解決方案
SOLUTION
基于模型設計的新工科電力電子與電機控制教學實驗平臺
關鍵詞：
電力電子實驗
電機控制實驗
基于模型設計
快速原型控制
YXMBD
YXRCP
所屬分類：
新工科實訓平臺
電力電子與電機控制教學科研實訓平臺
電力電子與電機控制教學科研實訓平臺
新工科教學科研實訓實驗臺
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方案介紹
摘要
隨著現代電力電子技術與數字控制技術的發展，電力電子與電機控制技術也在不斷發展，實驗教學是電力電子與電機控制課程非常重要的內容，對于培養學生掌握理論知識，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發展而來的實驗平臺架構，依然基于模擬信號觸發與控制，與現代的電力電子控制與電機控制技術有較大的脫節。南京研旭推出的YXMBD系列電力電子與電機控制實驗教學平臺采用基于模型設計的思想，結合當下DSP數字控制技術與電力電子，電機控制方法，將離線仿真與實物控制驗證結合，可大大提高實驗教學的效率與質量。
1、引言
現代工業對電氣工程技術人員的專業素質提出越來越高的要求，電力電子專業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設置等實踐技能。研旭電力電子與驅動控制的實驗平臺系統讓學習和實驗變得更簡單、更高效。豐富的基礎和進階實驗硬件配置方案不僅能讓學生進行復雜的實驗，還能夠循序漸進地傳授理論知識，幫助學生獲得工程實踐技能和科研項目經驗。實驗從簡單的晶體管開關開始，到介紹調制方法，再到闡釋復雜的變速直流驅動和三相驅動原理，系統化的實驗項目都配備了內容豐富的互動式實驗教學軟件。詳細的多媒體實驗指導手冊和本安型的實驗設備則讓項目式的實驗學習過程變得輕松有趣。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備。軟硬互動的實驗方式大幅提高學習效果。
研旭驅動控制器可通過編程接口實現自由編程。借助YXSPACE-SP1000實驗系統可在Matlab®/Simulink®中實現復雜變速驅動的快速仿真，然后將生成的代碼程序寫入驅動控制器中，如圖1所示。在可變負載條件下，學生還可以使用拓展工具對系統進行復雜分析。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實現驅動硬件系統與該軟件的實時互動操作，為電力電子和驅動技術實驗教學和科研提供了一種新方式。
圖1 基于模型開發MBD半實物仿真
2、基于模型設計的實驗平臺設計
實驗平臺能滿足高等院校“電力電子技術”、“半導體變流技術”、“電機控制（直流電機調速、交流電機調速及變頻調速）”等課程實驗教學。
2.1系統構架
基于模型設計的實驗平臺構架如圖1.2所示，學生在學習玩理論知識后，先嘗試通過離線仿真進行相關實驗，離線仿真并不等同于實物，有部分的參數設置，實驗效果都需要實物進一步驗證，但學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，從課堂學習，離線仿真，到實物驗證，學生可以多角度的加深對學習內容的理解，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實驗。
圖2 基于模型設計的實驗平臺構架
2.2 系統特點
更精細的模塊化單元封裝
?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，可避免出現經常換器件的麻煩。
更細致的實驗指導教程
?創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，還提供相關理論知識講解介紹，記錄測量結果，并可導出各類數據。
理論仿真驗證與實際元件實驗驗證相結合
?在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼，自動加載到實時目標機中運行，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
?硬件模塊化設計，多種實驗拓撲模塊可選，同時，可根據需求定制各種不同的功率硬件，拓撲結構、功率級別、傳感器的數量位置等均可以變化。
?軟件模塊化設計，編程和監控全部采用基于模型的可視化設計方法，提供各類驗證過的算法模型，可直接組合調用，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過完善測試的接口模塊，故障率低
?具備數字仿真和物理電路雙重驗證，設計更靈活，實驗數據更具說服力。
2.3 開發設計學習流程
基于YXMBD-TE1000的電力電子與電機控制新工科教學實驗的典型實驗流程如圖3所示
圖3 典型實驗流程
各環節詳細流程如圖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、基于模型設計基礎、晶閘管整流與調壓實驗、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構，底部采用4個福馬輪，具有定位移動等功能，提供40*40歐標型材框，尺寸不小于1200*700*30作為桌面固定件，40*80歐標型材作為系統主骨架，頂部采用鈑金噴塑，絲印設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，實驗臺側面可增加一套導線掛鉤，有利于實驗臺導線的整理，方便老師以及學生的上課。
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是基于模型設計的電力電子與電機控制平臺的關鍵模塊，其采用DSP+FPGA多核架構，通過將相關外設驅動開發成SIMULINK中相應的庫，可以實現運行程序一鍵代碼生成，從而可以快速評估算法，免去對硬件系統以及代碼調試方面的工作，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實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更多的關注于核心控制算法；
*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
*各類細節，免去一切不必要的麻煩；
*具備自主編寫的驅動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數據直接與硬件對接，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系統
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系統。系統主界面如圖7所示。
圖7 實驗管理系統主界面
實驗系統主要功能點如下：
? 創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，還提供相關理論知識講解介紹，記錄測量結果，并可導出各類數據。
? 實驗課程軟件需集成所有的實驗例程，統一在一個軟件中運行，可一鍵打開，自動完成程序的下載、仿真以及數據的在線觀測。
? 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書，相關理論知識講解、自動記錄實驗過程中的各種數據，導出各類數據。
? 支持Matlab運行環境及Simulink實驗仿真模型，結合實驗課程，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，學生導入模型，進行虛擬仿真和實物控制的實驗驗證。
? 原理理論學習，實驗管理系統提供相關實驗的理論內容與輔助教學視頻，可由教師機進行管理。
? 集成所有實驗例程，系統可自動導入相應實驗的Simulink控制模型，無需打開其他軟件。
? 可導入預設實驗控制界面，集成章節化的實驗說明手冊，在實驗工程文件基礎上按照實驗指導進行控制操。
? 可自動抓取實驗數據、完善實驗報告，提交實驗報告，若有其他開放性實驗，可自己建立相關模型進行驗證。
? 可自動保存實驗過程中產生的各種數據，支持自主導入控制模型，進行快速原型控制器的程序一鍵生成與燒寫。
? 數據庫管理系統，并具備錄波功能，波形數據可直接在matlab或第三方軟件中打開并查看。
實驗中的相關在線指導手冊如圖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模型集成調用
在實驗系統中可以填寫與提交實驗報告，實驗中的數據可以保存到數據庫，相關數據可以導入到第三方軟件進一步分析。
4.5 現場布局
該實驗平臺已在多所高校使用，得到了用戶與學生的高度好評。現場實驗室布局參考如圖11所示。
5、總結
南京研旭推出的基于模型設計的新工科電力電子與電機控制實驗平臺適應了當下電力電子與電機控制最新教學與技術發展的需求，得到了不少客戶的支持，在客戶們的支持與關愛下，該平臺設計越來越合理，模塊越來越豐富，資料越來越詳細。
參考資料：
1、YXMBD-TE1000用戶指導手冊
2、研旭公眾號文章新工科電力電子與電機控制教學實驗臺（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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