基于半实物原型控制 电机驱动系统

 

1、设备组成

 

 

2、 技术参数

 

2.1 对拖永磁电机平台

 

技术参数如下：

 

1)平台由驱动电机（永磁同步电机）、高速精密联轴器、转速/扭矩传感器、加载电机（永磁同步电机）及中央监控系统组成，用于实现电机对拖实验。

2)可以实现速度控制和扭矩控制，驱动电机和加载电机以联轴器相连， 监控系统可以实现人机交互、系统监控功能。

3)驱动电机：永磁同步电机，额定功率5.5KW，额定线电压380V，额定线电流12A，额定转矩 35 NM，额定转速1500 r/min，峰值转矩 70NM，转子惯量8.6，重量 30KG，转矩常数2.9，反电势181，编码器线数2500。

4)负载电机：永磁同步电机，额定功率5.5KW，额定线电压380V，额定线电流12A，额定转矩 35 NM，额定转速1500 r/min，峰值转矩 70NM，转子惯量8.6，重量 30KG，转矩常数2.9，反电势181，编码器线数2500。

5)扭矩/转速传感器（选配）：转速范围：0-2000rpm，扭矩测量范围：0-200NM。

6)槽钢底座带橡胶垫，电机拖动组总尺寸1250*30*40（长*宽*高）。

 

图1  电机台架实物图

 

2.2  驱动电机背靠背变流柜

 

两个PWM变换器各司其职，根据控制算法的不同其功能略有不同。无论哪种算法，定子PWM变换器一般是采用转子磁链定向，控制PMSG的定子电流呈正弦波形实现转速和功率因数调节；并网PWM变换器采用电网电压矢量定向，将直流电逆变为良好的正弦波形实现并网和有功/无功解耦。直流母线电压可以由定子PWM变换器控制也可以由并网PWM变换器控制，保持为比电网幅值高的稳定值（这样才能保证能量流动的方向，PWM整流可以升压）以便往电网输送能量。如果由定子PWM变换器控制直流母线电压，则并网PWM变换器要担负最大风能跟踪的任务，必须根据风速控制PMSG转速或根据转速控制并网电流；如果由并网PWM变换器控制直流母线电压，则定子PWM变换器要担负最大风能跟踪的任务，一般根据此时的风速控制PMSG转速到达最佳转速。能量流动一般是从PMSG流向电网，此时PMSG工作于正常的发电状态；但在PMSG起动时能量可以从电网流向PMSG，使PMSG工作在电动状态快速起动。

 

图2  背靠背驱动变流器构架

 

1、可提供直流输入和交流输入两种方式，交流输入：380V电网，直流输入：电压400V。

2、运行方式，满足三种工作模式：电机驱动模式、变流并网模式、RCP外接控制模式。

3、开放硬件原理图，PCB图（PDF），DSP控制板完整CCS工程源代码（选配）。

4、将Simulink模型与快速原型控制器硬件结合在一起，下载到控制器中执行，控制器运行过程中，此软件可以将Simulink模型中想要查看的各类控制量直观显示，也可以随时修改各类控制参数，让控制器实时响应，从而实现了真正的在线仿真。

5、在线仿真运行界面，采用组态方式，科研者根据自己需求，可以随意添加控件，让科研者将精力放到Simulink建模上面。

6、软件具备三类设置，包括通信IP、板卡的数量设置；PWM设置，主要指示PWM的频率值，死区值，以及动作有效值，编码器精度值等；显示界面设置，用于最终的数据查看以及设置。显示界面中包括遥控、遥调、遥信、遥测、示波器控件。

7、提供电机控制侧的simulink算法模型，控制模型完全开放且可修改，用户可直接使用。

8、具备DSP辅助控制器，配合外围信号采集调理电路、IO驱动电路等组成。

 

完成以下功能：

• 各类信号的采集调理，送给主控制器以及自身使用。送给主控制器目的是实现算法控制，自身采集主要用于对系统的实时保护。
• 对IO信号的驱动管理，将主控制器输出信号管理后输出给功率变换电路，实现控制，同时检测系统运行情况，一旦发生错误，通过对IO管理，就可以封闭主控制器的控制信号，从而达到保护系统的作用。这可以保证科研者在建立模型时，即使发生错误控制，也可以保证设备不受损坏。这样可以保证科研者不用顾虑错误而导致设备损坏。                        
• 配合监控软件，可以直观设备查看运行参数。
• 本身就可以实现算法控制，用于对比仿真效果

图3  驱动变流柜实物图

 

 

 

2.3  电机回馈负载变流柜

1、可提供直流输出和交流输入两种方式，交流输入：380V电网，直流输入：电压500V。

2、PWM变换器可以运行，可以根据需要工作在整流状态或逆变状态，能量可以双向流动，定子侧电流和网侧电流的大小和功率因数都是可调的，整个双PWM变换器可以工作在状态。

3、在具体运行中，两个PWM变换器各司其职，根据控制算法的不同其功能略有不同。无论哪种算法，定子PWM变换器一般是采用转子磁链定向，控制PMSG的定子电流呈正弦波形实现转速和功率因数调节；并网PWM变换器采用电网电压矢量定向，将直流电逆变为良好的正弦波形实现并网和有功/无功解耦。

4、通过人机界面或者外部通讯可控制变流器进行转矩控制和速度控制，从而模拟负载端电机的运行状态。

5、功率5kw，配备工频变压器。

 

 

负载模拟软件

实现功能如下：

a.驱动电机转速/转矩控制；

b.加载电机转速/转矩控制的功率控制；

c.转速、转矩、功率数据和曲线显示；

d.实验数据存储。

 

 

 

 

监控区

 

软件监控区的数据来源主要有变频器、扭矩传感器采集系统的数据。

 

变频器数据

1)输出电压：变频器交流输出电压

2)输出电流：变频器交流输出电流

3)有功功率：变频器输出的交流电功率

4)实际转速：绝对值编码器经变频器模块采集计算后的电机转速

5)当前扭矩：变频器估算的扭矩

6)电机频率：变频器计算的当前频率

7）转速：扭矩传感器采集系统计算后的转速。

8）扭矩：扭矩传感器采集系统计算后的扭矩。

 

图4  项目案例

 

2.4 快速原型控制器——YXSPACE

 

研旭公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示：

 

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件，下载至YXSPACE控制器中运行。

 

研旭YXSPACE软件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。另外此软件集成了保护机制，用户只需要设置硬件运行中的极限值，控制器就会按照此极限值进行实时判断，一旦超过，控制器会自动停止运行，以达到保护后极功率电路的目的。

 

研旭YXSPACE软件包括了4类控件，分别为按钮控件、指示灯控件、静态框控件、示波器控件等。用户可以借助此4类控件，直观、方便的了解控制器的控制效果。

 

 

YXSPACE控制器资源

 

研旭SP2000采用外扩插卡式结构，简洁轻便，板卡资源如下：

 

 

下图为YXSPACE的接口图：

 

 

YXSPACE独特优点

 

• 采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU，其仿真结果针对实际研究更具有参考性；
• 在Matlab中设计的控制算法自动生成代码，自动加载到实时目标机中运行，避免了繁琐的编程和Debug工作
• 使用门槛低，会Matlab仿真即可完成实验测试工作，所有测试工作只需一人即可完成
• 模型与硬件接口链接简单，只需记住端口编号即可，更不用配置硬件各类细节，免去一切不必要的麻烦；
• 性价比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
• 具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件，可适用于各种工程调试需求。
• 模型转换文件的透明化，用户可直接查看模型转换后的源码。

 

YXSPACE-VIEW2000软件

 

研旭公司专门为SP2000研发了一套上位机监控软件VIEW2000软件。

 

VIEW2000软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。

 

 

组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。

 

 

在实际使用中，用户只需用鼠标拖动各类控件，移至工作区当中，位置根据需求随意放置。双击控件即可设置控件的地址号，这样可完成控件与模型或者硬件的建立关系，操作及其简便。

 

包括如下几类控件：

 

 

3、控制算法及模型

 

图5  机侧控制算法

 

图6  机侧控制模型

 

图7  机侧RCP控制监控

 

图8  网侧控制算法

 

图9  网侧控制模型

 

图10  网侧RCP控制监控

 

4、实验列表

 

1 基础介绍

1.1永磁同步电机概述

1.2电力电子技术概述

1.3Simulink仿真介绍

1.4快速原型控制器（RCP）介绍

 

2 三相永磁同步电机的数学建模

2.1 三相PMSM的基本数学模型

2.2 三相PMSM的坐标变换

2.3 同步旋转坐标系下的数学建模

 

3 脉宽调制PWM

3.1 PWM的基本原理和控制算法

3.2 PWM在Simulink如何实现

3.3 SPWM的基本原理和实现方法

3.4 SPWM在Simulink 如何实现

 

4 三相电压源逆变器PWM技术

4.1 三相电量的空间矢量表示

4.2 SVPWM算法的合成原理

4.3 SVPWM算法的实现

4.4 SVPWM算法的建模和仿真

4.5 SPWM的算法实现

 

5 三相永磁同步电机的矢量控制

5.1 PMSM的PI电流控制

5.2 基于PI调节器的PMSM矢量控制

5.3 Simulink离线模型搭建

5.4 快速原型控制仿真—PMSM矢量控制

 

5、技术资料 

 

1.设备使用手册

2.系统通讯协议

3.设备测试报告

4.开源资料

 

6、开源资料 

 

1、提供变流器电路板硬件原理图：控制板，电源板，信号板，电容板，驱动板； 

2、开放控制板的debug接口，客户可以烧写自己的程序；

3、开放变流器源代码代码（选配），包括但不限于程序主框架、硬件驱动功能、硬件配置功能、通讯功能、保护功能、编码器功能、采样功能、滤波函数、FOC控制算法等。（选配）

4、提供永磁电机驱动控制侧和三相变流器并网的simulink算法模型，控制模型完全开放且可修改，用户可直接使用。