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(jī)控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是電力電子與電機(jī)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(shí)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(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺依然是基于90年代的電力電子與電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展而來的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺采用基于模型設(shè)計(jì)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(jī)控制方法，將離線仿真與實(shí)物控制驗(yàn)證結(jié)合，可大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率與質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞 電力電子實(shí)驗(yàn) 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn) 基于模型設(shè)計(jì) 快速原型控制 YXMBD  YXRCP

　　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(shí)的理論知識、全面的計(jì)劃能力，還要掌握接線和參數(shù)設(shè)置等實(shí)踐技能。研旭電力電子與驅(qū)動控制的實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)讓學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)變得更簡單、更高效。豐富的基礎(chǔ)和進(jìn)階實(shí)驗(yàn)硬件配置方案不僅能讓學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，還能夠循序漸進(jìn)地傳授理論知識，幫助學(xué)生獲得工程實(shí)踐技能和科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都配備了內(nèi)容豐富的互動式實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。詳細(xì)的多媒體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊和本安型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備則讓項(xiàng)目式的實(shí)驗(yàn)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(shí)際測量值或控制實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備。軟硬互動的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自由編程。借助YXSPACE-SP1000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在Matlab?/Simulink?中實(shí)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(jìn)行復(fù)雜分析。Matlab?/Simulink?是高等院校廣泛使用的實(shí)驗(yàn)和科研軟件，研旭電力電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動硬件系統(tǒng)與該軟件的實(shí)時互動操作，為電力電子和驅(qū)動技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)物仿真

　　2、基于模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

　　實(shí)驗(yàn)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(jī)控制（直流電機(jī)調(diào)速、交流電機(jī)調(diào)速及變頻調(diào)速）”等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

　　2.1系統(tǒng)構(gòu)架

　　基于模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，離線仿真并不等同于實(shí)物，有部分的參數(shù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)效果都需要實(shí)物進(jìn)一步驗(yàn)證，但學(xué)生通過離線仿真理論建模部分可以進(jìn)一步加深理論理解，其中的控制方法可以剝離出來進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，從課堂學(xué)習(xí)，離線仿真，到實(shí)物驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺與YXSPACE系列快速原型控制器一鍵生成實(shí)際平臺控制代碼，結(jié)合研旭提供的模塊化硬件實(shí)物平臺可以快速實(shí)物驗(yàn)證相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖2 基于模型設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)架

　　2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　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(hù)機(jī)制

　　具備硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重保護(hù)，可靠性高，軟件保護(hù)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教程

　　創(chuàng)新的交互式實(shí)驗(yàn)課程軟件，提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的各種支持。它不僅提供實(shí)驗(yàn)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(yàn)證與實(shí)際元件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合

　　在Matlab中設(shè)計(jì)的控制算法自動生成代碼，自動加載到實(shí)時目標(biāo)機(jī)中運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jì)，多種實(shí)驗(yàn)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(jì)，編程和監(jiān)控全部采用基于模型的可視化設(shè)計(jì)方法，提供各類驗(yàn)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(yàn)證，設(shè)計(jì)更靈活，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具說服力。

　　2.3 開發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)流程

　　基于YXMBD-TE1000的電力電子與電機(jī)控制新工科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示

圖3 典型實(shí)驗(yàn)流程

　　各環(huán)節(jié)詳細(xì)流程如圖4所示

圖4基于YXMBD的實(shí)驗(yàn)步驟

　　3、基于YXMBD-TE1000可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

　　基于YXMBD-TE1000進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為仿真基礎(chǔ)、基于模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、晶閘管整流與調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、直流-直流DC-DC變換實(shí)驗(yàn)(MOSFET)、直流-交流DC-AC變換實(shí)驗(yàn)（IGBT）、電機(jī)驅(qū)動控制實(shí)驗(yàn)，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(jī)控制課程的主要實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下。

　　4 、YXMBD-TE1000臺架

　　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1300*830*20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(jī)掛載下方。配置桌板，可放置電機(jī)和掛件等，實(shí)驗(yàn)臺側(cè)面可增加一套導(dǎo)線掛鉤，有利于實(shí)驗(yàn)臺導(dǎo)線的整理，方便老師以及學(xué)生的上課。實(shí)驗(yàn)臺架展示如圖5所示。

圖5實(shí)驗(yàn)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(jì)的電力電子與電機(jī)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(shí)現(xiàn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)效率。其主要特點(diǎn)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(shí)際研究更具有參考性；

　　*保護(hù)機(jī)制齊全，此部分不需要用戶實(shí)際搭建保護(hù)模型，只需配置控制量的極限值即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時保護(hù)，讓用戶不用為安全保護(hù)費(fèi)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(fèi)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(shí)驗(yàn)管理及課程培訓(xùn)系統(tǒng)

　　基于YXMBT-TE1000的電力電子與電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺，具有相對完善的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)主界面

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能點(diǎn)如下：

　　創(chuàng)新的交互式實(shí)驗(yàn)課程軟件，提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的各種支持。它不僅提供實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課程軟件需集成所有的實(shí)驗(yàn)例程，統(tǒng)一在一個軟件中運(yùn)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(shí)驗(yàn)課程軟件需提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的各種支持。包括但不限于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，相關(guān)理論知識講解、自動記錄實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)，導(dǎo)出各類數(shù)據(jù)。

　　支持Matlab運(yùn)行環(huán)境及Simulink實(shí)驗(yàn)仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　每一個例程都提供離線仿真模型和實(shí)物控制模型，學(xué)生導(dǎo)入模型，進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)物控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　原理理論學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論內(nèi)容與輔助教學(xué)視頻，可由教師機(jī)進(jìn)行管理。

　　集成所有實(shí)驗(yàn)例程，系統(tǒng)可自動導(dǎo)入相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的Simulink控制模型，無需打開其他軟件。

　　可導(dǎo)入預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)控制界面，集成章節(jié)化的實(shí)驗(yàn)說明手冊，在實(shí)驗(yàn)工程文件基礎(chǔ)上按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行控制操。

　　可自動抓取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，若有其他開放性實(shí)驗(yàn)，可自己建立相關(guān)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

　　可自動保存實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中的相關(guān)在線指導(dǎo)手冊如圖8所示。

圖8 獨(dú)立例程說明書集成可直接打開

　　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以填寫與提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步分析。

　　4.5 現(xiàn)場布局

　　該實(shí)驗(yàn)平臺已在多所高校使用，得到了用戶與學(xué)生的高度好評?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)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(jì)的新工科電力電子與電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺適應(yīng)了當(dāng)下電力電子與電機(jī)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(jì)越來越合理，模塊越來越豐富，資料越來越詳細(xì)。對研旭相關(guān)產(chǎn)品感興趣的朋友可以關(guān)注我們天貓【研旭旗艦店】/【南京研旭】公眾號/【研旭官網(wǎng)】www.njyxdq.com

　　參考資料：

　　YXMBD-TE1000用戶指導(dǎo)手冊

　　研旭公眾號文章新工科電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺（YXMBD-TE1000）

　　YXSPACE-SP1000快速原型控制器用戶手冊

　　YXPHM功率硬件用戶手冊。