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SOLUTION

電阻能耗快速原型控制電機測試系統

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能耗式電機控制實驗系統

電機驅動測試與實驗

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方案介紹

基于快速原型控制電機電阻能耗加載系統測試機組，其加載系統通過加載電機經整流后接電阻放電，其測試電機變流器，可選擇采用背靠背變流器驅動或者通過直流電源+DCAC逆變器驅動，背靠背驅動方式下，需要380V三相交流供電，對于其他電壓等級可以考慮變壓器等方案，直流電源+DCAC逆變器驅動，其需要選擇直流電源，研旭高精度可編程直流電源有較高性價比是一種不錯的選擇，直流電源+DCAC逆變器驅動方式與背靠背驅動沒有本質不同，前者背靠背中一組變流器相當于直流電源作用，DCAC逆變器部分都可以根據要求選擇功率硬件如IGBT方案或者SIC方案，或者選擇拓撲結構方案，典型如三相兩電平，三相三電平，其變流器組封裝形式根據用戶需求進行相關定制，變流器組的控制器支持DSP核心板（CCS編程）或者yxspace快速原型控制器（代碼自動生成）進行控制，提供DSP測試算法例程與快速原型控制器生成代碼的模型，負載端有單獨加載控制軟件，可以進行加載方式控制。

基于快速原型控制電機背靠背驅動電阻能耗加載系統拓撲如下所示

圖1 基于快速原型控制電機背靠背驅動電阻能耗加載系統拓撲

圖2 基于快速原型控制電機直流電源+逆變器電阻能耗加載系統拓撲

系統特點

1、系統采用電阻能耗方案，相比回饋加載方式，系統為耗能測試方式，制動器有較大放熱量，連續工況與大功率測試工況要考慮系統散熱。
2、電阻能耗控制裝置控制比較簡單，有一定成本優勢。
3、系統采用YXPHM開放式功率硬件，硬件系統開發，可靠，可支持YXDSP核心板變成控制與YXSPACE快速原型控制器自動代碼生成控制。
4、系統提供算法樣例供快速評估或者迭代。

系統典型配置清單

表1 系統典型配置清單

序號	產品名稱	備注
1	對拖電機機組及臺架	1、測試電機與負載電機（陪測電機）轉速、功率 2、可以根據需求定制不同類型臺架 3、電機按需配置永磁（內置、表貼）、三相、四相、六相永磁，異步，直流有刷，直流無刷，磁阻，雙饋
2	測試電機變流器器（背靠背兩個三相兩電平）	1、拓撲結構按需配置，典型三相兩電平、三電平 2、功率器件按按需配置，典型IGBT,SIC 3、硬件結構開放，在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化設計，各個模塊方便替換 4、可同時具備TMS320F28335 DSP核心板控制器與RCP控制器接口 5、健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等 6、人機交互：具備LCD顯示屏，可通過顯示屏查看并設置各種參數，用戶也通過RS485通訊口連接PC機，提供通訊規約，可以查詢模塊的狀態信息，實時波形，下發操作指令。
3	負載電機變流器（AC-DC）	1、三相兩電平，IGBT構成 2、硬件結構開放，在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化設計，各個模塊方便替換 3、同時具備TMS320F28335 DSP核心板控制器與RCP控制器接口 4、健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等。 5、人機交互：具備LCD顯示屏，可通過顯示屏查看并設置各種參數，用戶也通過RS485通訊口連接PC機，提供通訊規約，可以查詢模塊的狀態信息，實時波形，下發操作指令。
4	快速原型控制器	1、按需求配置 SP1000\SP2000\SP6000 2 支持Simulink代碼自動生成和基于模型的程序設計；算法的Simulink模型可直接仿真下載到快速原型控制器的過程，能方便地使用Matlab/Simulink進行控制算法設計并在線實時仿真的功能，無需了解軟硬件實現及編程過程，就能進行控制設計和調試。 3 控制器需采用雙DSP+多組FPGA雙核結構，主控制器采用TMS320F28377，雙核200MHZ*2主頻，超快的運算速度、封裝的底層驅動，方便進行電力電子、電機驅動等復雜算法的研究。 4 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。多種庫文件，可適用于各種工程調試需求。 5 用戶可以隨意拖拽即可完成與硬件的連接，同時，配套了組態式的上位機，可以查看模型中任何的中間變量，可隨時觀測各種關鍵變量，從而做出相應參數上的更改。 6、需采用總線擴展方式，采用插卡方式，各個子板卡可進行擴展，不接受單板卡方式。用戶根據實際功能需求，可以靈活配置板卡種類，基本配置是CPU板卡、模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數字輸出DO板卡、數組輸入DI板卡、脈寬調制PWM板卡。
5	基于模型開發快速原型監控系統	1、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結合在一起，下載到控制器中執行，控制器運行過程中，此軟件可以將Simulink模型中想要查看的各類控制量直觀顯示，也可以隨時修改各類控制參數，讓控制器實時響應，從而實現了真正的在線仿真。 2、在線仿真運行界面，采用組態方式，科研者根據自己需求，可以隨意添加控件，具備實時錄波功能，可完整錄制整體系統運行的波形數據，同時數據可以保存為mat和xls格式，波形數據可以通過matlab軟件直接打開并查看。 3、軟件具備三類設置，包括通信IP、板卡的數量設置；PWM設置，主要指示PWM的頻率值，死區值，以及動作有效值，編碼器精度值等；顯示界面設置，用于最終的數據查看以及設置。顯示界面中包括遙控、遙調、遙信、遙測、示波器控件。 4、組態化軟件需具備遙控、遙調、遙信、遙測、示波器控件。 5、系統需具備以下配置功能：通訊設置，主要設置通信的IP地址； PWM_A設置，對PWM_A板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區值，倍頻值，互補設置，相位使能等； PWM_B設置，對PWM_B板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區值，倍頻值，互補設置，相位使能等； DO設置，主要設置DO的控制源，要么由simulink模型控制，要么由rcp軟件控制； QEP設置，主要設置編碼器的精度。開始通信：表示仿真機與RCP建立通信關系；停止通信：表示仿真機與RCP斷開通信關系；復位：表示對仿真機整體進行復位操作；保護：通過保護界面設置值，可以輔助仿真機按照極限值進行保護；啟動仿真：通知仿真機運行simulink模型；開始錄播：將仿真機上傳的值保存，以便分析查看。
6	開放式功率硬件開發系統	1、生成代碼的模型例程 2、DSP工程 3、系統調試 4、包含且不限于以下實驗內容：一、基礎介紹（1）永磁同步電機概述；（2）電力電子技術概述；（3）Simulink仿真介紹；（4）快速原型控制器（RCP）介紹。二、三相永磁同步電機的數學建模（1）三相PMSM的基本數學模型；（2）三相PMSM的坐標變換；（3）同步旋轉坐標系下的數學建模。三、脈寬調制PWM （1）PWM的基本原理和控制算法；（2）PWM在Simulink如何實現；（3）SPWM的基本原理和實現方法；（4）SPWM在Simulink 如何實現。四、三相電壓源逆變器PWM技術（1）三相電量的空間矢量表示；（2）SVPWM算法的合成原理；（3）SVPWM算法的實現；（4）SVPWM算法的建模和仿真；（5）SPWM的算法實現。五、三相永磁同步電機的矢量控制（1） PMSM的PI電流控制；（2）基于PI調節器的PMSM矢量控制；（3）Simulink離線模型搭建；（4）快速原型控制仿真—PMSM矢量控制。
7	電機測試管理系統	1、監控數據管理轉矩、扭矩實時波形顯示、記錄，變流器電壓、電流、功率等數據記錄 2、負載加載可編程控制。可以通過軟件下發預設加載數值與加載曲線。
8	高精度可編程直流源	1、YXPHD高精度可編程直流源性價比高 2、根據實際方案需求進行配置
9	可編程電阻負載箱	1、功率：按照實際要求配置 2、可編程控制 3、這里方案實際可以比較靈活跟3負載電機變流器進行配合，負載電機變流器那邊可以選用不控的整流橋，這里可以選用可調的電阻器，或者這里選用固定的電阻器，變流器那邊選用可控的變流器

系統根據實際測試或者實驗需求，可進一步考慮的選配件如圖3所示

圖3 典型可選配置

選配件功能列表簡要說明如表2

主要設備參考說明

臺架實物參考

產品參考圖如圖

圖4電機臺架參考圖(鑄鐵平臺三維底座)

圖5 鑄鐵平臺

圖6 槽鋼底座

圖7 鋁合金桌子型底座

測試電機逆變器

380V三相交流電網輸入，交流輸出（驅動電機），封裝形式可以選擇亞克力開放式封裝，機架式，壁掛式，與柜裝式。下圖為柜裝式參考設計。

圖8 柜子示意圖

背靠背電機驅動變頻柜包含正側和背側兩個三相橋式全控型變流器YXPHM-TP210b-II（三相兩電平），靠近永磁同步電機定子的變流器稱之為機側變流器，靠近電網的變流器稱之為網側變流器，二者之間的區別是機側變流器未接入濾波的LCL。

YXPHM-TP210b-II采用基于模型設計的理念，脫胎于研旭成熟產品光伏并網逆變器與風機變流器等成熟產品，又結合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺研發經驗，對該拓撲結構與驅動電路、傳感器電路、信號處理電路進一步集成。三相橋式全控型變流器在新能源變流器、電機控制、電能質量控制等應用中都非常廣泛，其主要由IGBT、二極管、IGBT驅動電路、CPU信號處理單元、繼電器、熔斷器、傳感器、散熱器、電容等組成。其拓撲結構如圖所示

圖9 YXPHM-TP3xb 主電路T型拓撲示意

具體可以參考YXPHM功率硬件模組

編程直流電阻負載箱

直流電阻負載箱參考如下圖：

具體根據不同功率有較大變化
參數規格參考如下

快速原型控制器——YXSPACE-SP2000

在產品研發前期、算法驗證階段，若采用實際控制器進行控制時，存在周期長、可靠性差等問題。若采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping簡稱RCP），那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的驗證。

RCP系統在新能源領域有著巨大的應用潛力，比如光伏變流器、風機變流器、儲能變流器等電力電子變換器。只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型，下載到YXSPACE控制器中，即可實現控制過程。從而開發者可以不用研究任何控制芯片，以及任何嵌入式編程語言，只需要把所有精力放在核心控制算法的研究上面。

南京研旭電氣科技有限公司，始終致力于新能源各類產品的研究，也與很多科研院所以及高校建立了深厚的合作關系。多年來積累了很多寶貴的經驗，同時也接收很多合作單位的寶貴建議，從而研旭研發出快速控制原型控制器YXSPACE系列。

YXSPACE-SP2000（以下簡稱SP2000）采用TI公司的C2000系列DSP-F28xx作為核心控制器。研旭選擇此款DSP，正是由于其被廣泛應用與各類新能源產品當中。所以SP2000快速控制原型在滿足控制需求的情況下，更能貼近實際產品，為開發者提供更為可靠的驗證結果。SP2000作為SP1000的升級版本，除了在外設資源方面多于SP1000，更是在CPU處理能力上做了提升，為更加復雜的控制場合提供了保障。
實物圖片如圖11、12所示。

圖11 SP2000正面

圖12 SP2000反面

YXSPACE獨特優點

（1）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；

（2）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

（3）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

（4）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；

（5）性價比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。

（6）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。

（7）模型轉換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉換后的源碼

研旭SP2000采用外擴插卡式結構，簡潔輕便，板卡資源如下表3所示

研旭電氣專門為SP2000研發了一套上位機監控軟件VIEW2000軟件。VIEW2000軟件主要參考下節基于模型開發快速原型監控系統。

VIEW2000軟件簡介

研旭電氣專門為SP2000研發了一套上位機監控軟件VIEW2000軟件。

VIEW2000軟件中包含控制器設置以及組態區。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。如圖13所示。

圖13 View2000軟件示意

在實際使用中，用戶只需用鼠標拖動各類控件，移至工作區當中，位置根據需求隨意放置。雙擊控件即可設置控件的地址號，這樣可完成控件與模型或者硬件的建立關系，操作極其簡便。

SP2000驅動庫

研旭自行開發了Simulink驅動庫，如下圖所示：

圖14 研旭驅動庫

電機測試管理系統

電機測試管理系統，主要實現加載機組的監控管理，其主要功能讀取轉矩傳感器、加載電機變流器等相關數據，顯示轉速、轉矩實時波形，電壓、電流、功率等監控數據，相關數據可以錄波，并進行導出。

通過與變流器通信，可實現負載可編程，可以按照指定曲線進行加載。進而可以實現加載系統的自動化。例如可以進行進行突加載、突減載等相關測試。

其界面如圖所示

圖15 電機測試管理系統

高精度可編程直流源

研旭YXPHD系列高壓大功率可編程直流電源采用全數字控制技術，在4U機箱體積內功率可實現20kVA，輸出電壓可達到750V，輸出電流可達到25A-50A。

研旭YXPHD系列可編程直流電源帶主動式PFC，功率因素高達0.99，是采用PWM技術的高頻開關式直流電源，模塊化設計，采用先進的DSP數字控制技術，具有恒壓、恒流、恒功率模式輸出，可自動交叉變換，維持控制與保護兼顧特性，確保直流電源輸出的高精度、低紋波、快速瞬態響應，且效率高達93%；產品主要定位于電子電力生產、蓄電池行業、PCB板制造行業及通訊、PLC供電、機電老化試驗、自動測試系統集成、醫療器械、工業、電池充電及模擬、混合動力汽車與光伏逆變器測試研究單位、實驗室對高精度直流電源的需求。