基于嵌入式系统Matlab 代码生成的电机控制技术课程教学改革*

骆正红 劳振图 李洁静 李永岗 胡亚山

1 湖南大学 长沙 410082 2 沧州职业技术学院 河北沧州 061001

0 引言

随着社会的高速发展，科学技术水平不断提升，现代电机控制技术也得到了发展，成为了一门多学科交叉的综合新兴学科技术，涵盖内容范围较广，贯穿电子、自动控制、计算机技术、机械工程等各个领域[1-3]。电机控制课程融合了多门电气类专业基础学科，具有很强的综合性、应用性和实践性。该课程重视实践教学，以学生的科研能力培养为主要目标，充分利用现有的教学手段，培养具有扎实理论基础、实践操作能力和创新能力的专业人才。

电机控制课程的特点是理论教学与课程实践相结合，实现理实一体化教学。学生仅仅依靠老师在课堂上讲授的知识是远远不够的，只有结合实验过程中的实际动手操作，才能真正理解理论知识，做到理论联系实际，打好扎实的专业基础。然而，在现阶段的实验教学过程中，学生缺乏实践经验，需要学习的实验相关基础知识过多，工作量太大。这就导致了实验教学环节进展困难，存在实验时间过长、实验效率过低、实验内容难以拓展等问题。通常只能开展一些比较简单的验证性实验，实验内容单一，学生的能力难以得到提升。这造成了实验与教学在一定程度上产生了脱节，无法完成实验教学目标。

MATLAB/Simulink 是现如今应用最普遍的开发工具。作为MATLAB 的重要组件之一，Simulink 由于其具有图形化的环境、强大的集成工具库、丰富的分析工具以及十分简易的操作流程，被广泛应用到图像处理、航空航天、电机控制、嵌入式设计等各个领域[4-6]。基于MATLAB/Simulink 的仿真教学在电气类、自动化类课程教学中也逐渐得到应用与普及[7-9]。近年来，代码生成技术在各个领域都得到了广泛应用[10-12]。在MATLAB/Simulink 平台即可实现从模型建立到目标代码生成、调试、运行整个开发过程，可移植性强，可复用性高。无需手动编写代码，操作简单方便，极大地减少了开发难度和开发成本，缩短了开发时间，显著提高了开发效率。

本文基于自动代码生成和硬件封装技术，构建了电机智能控制嵌入式系统实验开发平台，并将其应用到电机控制课程的实验教学中。结合本实验开发平台进行实验教学大大提高了实验效率，学生省去了大量学习软硬件相关知识的时间，达到了事半功倍的效果。同时结合Simulink 的图形化环境，无需进行复杂的代码编写，只需要进行类似仿真的操作即可自动生成代码实现对电机的控制。这使得该类实验教学可以在课程中普及，增加了学生的实验参与度，拓宽了学生的学习途径。学生可以真正实现理论联系实际，在实践中深入理解课堂知识，培养解决复杂工程问题的能力以及自主创新能力。

1 硬件平台与软件系统

1.1 硬件平台

实验开发平台采用TMS320F28335 作为主控芯片。TMS320F28335 属于TI 公司的C2000 系列DSP的高端系列，主频150MHz，具有32 位浮点处理单元，数字处理能力十分卓越，事件管理能力突出，嵌入式控制功能优越，执行速度快，外设资源丰富，通信接口完备，A/D 转换高速，同时还具有微控制器(MCU)的功能，开发过程高效，开发周期短，开发成本低，广泛应用在高性能的电机伺服控制领域。因此，采用TMS320F28335 作为主控芯片为电机控制实验教学以及学生后续拓展创新设计性实验提供了充分的条件保障。

实验开发平台的硬件平台如图1 所示，分为功率板和控制板。功率板主要包括整流电路、三相逆变电路、放电电路以及温度测量电路。放电电路由IGBT 和耗散电阻串联组成，防止母线电压过高，保护硬件电路。温度测量电路实时对IGBT 壳温进行采样监控，防止过温现象。控制板充分利用了TMS320F28335 芯片提供的资源，具有丰富的外围电路设计。控制板主要包括电源及复位电路、采样电路、保护电路、通信电路、仿真器接口电路以及编码器采集电路。保护电路包括过流保护、过压保护以及故障保护电路。通信电路采用RS485 通信，通过差分信号传输，为半双工通信，抑制共模干扰。编码器采用旋转变压器，通过两路激励信号和四路反馈信号得到电机转子的位置信号。功率板与控制板之间通过排线进行连接，采用光耦隔离电路实现强弱电之间的隔离保护。本实验平台硬件部分对过流、过压、过温、过载等情况都做了相应的实时监测与保护，实用性高、安全性强、可靠度高。

图1 电机智能控制嵌入式系统硬件平台

1.2 软件系统

实验开发平台的软件系统如图2 所示，采用MATLAB/Simulink 作为统一开发工具。通过采用普通的Simulink 模块和Embedded Coder 工具箱中模块化封装的DSP 底层驱动模块以及TI 公司提供的C28xDMC 和C28xIQmath 函数库共同完成模型的设计。对模型中相应模块进行必要参数的配置后利用Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors 硬件支持包实现代码生成功能，将搭建好的模型转化成代码，再通过TI 环境下的Code Composer Studio、controlSUITE、C2000 Ware 三个软件实现目标代码的运行与调试，通过编译链接后生成目标文件并下载到核心处理单元中，实现整个系统的控制功能。

图2 电机智能控制嵌入式系统软件系统

除此之外，实验平台通过串口通信方式建立上位机可视化界面，如图3 所示。一方面上位机通过串口对核心处理单元发送控制指令，实现对电机的控制。另一方面核心处理单元将采集的电机的各路信号通过串口发送到上位机界面进行数据显示、数据处理以及数据存储。同时还能实现在线调试，合理利用了串口的双向通信功能，交互性强、实时性高，大大提升了实验教学效率。

图3 电机智能控制嵌入式系统上位机界面

实验平台在搭建系统模型的过程中，将底层的硬件驱动模块搭建好之后进行参数的配置，包括环境参数以及硬件参数。经过调试及优化后，采用硬件封装技术将底层硬件驱动模块封装成类似Simulink工具箱中的电机库模型，便于实验的开展。同时，还搭建并封装完成了保护模块，实时对电机的电流和电压信号进行监测，一旦出现过流、过压现象则立即触发软件保护信号，终止电机运行。实验平台的安全性和灵活性进一步得到保障，使得实验教学更容易普及。

2 教学模式改进

传统电机控制课程的主要教学模式是：1）教师讲授电机控制相关理论知识以及公式模型的推导；2）学生在指导下进行仿真模型的搭建，进一步学习理论知识；3）通过实验验证仿真，深入巩固电机控制课程相关理论知识，同时培养学生的动手实践能力。

但是，在传统的实验教学中，学生需要耗费大量的时间进行软硬件相关知识的学习，包括软件的使用、单片机以及DSP 外设寄存器的配置、底层驱动和功能代码的编写、软硬件调试相关知识等等。一方面学生编写代码困难，会导致实验时间过长。另一方面学生软硬件调试经验不足，很容易导致实验仪器的损坏。因此，只能进行一些比较简单的验证性实验。学生通过简单的实验操作让电机运行，无法将仿真的内容进行实验验证，难以进行一些控制算法的实践，实验内容无法深入拓展。这就导致仿真过程与实验过程产生割裂，教学与实践产生了脱节，学生无法真正做到理论联系实际，这会在一定程度上降低学生的学习兴趣以及学习热情，导致教学效率低，教学效果差。

采用电机智能控制嵌入式系统平台进行实验教学则解决了上述问题。本实验平台采用自动代码生成技术，学生无需学习编程方法编写代码，只需要进行类似仿真的图形化操作即可完成实验。同时，本实验平台的软件平台已经将底层硬件的驱动以及保护的模型搭建调试完成后进行封装，学生无需再花费大量时间学习底层硬件驱动相关知识。实验平台在软件和硬件方面都做了相应的保护模块，安全性强，学生可以放心大胆地进行电机控制算法的学习与验证。这大大增加了教学效率，同时也使教学更具有直观性、可视性和灵活性。

结合本实验平台的新型教学模式，学生可以实现理论、仿真、实验三位一体。学生对教师在课堂上讲授的内容的理解不再停留于表面，通过仿真和实验对理论知识的掌握程度进行检验，学生的学习情况可以得到及时的反馈。同时促进了学生对理论知识的掌握和应用，提高了学生的动手实践能力，培养了学生发现问题和解决问题的能力。部分学有余力的学生还可以根据自身兴趣去构造一些仿真与实验去验证一些新的想法。本实验平台通过上位机可视化界面可以实时监测到实验数据，能够及时反馈控制效果，便于学生调试。因此，结合本实验平台的新型教学模式可以实现因材施教，提高学生的学习兴趣与学习积极性，培养学生的科研能力，实现教、学、做合一的目的。

此外，当前疫情形势下，发展线上教学是大势所趋。如今互联网时代网络教学资源丰富，在课堂教学中可以充分利用网络上的教学资源。采用本实验平台进行实验教学还可以实现远程实验，学生通过远程桌面控制实验主机，再配备网络摄像头即可开展实验，摆脱对实验场所的依赖，这使得实验教学的开展有了保障，学生开展实验突破了时间和空间的限制。开展线上的实验教学模式更符合当下的时代背景，体现了基于本实验平台的新型教学模式的灵活性和高效性。

3 实验教学内容设计

基于自动代码生成和硬件封装技术的电机智能控制嵌入式系统实验开发平台如图4 所示。实验平台由控制与驱动系统、永磁同步电机、直流电源与PC 共同构成。

图4 电机智能控制嵌入式系统结构框图

在实验教学过程中，首先，教师通过介绍硬件驱动板的各个模块使学生对硬件相关知识有一定的了解。在此基础上，对软件平台的模型的各个模块进行讲解，使学生将模型与电机控制系统的理论知识对应起来，了解控制算法的实现方法。最后，教师通过对基础实验进行演示，包括模型的建立，代码生成方法，上位机可视化界面读取数据、显示数据以及存储数据的方法，使学生熟悉实验操作流程。学生在学习实验室规范安全操作守则后独立进行电机控制系统的模型及算法的设计并进行实验操作，实验完成后通过上位机存储并记录实验数据，课后对实验结果进行处理和分析，最后提交实验报告。

教师通过实验平台对电流环跟随响应实验进行实例演示。采用PI 控制器对dq 轴电流进行闭环控制，使得反馈电流能够快速响应指令值。电流环跟随响应实验结果如图5 所示，可以看出电流环动、稳态性能良好，说明实验平台符合实验教学要求。

图5 电机智能控制嵌入式系统实验结果

4 结束语

本文构建了基于自动代码生成和硬件封装技术的电机智能控制嵌入式系统实验开发平台，并将其应用到电机控制课程的实验教学中。解决了传统实验课程难度大、周期长、难以普及的问题。同时可以保证远程实验的实现。

实验平台将底层硬件驱动模块搭建完成后封装集成到模型中，采用代码生成技术，使得学生无需耗费过多时间学习软硬件相关知识也无需编写代码即可完成实验，降低了实验难度，极大地提高了实验教学效率。学生可以集中精力设计实验，学习验证课程中所学的电机控制方面相关的理论知识，实现理实一体化教学。学有余力的学生还可以利用实验平台验证一些感兴趣的算法知识，通过上位机可视化界面可以实时地反馈控制效果并进行在线调试，拓宽了学习途径，极大地增强了学生的学习兴趣和学习积极性，提高了学生的主观能动性，有利于培养学生的科研能力。