一、產(chǎn)品介紹

為了支持高校電力電子教學(xué)，南京研旭特推出了開放式小功率電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該系統(tǒng)可以滿足電氣工程、電力電子、自動(dòng)化和控制科學(xué)等工科學(xué)科相關(guān)的教學(xué)與科研需求。

系統(tǒng)提供給學(xué)生從電路原理，電路構(gòu)建，程序編寫以及調(diào)試，直至最后實(shí)際功率電路驗(yàn)證等一整套學(xué)習(xí)過程。這樣學(xué)生可以首先了解理論層，然后通過離線仿真對(duì)理論層加深理解，進(jìn)而再對(duì)實(shí)際硬件進(jìn)行控制，獲得真實(shí)的控制數(shù)據(jù)。讓學(xué)生更加清晰的了解理論、仿真與實(shí)際硬件控制的關(guān)系。

針對(duì)基礎(chǔ)教學(xué)方面，開放式小功率電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供了基本的實(shí)驗(yàn)例程，可以完成《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》、《自動(dòng)控制原理》等課程的相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)例程從基礎(chǔ)的電路原理介紹、程序編寫、實(shí)際硬件控制等層次入手，由淺入深，循序漸進(jìn)的指導(dǎo)學(xué)生。

YX-MC2000開放式小功率電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含 DSP 控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、組態(tài)屏、對(duì)拖機(jī)組（含扭矩傳感器和可配置慣性盤）、負(fù)載電阻制動(dòng)器、三相電參數(shù)測(cè)試儀、智能數(shù)字測(cè)力表、電壓表及電流表。每個(gè)平臺(tái)都有獨(dú)立的接口，方便拆卸，同時(shí)配備獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教程及實(shí)例介紹，平臺(tái)資源豐富，資源齊全，可單獨(dú)控制，亦可整體工作。

二、背景

在介紹實(shí)際控制原理及模型之前，我們有必要先了解下最基礎(chǔ)的電力電子基礎(chǔ)及我們?cè)O(shè)計(jì)快速原型控制器的背景及初衷。

2.1 電力電子技術(shù)概述

電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。通常把電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個(gè)分支。變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)。電力變換通常分為四大類，交流變交流，交流變直流，直流變直流以及直流變交流。交流變直流叫做整流，直流變交流叫做逆變，如下圖所示。

圖 2.1 電力變換種類

電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心，電力電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理，變流技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電路理論。

美國學(xué)者 W. Newell 認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。

三、系統(tǒng)組成

YX-MC2000開放式小功率電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.1 系統(tǒng)實(shí)物

系統(tǒng)硬件主要由 DSP 控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、組態(tài)屏、對(duì)拖機(jī)組（含扭矩傳感器和可配置慣性盤）、負(fù)載電阻制動(dòng)器、三相電參數(shù)測(cè)試儀、智能數(shù)字測(cè)力表、電壓表及電流表等。下圖 3.1 為實(shí)物圖，圖 3.2 為系統(tǒng)框圖。

圖 3.1 實(shí)物圖

按圖中標(biāo)注：

（1）控制板：系統(tǒng)控制器，采用 TI 專門為工業(yè)控制所推出的 C2000 架構(gòu)的TMS320F28335 作為主控芯片，其中 28335 主頻為 150M，內(nèi)部資源豐富，可滿足各種環(huán)境下的控制運(yùn)算，用于運(yùn)行電機(jī)控制程序，并與組態(tài)屏和上位機(jī)通訊，將運(yùn)算參數(shù)上傳至組態(tài)屏和上位機(jī)；
（2）驅(qū)動(dòng)板：硬件驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并采集電壓電流、編碼器信號(hào)或者霍爾位置信號(hào)等，強(qiáng)弱電隔離設(shè)計(jì)，電壓電流信號(hào)采用傳感器芯片采集，QEP 及 CAP接口全引出，保護(hù)機(jī)制健全；
（3）電壓表/電流表：原動(dòng)機(jī)側(cè)用于測(cè)量輸入電流和電壓，發(fā)電機(jī)側(cè)用于測(cè)量整流后的直流電流和直流電壓；
（4）組態(tài)屏：用于控制電機(jī)運(yùn)行，并顯示運(yùn)行參數(shù)；
（5）三相電參數(shù)測(cè)試儀：用于測(cè)量和記錄電機(jī)的電壓、電流、有功功率、功率因素及頻率；
（6）智能數(shù)字測(cè)力表：用于測(cè)量和記錄扭矩、轉(zhuǎn)速及功率；
（7）對(duì)托機(jī)組：包含了原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩臺(tái)永磁同步電機(jī)、可配置慣性盤、扭矩傳感器；
（8）電阻制動(dòng)器：用于給電機(jī)模擬帶載；
（9）PC：戴爾電腦一臺(tái)，可用于 CCS 操作實(shí)驗(yàn)，燒寫程序、上位機(jī)軟件的控制及參數(shù)顯示等；

3.2 系統(tǒng)框圖

四、主要模塊介紹

本系統(tǒng)所涉及的器件非常多，本文檔只列舉其中相對(duì)比較重要的部件加以介紹如:控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、三相電參數(shù)測(cè)試儀、電機(jī)機(jī)組、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、智能數(shù)字測(cè)力表、PC、組態(tài)屏等；

4.1控制板

采用 TI 專門為工業(yè)控制所推出的 C2000 架構(gòu)的 TMS320F28335 作為主控芯片，其中 28335 主頻為 150M，如圖 4.1 所示：

圖 4.1 DSP 控制板

TMS320F28335 的詳細(xì)板卡資源介紹如下表：

• 片上資源

• 控制板板載資源

4.2驅(qū)動(dòng)板

研旭為控制多種電機(jī)專門研發(fā)出了一款多功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，它具有永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)及直流有刷電機(jī)共用的功率驅(qū)動(dòng)模塊，在電源部分，采用了強(qiáng)弱電隔離設(shè)計(jì)，電壓電流信號(hào)采用傳感器芯片采集，QEP 及 CAP 接口全引出，保護(hù)機(jī)制健全，是一款功能非常強(qiáng)大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。

圖 4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

本電機(jī)驅(qū)動(dòng)板硬件板卡方面主要包括電源電路、RCP 接口、電壓采集、電流采集、編碼器采集和驅(qū)動(dòng)電路等模塊。板卡的主要參數(shù)如下表所示：

• 驅(qū)動(dòng)板板載資源

4.3電機(jī)機(jī)組

圖 4.3 電機(jī)機(jī)組

此電機(jī)機(jī)組包括：原動(dòng)機(jī)（永磁同步電機(jī)）、發(fā)電機(jī)（永磁同步電機(jī)）、可調(diào)節(jié)慣性盤、扭矩傳感器、電機(jī)臺(tái)架等組成。

4.3.1永磁同步電機(jī)

圖 4.4 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)見下表：

• 驅(qū)動(dòng)板板載資源

4.3.2扭矩傳感器

高精度動(dòng)態(tài)扭矩傳感器非接觸式,結(jié)構(gòu)小巧，緊湊，量程 0.1-5Nm，輸出 10 士5KHz4-20mA0 士 5/10VDC,RS485/232 不銹鋼軸，最高轉(zhuǎn)速 8000RPM，帶轉(zhuǎn)速輸出。

圖 4.5 扭矩傳感器

詳細(xì)扭矩傳感器參數(shù)如下表所示：

• 驅(qū)動(dòng)板板載資源

由于本臺(tái)架的測(cè)試要求是高轉(zhuǎn)速小扭矩，而且對(duì)于扭矩精度有一定的要求，聯(lián)軸器我們建議選擇梅花式聯(lián)軸器，它們適用于 50N.m、20000rpm 以內(nèi)的連接傳動(dòng)。這種聯(lián)軸器在桌面式臺(tái)架中，便于斷開實(shí)驗(yàn)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)。

圖 4.5 聯(lián)軸器

4.4臺(tái)式電腦

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于安裝 CCS 軟件，上位機(jī)軟件，以及部署開發(fā)環(huán)境。使用 i7-11700 處理器，搭配 500G 硬盤，27 寸液晶，搭配一套無線鍵盤和鼠標(biāo)。

圖 4.6 計(jì)算機(jī)

4.5組態(tài)屏

組態(tài)屏采用的是昆侖通態(tài)觸摸屏，外部串行接口 232、422 和 485，外部 USB 接口Host 等，詳細(xì)參數(shù)見下表：

• 組態(tài)屏資源

4.6三相電參數(shù)測(cè)試儀

儀器前面板由 5 寸全觸摸屏、電源開關(guān)部分，按鍵部分組成。屏幕頁面由綜合頁面、報(bào)警設(shè)置頁面、系統(tǒng)頁面組成。如圖 4.8 所示：

圖 4.8 三相電參數(shù)測(cè)試儀

綜合頁面顯示 L1、L2、L3、>、電能量數(shù)據(jù)同步顯示 (電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、總電能量) 電壓(V) 、電流(A) 、有功功率(W)、頻率 (HZ)功率因數(shù) (PF):
各單位符號(hào)表示單位如下:
V:代表當(dāng)前顯示項(xiàng)為電壓，單位: 伏特;
A:代表當(dāng)前顯示項(xiàng)為電流，單位: 安培;
W:代表當(dāng)前顯示項(xiàng)為功率，單位: 瓦特.
PF:代表當(dāng)前顯示為功率因數(shù);與窗口下方的相位指示燈組合使用;
Hz: 代表當(dāng)前顯示為頻率,單位: 赫茲;與窗口下方的相位指示燈組合使用:
K:代表數(shù)量級(jí)，代表千;與 V、A、W、組合使用表示 KV、KA、KW;

4.7智能數(shù)字測(cè)力表

扭矩，轉(zhuǎn)速，功率檢測(cè)控制記錄儀，配接脈沖輸出轉(zhuǎn)速.扭矩傳感器,對(duì)扭矩，轉(zhuǎn)速快速測(cè)量，計(jì)算功率值，測(cè)量控制速率可設(shè)置 10 次/秒，20 次/秒，50 次/秒，可選配±15V,±12V,24V 外供電源、正向和反向最大扭矩值記錄、4 點(diǎn)繼電器控制輸出、64M歷史數(shù)據(jù)記錄和 U 盤轉(zhuǎn)存記錄功能。如圖 4.9 所示：

圖 4.9 智能數(shù)字測(cè)力儀

4.8電機(jī)控制測(cè)試軟件