻封装模块即，如图3 所示，并进行参数设置，调试运行，测试仿真结果的准确性。

图3 他励直流电动机串电阻启动Simulink 仿真模型

4 GUI 界面的设计

GUI（图形用户界面）是指以图形方式显示的用户界面。可视化的界面形象生动、使用方便、交互性强，且具有较好的可扩展性[4]。由于本次设计的仿真实验教学平台需要操作人员在前台与后台的模型或程序进行交互，所以需要使用GUIDE 工具创建具有良好交互功能的GUI 界面。本文主要介绍欢迎界面及直流电动机启动实验项目子界面的设计。

■4.1 欢迎界面的设计

新建一个GUI 设计界面，将两个静态文本框和三个按钮分别置于界面的合适位置，双击控件修改对应控件的属性和名称，欢迎界面设计如图4 所示。

图4 “电机学”仿真实验教学平台欢迎界面

本界面设置有“平台简介”、“进入平台”两个选项。在“平台简介”按钮上单击鼠标右键，依次选择“查看回调”、“Callback”进入Μ 函数编辑管理界面并编写如下回调函数：

if get(hObject，'value')==1% 如果按钮被按下

run('untitled2') %运行下一窗口

end

在新建的命名为untitled2 的GUI 设计界面用静态文本对该平台加以介绍就可以实现“平台介绍”功能。

“进入平台”按钮的Μ 函数编写如下：

■4.2 直流电动机启动实验项目子界面的设计

根据预设实验项目进行子界面布局，其中包括直接启动、串电阻启动和降压启动三个分项目，并设计有“PPT讲解”、“自行建模”和“查看模型”等按钮，可实现实验预习帮助、学生自主建模拓展等功能。同时子界面下方设置仿真参数修改区域，便于快速修改电机参数，进行仿真结果的分析。直流电动机启动实验项目子界面如图5 所示。

图5 直流电动机启动实验项目子界面

■4.3 GUI 界面与仿真模型的交互

GUI 界面与仿真模型的交互通过回调函数实现，以直流电动机直接启动实验分项目为例，首先选择“直接启动”选项，进行仿真运行的程序如下：

最后得到他励直流电动机直接启动仿真结果如图6 所示，直接启动的瞬间电枢电流高达300A 以上，是以在实际工业生产中一般不会采用直接启动方式，而是采用电枢回路串电阻启动的方式，其仿真运行结果如图7 所示，串联的电阻为10Ω，启动的瞬间电流降为20A 左右。

5 结语

电机学课程传统线下实验教学效果不理想，存在切入不及时的问题，采用仿真实验教学平台和课堂理论教学、实验室教学平台相融合，切实可以解决实践途径单一，效果不佳的问题。同时运用 ΜATLAB 强大的数据处理与建模仿真功能设计的仿真实验教学平台，为学生创设了友好的GUI 图形界面，达到了“学”、“做”、“用”、“练”为一体的目的，为培养高素质应用型人才打下坚实的基础。

图7 他励直流电动机串电阻启动仿真结果