解決方案
SOLUTION
開放式小功率電機控制實驗臺（YX-MC2000）
系統提供給學生從電路原理，電路構建，程序編寫以及調試，直至最后實際功率電路驗證等一整套學習過程。
關鍵詞：
所屬分類：
新工科實訓平臺
開放式小功率電機控制實驗臺
新工科教學科研實訓實驗臺
開放式小功率電機控制實驗臺
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方案介紹
一、產品介紹
為了支持高校電力電子教學，南京研旭特推出了開放式小功率電機控制實驗臺，該系統可以滿足電氣工程、電力電子、自動化和控制科學等工科學科相關的教學與科研需求。
系統提供給學生從電路原理，電路構建，程序編寫以及調試，直至最后實際功率電路驗證等一整套學習過程。這樣學生可以首先了解理論層，然后通過離線仿真對理論層加深理解，進而再對實際硬件進行控制，獲得真實的控制數據。讓學生更加清晰的了解理論、仿真與實際硬件控制的關系。
針對基礎教學方面，開放式小功率電機控制實驗臺提供了基本的實驗例程，可以完成《電機與拖動基礎》、《自動控制原理》等課程的相關基礎實驗。實驗例程從基礎的電路原理介紹、程序編寫、實際硬件控制等層次入手，由淺入深，循序漸進的指導學生。
開放式小功率電機控制實驗臺嵌入式平臺包含 DSP 控制器、電機驅動板、組態屏、對拖機組（含扭矩傳感器和可配置慣性盤）、負載電阻制動器、三相電參數測試儀、智能數字測力表、電壓表及電流表。每個平臺都有獨立的接口，方便拆卸，同時配備獨立的實驗教程及實例介紹，平臺資源豐富，資源齊全，可單獨控制，亦可整體工作。
二、背景
在介紹實際控制原理及模型之前，我們有必要先了解下最基礎的電力電子基礎及我們設計快速原型控制器的背景及初衷。
2.1 電力電子技術概述
電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術，具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。通常把電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術兩個分支。變流技術也稱為電力電子器件的應用技術，包括用電力電子器件構成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術。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是電力電子技術的基礎，變流技術是電力電子技術的核心，電力電子器件制造技術的理論基礎是半導體物理，變流技術的理論基礎是電路理論。
美國學者 W. Newell 認為電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。
三、系統組成
3.1 系統實物
系統硬件主要由 DSP 控制器、電機驅動板、組態屏、對拖機組（含扭矩傳感器和可配置慣性盤）、負載電阻制動器、三相電參數測試儀、智能數字測力表、電壓表及電流表等。下圖 3.1 為實物圖，圖 3.2 為系統框圖。
圖 3.1 實物圖
按圖中標注：
（1）控制板：系統控制器，采用 TI 專門為工業控制所推出的 C2000 架構的TMS320F28335 作為主控芯片，其中 28335 主頻為 150M，內部資源豐富，可滿足各種環境下的控制運算，用于運行電機控制程序，并與組態屏和上位機通訊，將運算參數上傳至組態屏和上位機；
（2）驅動板：硬件驅動電路，用于驅動電機運行，并采集電壓電流、編碼器信號或者霍爾位置信號等，強弱電隔離設計，電壓電流信號采用傳感器芯片采集，QEP 及 CAP接口全引出，保護機制健全；
（3）電壓表/電流表：原動機側用于測量輸入電流和電壓，發電機側用于測量整流后的直流電流和直流電壓；
（4）組態屏：用于控制電機運行，并顯示運行參數；
（5）三相電參數測試儀：用于測量和記錄電機的電壓、電流、有功功率、功率因素及頻率；
（6）智能數字測力表：用于測量和記錄扭矩、轉速及功率；
（7）對托機組：包含了原動機和發電機兩臺永磁同步電機、可配置慣性盤、扭矩傳感器；
（8）電阻制動器：用于給電機模擬帶載；
（9）PC：戴爾電腦一臺，可用于 CCS 操作實驗，燒寫程序、上位機軟件的控制及參數顯示等；
3.2 系統框圖
四、主要模塊介紹
本系統所涉及的器件非常多，本文檔只列舉其中相對比較重要的部件加以介紹如:控制板、電機驅動板、三相電參數測試儀、電機機組、轉速扭矩傳感器、智能數字測力表、PC、組態屏等；
4.1控制板
采用 TI 專門為工業控制所推出的 C2000 架構的 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 的詳細板卡資源介紹如下表：
- 片上資源
- 控制板板載資源
4.2驅動板
研旭為控制多種電機專門研發出了一款多功能的電機驅動板，它具有永磁同步電機、直流無刷電機及直流有刷電機共用的功率驅動模塊，在電源部分，采用了強弱電隔離設計，電壓電流信號采用傳感器芯片采集，QEP 及 CAP 接口全引出，保護機制健全，是一款功能非常強大的電機驅動板。
圖 4.2 電機驅動板
本電機驅動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、編碼器采集和驅動電路等模塊。板卡的主要參數如下表所示：
- 驅動板板載資源
4.3電機機組
圖 4.3 電機機組
此電機機組包括：原動機（永磁同步電機）、發電機（永磁同步電機）、可調節慣性盤、扭矩傳感器、電機臺架等組成。
4.3.1永磁同步電機
圖 4.4 永磁同步電機
永磁同步電機的詳細參數見下表：.
- 驅動板板載資源
4.3.2扭矩傳感器
高精度動態扭矩傳感器非接觸式,結構小巧，緊湊，量程 0.1-5Nm，輸出 10 士5KHz4-20mA0 士 5/10VDC,RS485/232 不銹鋼軸，最高轉速 8000RPM，帶轉速輸出。
圖 4.5 扭矩傳感器
詳細扭矩傳感器參數如下表所示：
- 驅動板板載資源
由于本臺架的測試要求是高轉速小扭矩，而且對于扭矩精度有一定的要求，聯軸器我們建議選擇梅花式聯軸器，它們適用于 50N.m、20000rpm 以內的連接傳動。這種聯軸器在桌面式臺架中，便于斷開實驗電機和負載電機。
圖 4.5 聯軸器
4.4臺式電腦
本實驗臺配置一臺計算機，用于安裝 CCS 軟件，上位機軟件，以及部署開發環境。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。
圖 4.6 計算機
4.5組態屏
組態屏采用的是昆侖通態觸摸屏，外部串行接口 232、422 和 485，外部 USB 接口Host 等，詳細參數見下表：
- 組態屏資源
4.6三相電參數測試儀
儀器前面板由 5 寸全觸摸屏、電源開關部分，按鍵部分組成。屏幕頁面由綜合頁面、報警設置頁面、系統頁面組成。如圖 4.8 所示：
圖 4.8 三相電參數測試儀
綜合頁面顯示 L1、L2、L3、>、電能量數據同步顯示 (電壓、電流、功率、功率因數、頻率、總電能量) 電壓(V) 、電流(A) 、有功功率(W)、頻率 (HZ)功率因數 (PF):
各單位符號表示單位如下:
V:代表當前顯示項為電壓，單位: 伏特;
A:代表當前顯示項為電流，單位: 安培;
W:代表當前顯示項為功率，單位: 瓦特.
PF:代表當前顯示為功率因數;與窗口下方的相位指示燈組合使用;
Hz: 代表當前顯示為頻率,單位: 赫茲;與窗口下方的相位指示燈組合使用:
K:代表數量級，代表千;與 V、A、W、組合使用表示 KV、KA、KW;
4.7智能數字測力表
扭矩，轉速，功率檢測控制記錄儀，配接脈沖輸出轉速.扭矩傳感器,對扭矩，轉速快速測量，計算功率值，測量控制速率可設置 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 點繼電器控制輸出、64M歷史數據記錄和 U 盤轉存記錄功能。如圖 4.9 所示：
圖 4.9 智能數字測力儀
4.8電機控制測試軟件
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