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上海电力大学

电力电子原型控制实训系统YX-PEP1000,是创新性的电力电子实验平台,学生在该实验平台上能够更全面的掌握全控型器件IGBT控制原理以及电力电子中整流与逆变等原理以及算法等编程。该平台中含有快速原型控制器,可实现从仿真模型到算法代码生成到运行验证的快速过程。

所属分类:

新工科-快速原型控制实训平台


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方案详情

一、电力电子模型仿真实训平台介绍

 

  • 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。

 

系统构架

 

 

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、系统流程图

 

 

开发设计学习流程

 

 

三、实验内容:

 

一、平台介绍篇

1.1 系统开发背景

1.2 系统组成与功能

 1.2.1 可编程直流电源

 1.2.2 数字示波器

 1.2.3 快速原型控制器

 1.2.4 桌面型电力电子模组(PEBB)

 1.2.5 接线面板

 

二、实验基础篇

2.1 电力电子基础

 2.1.1 电力电子技术概念

 2.1.2 电力电子器件概述

 2.1.3 Simulink介绍

 2.1.4 快速原型控制平台介绍

2.2 脉宽调制PWM

 2.2.1 PWM的基本原理和控制算法

 2.2.2 PWM在Simulink如何实现

 2.2.3 SPWM的基本原理和实现方法

 2.2.4 SPWM在Simulink 如何实现

 

三、DC-DC直流-直流变换

3.1 Boost升压原理和功率硬件电路分析

3.2 Simulink离线仿真--Boost升压电路

3.3 快速原型控制仿真--Boost升压电路

3.4 BUCK降压原理与功率硬件电路分析

3.5 Simulink离线仿真-- BUCK降压电路

3.6 快速原型控制仿真--BUCK降压电路

 

四、AC-DC交流-直流整流

4.1 单相全桥PWM整流原理和电路分析

4.2 Simulink离线仿真--单相全桥PWM整流电路

4.3 快速原型控制仿真--单相全桥PWM整流电路

 

五、DC-AC直流-交流逆变

5.1 单相全桥独立逆变原理与电路分析

5.2 Simulink离线仿真--单相全桥独立逆变电路

5.3 快速原型控制仿真--单相全桥独立逆变电路

5.4 单相全桥并网逆变原理与电路分析

5.5 Simulink离线仿真--单相全桥并网逆变电路

5.6 快速原型控制仿真--单相全桥并网逆变电路

 

六、实验进阶篇

6.1 Simulink离线仿真--光伏离网逆变器DC-DC+DC-AC逆变

6.2 快速原型控制仿真--光伏离网逆变器DC-DC+DC-AC逆变

6.3 Simulink离线仿真--光伏并网逆变器DC-DC+DC-AC逆变

6.4 快速原型控制仿真--光伏并网逆变器DC-DC+DC-AC逆变

 

四、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。

 

研旭SP2000采用外扩插卡式结构,简洁轻便,板卡资源如下:

 

 

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

 

变流器内部功能框图

 

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。