项目案例分享 | 山东大学—电机控制模型仿真实训平台(YXPEP-ATCA-150)


山东大学(Shandong University),位于山东省济南市,是中华人民共和国教育部直属全国重点大学,中央直管副部级建制,位列国家“双一流”、“985工程”、“211工程”,入选“2011计划”、“珠峰计划”、“强基计划”、“111计划”、卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、卓越法律人才教育培养计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、新工科研究与实践项目、中国政府奖学金来华留学生接收院校、教育部来华留学示范基地、学位授权自主审核单位、医学“双一流”建设联盟 、全球能源互联网大学联盟、亚洲校园成员。


山东大学是中国近代高等教育起源性大学。主体是1901年创办的山东大学堂,是继京师大学堂之后中国创办的第二所官立大学;其医学学科起源于1864年,开启近代中国高等医学教育之先河。从诞生之日起,学校先后历经了山东大学堂、国立青岛大学、国立山东大学、山东大学以及由原山东大学、山东医科大学、山东工业大学三校合并组建的新山东大学等几个历史发展时期。


截至2023年3月,学校总占地面积8000余亩,形成了一校三地(济南、威海、青岛)八个校园的办学格局;设有55个教学院系,4所附属医院,3所非隶属附属医院,11所教学、实习医院;一级学科博士点44个,一级学科硕士点55个,专业学位博士点3个,专业学位硕士点27个,本科专业93个,博士后科研流动站42个;在职教职工7493人,专任教师4530人(不含附属医院);有全日制本科生42286人,研究生26818人,留学生1560人。

 

 

一、电机控制模型仿真实验平台介绍

 

传统的方式对嵌入式算法的编写以及实物调试都有比较高的要求,控制板性能有限、底层代码编写学习成本高、硬件资源调用不直观、算法实现与代码调试不方便,因此需要耗费学生与科研人员大量的时间与精力。
采用快速控制原型(Rapid Control Prototyping简称RCP),那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的验证,研旭推出的电力电子仿真系统只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型,下载到RCP控制器中,即可实现控制过程。
本系统将RCP控制器与可定制的功率硬件、电机结合在一起,通过模块化的方式,便于搭建各种不同类型的功率变换系统,非常适合高校、科研院所进行电力电子装置级和系统级的控制算法的验证。
系统同时可集成各类测试电源和检测仪器,一体化的结构,让学习开发更为方便省力。

 

系统架构

 

 

系统特点
更方便,更易上手

  • 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;


更灵活,更开放

  • 硬件模块化设计,多种拓扑结构的功率硬件可选,同时,可根据需求定制各种不同的功率硬件,拓扑结构、功率级别、传感器的数量位置等均可以变化;
  • 软件模块化设计,算法编程和监控全部采用基于模型的可视化设计方法,提供各类验证过的算法模型,可直接组合调用,大大缩短研发时间;


更可信,更可靠

  • 功率级的算法验证,完美复现实际系统,具有很高的可信度;
  • 采用高可靠性的功率模块和经过完善测试的接口模块,故障率低;
  • 具备软件保护和硬件保护双重保护,安全性高;
  • 具备数字仿真和物理电路双重验证,设计更灵活,实验数据更具说服力。

 

二、电机控制模型仿真实验平台系统流程图

 

 

平开发设计学习流程台

 

 

三、电机控制模型仿真实验平台实验内容

 

一、平台介绍篇
1.1、永磁同步电机
1.2、数字示波器
1.3、快速原型控制器
1.4、桌面型电力电子模组(PEBB)
1.5、接线面板

二、实验基础篇
2.1、基于模型开发(MBD)理念介绍
2.2、快速原型控制器(RCP)介绍
2.3、RCP控制器与matlab对接操作
2.4、Simulink离线模型的分割与硬件模型库的调用
2.5、RCP实时仿真监控系统界面的搭建

三、三相永磁同步电机的数学建模
3.1 三相PMSM的基本数学模型
3.2 三相PMSM的坐标变换
3.3 同步旋转坐标系下的数学建模

四、脉宽调制PWM
4.1 PWM的基本原理和控制算法
4.2 PWM在Simulink如何实现
4.3 SPWM的基本原理和实现方法
4.4 SPWM在Simulink 如何实现

五、三相电压源逆变器PWM技术
5.1 三相电量的空间矢量表示
5.2 SVPWM算法的合成原理
5.3 SVPWM算法的实现
5.4 SVPWM算法的建模和仿真
5.5 SVPWM的算法实现

六、三相永磁同步电机控制
6.1 PMSM的PI电流控制
6.2 基于PI调节器的PMSM矢量控制
6.3 PMSM开环V/F压频比控制离线模型搭建
6.4 PMSM开环V/F压频比控制半实物控制
6.5 PMSM电流环PI控制离线模型搭建
6.6 PMSM电流环PI控制半实物控制
6.7 PMSM速度环和电流环PI控制离线模型搭建
6.8 PMSM速度环和电流环PI控制半实物控制
6.9 PMSM无位置传感器双闭环控制离线模型搭建
6.10 PMSM无位置传感器双闭环控制半实物控制

 

四、电机控制模型仿真实验平台系统组成

 

 

快速原型控制器(RCP)

 

 

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-VIEW2000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。YXSPACE-VIEW2000包括了6类组态控件,分别为遥控控件、遥信控件、遥调控件、遥测控件、示波器控件以及文字编辑控件等。用户可以借助这些控件,直观、方便的搭建监控界面,监控控制器内部运行的详细信息。

 

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。

 

 

桌面型功率硬件模块(PEBB)

 

 

YXPHM系列采用基于模型设计的理念,脱胎于研旭成熟产品光伏并网逆变器与风机变流器等成熟产品,又结合了研旭多年的模块化组件与开放式平台研发经验,对该拓扑结构与驱动电路、传感器电路、信号处理电路进一步集成,同时提供实际控制器接口、快速原型控制器结构与实际控制器模块,为用户提供性价比更好的模块化产品。


YXPHM多功能桌面型电力电子功率转换平台,采用积木式搭建形式,将功率转换电路中的电感,电容,功率开关等器件方便的组合在一起,形成电力电子积木PEBB(Power Electronics Building Block)。

 

 

开发平台包括硬件部分、软件驱动,是针对高校开展电力电子技术研究推出的一种开放式的二次开发教学科研平台。该平台在硬件上采用分体化设计,控制板、采集板、功率板、电容板等模块化,外壳采用透明的亚克力板材,美观实用,用户可以方便观察内部的硬件结构。同时顶盖可以打开,方便进行相关信号的测量。
 

主要功能
1、模块拓展:采用模块化设计,用户可以定制所需要的拓扑,提供开源软件模块,用户可进行二次开发。可进行多种拓扑定制;
2、开放设计:开放给用户硬件原理图、硬件设计说明以及软件模块如底层驱动,控制算法等;
3、安全稳定:设计了健全的保护机制,软件方面有过压保护、欠压保护、过流速断保护、IGBT过热保护、通讯保护等;硬件方面有短路保护、IGBT过流保护等;
4、半实物仿真:方便与研旭YXspace控制器、NI控制器、RT-LAB控制器、dSPACE控制器等数字实时仿真器对接,可提供相应的数字转接板,免去客户硬件设计之忧。

 

功能拓扑示例

主控CPU采用目前流行的DSP,型号为TI公司的TMS320F28335,其32位浮点处理能力,非常适用于变流器控制场合。通过传感器分别采集三相交流电流、三相交流电压、直流侧电压、电流以及温度等信息送给DSP,然后DSP经过特定的算法,输出PWM调制波控制开关器件,从而可以实现直流变交流或者交流变直流能量双向流动。除此之外,信号处理电路还预留的外部控制器接口,方便对接RCP控制器,如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。

 

五、山东大学项目现场分享

 

 

 

 

 

 

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