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關(guān)于研旭
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解決方案
SOLUTION
基于模型設(shè)計的新工科電力電子與電機控制教學(xué)實驗平臺
關(guān)鍵詞：
電力電子實驗
電機控制實驗
基于模型設(shè)計
快速原型控制
YXMBD
YXRCP
所屬分類：
新工科實訓(xùn)平臺
電力電子與電機控制教學(xué)科研實訓(xùn)平臺
電力電子與電機控制教學(xué)科研實訓(xùn)平臺
新工科教學(xué)科研實訓(xùn)實驗臺
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方案介紹
摘要
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子與電機控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，實驗教學(xué)是電力電子與電機控制課程非常重要的內(nèi)容，對于培養(yǎng)學(xué)生掌握理論知識，分析和解決實際問題的能力具有重要作用。然而不少學(xué)校的電力電子與電機控制實驗平臺依然是基于90年代的電力電子與電機控制技術(shù)發(fā)展而來的實驗平臺架構(gòu)，依然基于模擬信號觸發(fā)與控制，與現(xiàn)代的電力電子控制與電機控制技術(shù)有較大的脫節(jié)。南京研旭推出的YXMBD系列電力電子與電機控制實驗教學(xué)平臺采用基于模型設(shè)計的思想，結(jié)合當(dāng)下DSP數(shù)字控制技術(shù)與電力電子，電機控制方法，將離線仿真與實物控制驗證結(jié)合，可大大提高實驗教學(xué)的效率與質(zhì)量。
1、引言
現(xiàn)代工業(yè)對電氣工程技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)提出越來越高的要求，電力電子專業(yè)人員不僅要具備扎實的理論知識、全面的計劃能力，還要掌握接線和參數(shù)設(shè)置等實踐技能。研旭電力電子與驅(qū)動控制的實驗平臺系統(tǒng)讓學(xué)習(xí)和實驗變得更簡單、更高效。豐富的基礎(chǔ)和進階實驗硬件配置方案不僅能讓學(xué)生進行復(fù)雜的實驗，還能夠循序漸進地傳授理論知識，幫助學(xué)生獲得工程實踐技能和科研項目經(jīng)驗。實驗從簡單的晶體管開關(guān)開始，到介紹調(diào)制方法，再到闡釋復(fù)雜的變速直流驅(qū)動和三相驅(qū)動原理，系統(tǒng)化的實驗項目都配備了內(nèi)容豐富的互動式實驗教學(xué)軟件。詳細(xì)的多媒體實驗指導(dǎo)手冊和本安型的實驗設(shè)備則讓項目式的實驗學(xué)習(xí)過程變得輕松有趣。課程軟件能圖形化顯示所有實際測量值或控制實驗硬件設(shè)備。軟硬互動的實驗方式大幅提高學(xué)習(xí)效果。
研旭驅(qū)動控制器可通過編程接口實現(xiàn)自由編程。借助YXSPACE-SP1000實驗系統(tǒng)可在Matlab®/Simulink®中實現(xiàn)復(fù)雜變速驅(qū)動的快速仿真，然后將生成的代碼程序?qū)懭腧?qū)動控制器中，如圖1所示。在可變負(fù)載條件下，學(xué)生還可以使用拓展工具對系統(tǒng)進行復(fù)雜分析。Matlab®/Simulink®是高等院校廣泛使用的實驗和科研軟件，研旭電力電子實驗系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動硬件系統(tǒng)與該軟件的實時互動操作，為電力電子和驅(qū)動技術(shù)實驗教學(xué)和科研提供了一種新方式。
圖1 基于模型開發(fā)MBD半實物仿真
2、基于模型設(shè)計的實驗平臺設(shè)計
實驗平臺能滿足高等院校“電力電子技術(shù)”、“半導(dǎo)體變流技術(shù)”、“電機控制（直流電機調(diào)速、交流電機調(diào)速及變頻調(diào)速）”等課程實驗教學(xué)。
2.1系統(tǒng)構(gòu)架
基于模型設(shè)計的實驗平臺構(gòu)架如圖1.2所示，學(xué)生在學(xué)習(xí)玩理論知識后，先嘗試通過離線仿真進行相關(guān)實驗，離線仿真并不等同于實物，有部分的參數(shù)設(shè)置，實驗效果都需要實物進一步驗證，但學(xué)生通過離線仿真理論建模部分可以進一步加深理論理解，其中的控制方法可以剝離出來進一步在實驗平臺上進行實物驗證，從課堂學(xué)習(xí)，離線仿真，到實物驗證，學(xué)生可以多角度的加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，剝離出來的控制算法通過研旭提供的實驗平臺與YXSPACE系列快速原型控制器一鍵生成實際平臺控制代碼，結(jié)合研旭提供的模塊化硬件實物平臺可以快速實物驗證相關(guān)實驗。
圖2 基于模型設(shè)計的實驗平臺構(gòu)架
2.2 系統(tǒng)特點
更精細(xì)的模塊化單元封裝
?采用更為美觀、集成度高的封裝形式。
?模塊化更合理，數(shù)字化更突出。
更完善的安全保護機制
?具備硬件保護和軟件保護雙重保護，可靠性高，軟件保護可大大減少器件的損壞，可避免出現(xiàn)經(jīng)常換器件的麻煩。
更細(xì)致的實驗指導(dǎo)教程
?創(chuàng)新的交互式實驗課程軟件，提供進行實驗所需的各種支持。它不僅提供實驗過程指導(dǎo)，還提供相關(guān)理論知識講解介紹，記錄測量結(jié)果，并可導(dǎo)出各類數(shù)據(jù)。
理論仿真驗證與實際元件實驗驗證相結(jié)合
?在Matlab中設(shè)計的控制算法自動生成代碼，自動加載到實時目標(biāo)機中運行，避免了繁瑣的編程和Debug工作
?使用門檻低，會Matlab仿真即可完成實驗測試工作，所有測試工作只需一人即可完成
更靈活，更開放
?硬件模塊化設(shè)計，多種實驗拓?fù)淠K可選，同時，可根據(jù)需求定制各種不同的功率硬件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率級別、傳感器的數(shù)量位置等均可以變化。
?軟件模塊化設(shè)計，編程和監(jiān)控全部采用基于模型的可視化設(shè)計方法，提供各類驗證過的算法模型，可直接組合調(diào)用，大大縮短上手時間。
更可信，更可靠
?采用高可靠性的功率模塊和經(jīng)過完善測試的接口模塊，故障率低
?具備數(shù)字仿真和物理電路雙重驗證，設(shè)計更靈活，實驗數(shù)據(jù)更具說服力。
2.3 開發(fā)設(shè)計學(xué)習(xí)流程
基于YXMBD-TE1000的電力電子與電機控制新工科教學(xué)實驗的典型實驗流程如圖3所示
圖3 典型實驗流程
各環(huán)節(jié)詳細(xì)流程如圖4所示
圖4 基于YXMBD的實驗步驟
3、基于YXMBD-TE1000可進行的實驗項目
基于YXMBD-TE1000進行的實驗項目分為仿真基礎(chǔ)、基于模型設(shè)計基礎(chǔ)、晶閘管整流與調(diào)壓實驗、直流-直流DC-DC變換實驗(MOSFET)、直流-交流DC-AC變換實驗（IGBT）、電機驅(qū)動控制實驗，覆蓋了目前電力電子的主流器件，以及電力電子課程與電機控制課程的主要實驗。具體實驗項目如下。
4 、YXMBD-TE1000臺架
以鋁合金材為主體結(jié)構(gòu)，底部采用4個福馬輪，具有定位移動等功能，提供40*40歐標(biāo)型材框，尺寸不小于1200*700*30作為桌面固定件，40*80歐標(biāo)型材作為系統(tǒng)主骨架，頂部采用鈑金噴塑，絲印設(shè)備型號及名稱等信息，中間放置功能模塊，旁邊放置顯示器支架，可直接掛載顯示器，電腦主機掛載下方。配置桌板，可放置電機和掛件等，實驗臺側(cè)面可增加一套導(dǎo)線掛鉤，有利于實驗臺導(dǎo)線的整理，方便老師以及學(xué)生的上課。
圖5 實驗臺架展示
4.2 快速原型控制器（RCP）
快速原型控制器RCP是基于模型設(shè)計的電力電子與電機控制平臺的關(guān)鍵模塊，其采用DSP+FPGA多核架構(gòu)，通過將相關(guān)外設(shè)驅(qū)動開發(fā)成SIMULINK中相應(yīng)的庫，可以實現(xiàn)運行程序一鍵代碼生成，從而可以快速評估算法，免去對硬件系統(tǒng)以及代碼調(diào)試方面的工作，大大提高實驗效率。其主要特點如下：
*采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結(jié)果針對實際研究更具有參考性；
*保護機制齊全，此部分不需要用戶實際搭建保護模型，只需配置控制量的極限值即可實現(xiàn)實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更多的關(guān)注于核心控制算法；
*模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件
*各類細(xì)節(jié)，免去一切不必要的麻煩；
*具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導(dǎo)入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應(yīng)的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。
快速原型控制器RCP外觀如圖6所示。
圖6 快速原型控制器RCP外觀
4.3 實驗管理及課程培訓(xùn)系統(tǒng)
基于YXMBT-TE1000的電力電子與電機控制實驗平臺，具有相對完善的實驗管理及課程培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面如圖7所示。
圖7 實驗管理系統(tǒng)主界面
實驗系統(tǒng)主要功能點如下：
? 創(chuàng)新的交互式實驗課程軟件，提供進行實驗所需的各種支持。它不僅提供實驗過程指導(dǎo)，還提供相關(guān)理論知識講解介紹，記錄測量結(jié)果，并可導(dǎo)出各類數(shù)據(jù)。
? 實驗課程軟件需集成所有的實驗例程，統(tǒng)一在一個軟件中運行，可一鍵打開，自動完成程序的下載、仿真以及數(shù)據(jù)的在線觀測。
? 實驗課程軟件需提供進行實驗所需的各種支持。包括但不限于實驗指導(dǎo)書，相關(guān)理論知識講解、自動記錄實驗過程中的各種數(shù)據(jù)，導(dǎo)出各類數(shù)據(jù)。
? 支持Matlab運行環(huán)境及Simulink實驗仿真模型，結(jié)合實驗課程，可直接一鍵打開模型并自動搭建UI界面，提供離線模式和在線模型，可直接進行仿真實驗驗證。
? 每一個例程都提供離線仿真模型和實物控制模型，學(xué)生導(dǎo)入模型，進行虛擬仿真和實物控制的實驗驗證。
? 原理理論學(xué)習(xí)，實驗管理系統(tǒng)提供相關(guān)實驗的理論內(nèi)容與輔助教學(xué)視頻，可由教師機進行管理。
? 集成所有實驗例程，系統(tǒng)可自動導(dǎo)入相應(yīng)實驗的Simulink控制模型，無需打開其他軟件。
? 可導(dǎo)入預(yù)設(shè)實驗控制界面，集成章節(jié)化的實驗說明手冊，在實驗工程文件基礎(chǔ)上按照實驗指導(dǎo)進行控制操。
? 可自動抓取實驗數(shù)據(jù)、完善實驗報告，提交實驗報告，若有其他開放性實驗，可自己建立相關(guān)模型進行驗證。
? 可自動保存實驗過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，支持自主導(dǎo)入控制模型，進行快速原型控制器的程序一鍵生成與燒寫。
? 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并具備錄波功能，波形數(shù)據(jù)可直接在matlab或第三方軟件中打開并查看。
實驗中的相關(guān)在線指導(dǎo)手冊如圖8所示。
圖8 獨立例程說明書集成可直接打開
實驗中的離線仿真例程如圖9所示。
圖9 離線matlab模型集成調(diào)用
實驗中的在線仿真，直接燒寫的程序如圖10所示。
圖10 在線matlab模型集成調(diào)用
在實驗系統(tǒng)中可以填寫與提交實驗報告，實驗中的數(shù)據(jù)可以保存到數(shù)據(jù)庫，相關(guān)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到第三方軟件進一步分析。
4.5 現(xiàn)場布局
該實驗平臺已在多所高校使用，得到了用戶與學(xué)生的高度好評。現(xiàn)場實驗室布局參考如圖11所示。
5、總結(jié)
南京研旭推出的基于模型設(shè)計的新工科電力電子與電機控制實驗平臺適應(yīng)了當(dāng)下電力電子與電機控制最新教學(xué)與技術(shù)發(fā)展的需求，得到了不少客戶的支持，在客戶們的支持與關(guān)愛下，該平臺設(shè)計越來越合理，模塊越來越豐富，資料越來越詳細(xì)。
參考資料：
1、YXMBD-TE1000用戶指導(dǎo)手冊
2、研旭公眾號文章新工科電力電子與電機控制教學(xué)實驗臺（YXMBD-TE1000）
3、YXSPACE-SP1000快速原型控制器用戶手冊
4、YXPHM功率硬件用戶手冊。
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