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开放式小功率电机控制实验台(YX-MC2000)

系统提供给学生从电路原理,电路构建,程序编写以及调试,直至最后实际功率电路验证等一整套学习过程。

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新工科实训平台


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产品描述

一、产品介绍


为了支持高校电力电子教学,南京研旭特推出了开放式小功率电机控制实验台,该系统可以满足电气工程、电力电子、自动化和控制科学等工科学科相关的教学与科研需求。


系统提供给学生从电路原理,电路构建,程序编写以及调试,直至最后实际功率电路验证等一整套学习过程。这样学生可以首先了解理论层,然后通过离线仿真对理论层加深理解,进而再对实际硬件进行控制,获得真实的控制数据。让学生更加清晰的了解理论、仿真与实际硬件控制的关系。


针对基础教学方面,开放式小功率电机控制实验台提供了基本的实验例程,可以完成《电机与拖动基础》、《自动控制原理》等课程的相关基础实验。实验例程从基础的电路原理介绍、程序编写、实际硬件控制等层次入手,由浅入深,循序渐进的指导学生。


开放式小功率电机控制实验台嵌入式平台包含 DSP 控制器、电机驱动板、组态屏、对拖机组(含扭矩传感器和可配置惯性盘)、负载电阻制动器、三相电参数测试仪、智能数字测力表、电压表及电流表。每个平台都有独立的接口,方便拆卸,同时配备独立的实验教程及实例介绍,平台资源丰富,资源齐全,可单独控制,亦可整体工作。

 

二、背景


在介绍实际控制原理及模型之前,我们有必要先了解下最基础的电力电子基础及我们设计快速原型控制器的背景及初衷。


2.1 电力电子技术概述


电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术,具体地说,电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术,包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术。电力变换通常分为四大类,交流变交流,交流变直流,直流变直流以及直流变交流。交流变直流叫做整流,直流变交流叫做逆变,如下图所示。

 

图 2.1 电力变换种类

 

电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础,变流技术是电力电子技术的核心,电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理,变流技术的理论基础是电路理论。


美国学者 W. Newell 认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。


三、系统组成


3.1 系统实物


系统硬件主要由 DSP 控制器、电机驱动板、组态屏、对拖机组(含扭矩传感器和可配置惯性盘)、负载电阻制动器、三相电参数测试仪、智能数字测力表、电压表及电流表等。下图 3.1 为实物图,图 3.2 为系统框图。

 

图 3.1 实物图

 

按图中标注:


(1)控制板:系统控制器,采用 TI 专门为工业控制所推出的 C2000 架构的TMS320F28335 作为主控芯片,其中 28335 主频为 150M,内部资源丰富,可满足各种环境下的控制运算,用于运行电机控制程序,并与组态屏和上位机通讯,将运算参数上传至组态屏和上位机;
(2)驱动板:硬件驱动电路,用于驱动电机运行,并采集电压电流、编码器信号或者霍尔位置信号等,强弱电隔离设计,电压电流信号采用传感器芯片采集,QEP 及 CAP接口全引出,保护机制健全;
(3)电压表/电流表:原动机侧用于测量输入电流和电压,发电机侧用于测量整流后的直流电流和直流电压;
(4)组态屏:用于控制电机运行,并显示运行参数;
(5)三相电参数测试仪:用于测量和记录电机的电压、电流、有功功率、功率因素及频率;
(6)智能数字测力表:用于测量和记录扭矩、转速及功率;
(7)对托机组:包含了原动机和发电机两台永磁同步电机、可配置惯性盘、扭矩传感器;
(8)电阻制动器:用于给电机模拟带载;
(9)PC:戴尔电脑一台,可用于 CCS 操作实验,烧写程序、上位机软件的控制及参数显示等;

 

3.2 系统框图

 

 

四、主要模块介绍


本系统所涉及的器件非常多,本文档只列举其中相对比较重要的部件加以介绍如:控制板、电机驱动板、三相电参数测试仪、电机机组、转速扭矩传感器、智能数字测力表、PC、组态屏等;


4.1控制板


采用 TI 专门为工业控制所推出的 C2000 架构的 TMS320F28335 作为主控芯片,其中 28335 主频为 150M,如图 4.1 所示:

 

图 4.1 DSP 控制板

 

TMS320F28335 的详细板卡资源介绍如下表:

 

  • 片上资源

 

 

  • 控制板板载资源

 

 

4.2驱动板


研旭为控制多种电机专门研发出了一款多功能的电机驱动板,它具有永磁同步电机、直流无刷电机及直流有刷电机共用的功率驱动模块,在电源部分,采用了强弱电隔离设计,电压电流信号采用传感器芯片采集,QEP 及 CAP 接口全引出,保护机制健全,是一款功能非常强大的电机驱动板。

 

图 4.2 电机驱动板

 

本电机驱动板硬件板卡方面主要包括电源电路、RCP 接口、电压采集、电流采集、编码器采集和驱动电路等模块。板卡的主要参数如下表所示:

 

  • 驱动板板载资源

 

 

4.3电机机组

 

图 4.3 电机机组

 

此电机机组包括:原动机(永磁同步电机)、发电机(永磁同步电机)、可调节惯性盘、扭矩传感器、电机台架等组成。


4.3.1永磁同步电机

 

图 4.4 永磁同步电机

 

永磁同步电机的详细参数见下表:.

 

  • 驱动板板载资源

 

 

4.3.2扭矩传感器


高精度动态扭矩传感器非接触式,结构小巧,紧凑,量程 0.1-5Nm,输出 10 士5KHz4-20mA0 士 5/10VDC,RS485/232 不锈钢轴,最高转速 8000RPM,带转速输出。

 

图 4.5 扭矩传感器

 

详细扭矩传感器参数如下表所示:

 

  • 驱动板板载资源

 

 

由于本台架的测试要求是高转速小扭矩,而且对于扭矩精度有一定的要求,联轴器我们建议选择梅花式联轴器,它们适用于 50N.m、20000rpm 以内的连接传动。这种联轴器在桌面式台架中,便于断开实验电机和负载电机。

 

图 4.5 联轴器

 

4.4台式电脑


本实验台配置一台计算机,用于安装 CCS 软件,上位机软件,以及部署开发环境。使用 i7-11700 处理器,搭配 500G 硬盘,27 寸液晶,搭配一套无线键盘和鼠标。

 

图 4.6 计算机

 

4.5组态屏


组态屏采用的是昆仑通态触摸屏,外部串行接口 232、422 和 485,外部 USB 接口Host 等,详细参数见下表:

 

  • 组态屏资源

 

 

4.6三相电参数测试仪


仪器前面板由 5 寸全触摸屏、电源开关部分,按键部分组成。屏幕页面由综合页面、报警设置页面、系统页面组成。如图 4.8 所示:

 

图 4.8 三相电参数测试仪

 

综合页面显示 L1、L2、L3、>、电能量数据同步显示 (电压、电流、功率、功率因数、频率、总电能量) 电压(V) 、电流(A) 、有功功率(W)、频率 (HZ)功率因数 (PF):
各单位符号表示单位如下:
V:代表当前显示项为电压,单位: 伏特;
A:代表当前显示项为电流,单位: 安培;
W:代表当前显示项为功率,单位: 瓦特.
PF:代表当前显示为功率因数;与窗口下方的相位指示灯组合使用;
Hz: 代表当前显示为频率,单位: 赫兹;与窗口下方的相位指示灯组合使用:
K:代表数量级,代表千;与 V、A、W、组合使用表示 KV、KA、KW;

 

4.7智能数字测力表


扭矩,转速,功率检测控制记录仪,配接脉冲输出转速.扭矩传感器,对扭矩,转速快速测量,计算功率值,测量控制速率可设置 10 次/秒,20 次/秒,50 次/秒,可选配±15V,±12V,24V 外供电源、正向和反向最大扭矩值记录、4 点继电器控制输出、64M历史数据记录和 U 盘转存记录功能。如图 4.9 所示:

 

图 4.9 智能数字测力仪

 

4.8电机控制测试软件