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基于模型控制电力电子实验箱--YXMBD-EPBOX10

关键词：

基于模型设计

电力电子仿真

电力电子实验箱

Simulink

YXMBD

所属分类：

DSP实验箱

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RCP控制实验箱

基于模型设计电力电子实验箱

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产品描述

现代电力电子技术发展阐述

电力电子技术作为门新兴的交叉学科，在能源革命中扮演着重要角色，电力电子技术的应用必须要进行相应的充分准备才能将其优势发挥到最大，否则该技术的潜能不能得到工程技术人员的深刻认识，或者预期的节能效果也可能会因为错误的参数设置而无法实现。

现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出越来越高的要求，电力电子专业人员不仅要具备扎实的理论知识、全面的计划能力，还要掌握接线和参数设置等实践技能。因此，面向技术应用的高等工程必须要强调实践导向。

研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YXSPACE实验系统可在Matlab®/Simulink®中实现复杂变速驱动的快速仿真，然后将生成的代码程序写入驱动控制器中。在可变负载条件下，学生还可以使用拓展工具对系统进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校广泛使用的实验和科研软件，研旭电力电子实验系统实现驱动硬件系统与该软件的实时互动操作，为电力电子和驱动技术实验教学和科研提供了一种新方式。

一、YXMBD系列简介

为了支持高校电力电子和半实物仿真的教学，南京研旭特推出了基于模型设计的电力电子和运动控制系列产品，该系列产品可以满足电气工程、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，到Simunlnk模型设计以及仿真，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，YXMBD-EPBOX10提供了丰富的实验例程，可以完成《电力电子技术》、《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、Simulink搭建仿真模型、实际硬件控制等层次入手，由浅入深，循序渐进的指导学生。

二、系统组成

YXMBD-EPBOX10基于模型设计多电机驱动实验平台包含SP1000快速原型控制器、电力电子功率板及可调直流电源。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。

图1 系统实物图

图2 系统组成图

系统组成介绍：

SP1000快速原型控制器：系统核心控制器，DSP+FPGA双核架构，Simulink模型一键下载，加载后可与VIEW1000上位机软件实时交互数据，方便数据跟踪，波形监控或者在线调参。

电力电子实验箱：实验箱包含BUCK、BOOST以及全桥电路，可以实现直流的升降压和交直流的整流及逆变，且功率板有成熟的硬件保护电路，当电压或电流超过保护值时会自动切断电源的输入。

可调直流稳压电源：小体积的直流稳压源，支持电压0~60V,电流0~6A的直流输出，完全满足电力电子实验箱的电源需求。

Matlab：Simulink 是 MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。在此系统中，模型搭建完成后，可以一键下载到控制器中，省去复杂的设置过程。

VIEW1000：研旭自主开发的上位机软件，采用以太网通讯，用于实现与SP1000的实时数据交互，方便客户进行数据分析，波形监控及在线调参等功能。

三 : 产品核心设备介绍

3.1 SP1000快速原型控制器
RCP控制器特点

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-VIEW1000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-VIEW1000包括了6类监控功能，分别为功能按钮、通用DO按钮、通用DI指示灯、波形显示、设定数值、回显数值等。用户可以借助这些功能，直观、方便的了解控制器内部运行的详细信息。

控制器资源

3.2 实验功率板

3.3 实验管理及课程培训系统

实验管理系统主界面

 创新的交互式实验课程软件，提供进行实验所需的各种支持。它不仅提供实验过程指导，还提供相关理论知识讲解介绍，记录测量结果，并可导出各类数据。

 实验课程软件需集成所有的实验例程，统一在一个软件中运行，可一键打开，自动完成程序的下载、仿真以及数据的在线观测。

 实验课程软件需提供进行实验所需的各种支持。包括但不限于实验指导书，相关理论知识讲解、自动记录实验过程中的各种数据，导出各类数据。

 支持Matlab运行环境及Simulink实验仿真模型，结合实验课程，可直接一键打开模型并自动搭建UI界面，提供离线模式和在线模型，可直接进行仿真实验验证。

 每一个例程都提供离线仿真模型和实物控制模型，学生导入模型，进行虚拟仿真和实物控制的实验验证。

 原理理论学习，实验管理系统提供相关实验的理论内容与辅助教学视频，可由教师机进行管理。

独立例程说明书集成可直接打开

 集成所有实验例程，系统可自动导入相应实验的Simulink控制模型，无需打开其他软件。

 可导入预设实验控制界面，集成章节化的实验说明手册，在实验工程文件基础上按照实验指导进行控制操。

离线matlab模型集成调用

在线matlab模型集成调用

 可自动抓取实验数据、完善实验报告，提交实验报告，若有其他开放性实验，可自己建立相关模型进行验证。

 可自动保存实验过程中产生的各种数据，支持自主导入控制模型，进行快速原型控制器的程序一键生成与烧写。

实验报告模板

Mat录波数据显示

 数据库管理系统，并具备录波功能，波形数据可直接在matlab或第三方软件中打开并查看。

四 : 实验例程

1、基础操作实验
1.1 基于模型开发（MBD）理念介绍
1.2 快速原型控制器（RCP）介绍
1.3 RCP控制器与matlab对接操作
1.4 Simulink离线模型的分割与硬件模型库的调用
1.5 RCP实时仿真监控系统界面的搭建

2、开环控制实验
2.1 PWM、SPWM调制原理及Simulink实现
2.1 Boost升压DC-DC直流-直流变换实验-开环（离线模型+在线模型）；
2.2 Buck降压DC-DC直流-直流变换实验-开环（离线模型+在线模型）；
2.3 离网逆变DC-AC直流-交流变换实验-闭环（离线模型+在线模型）；

3、闭环控制实验
3.1 Boost升压DC-DC直流-直流变换实验-闭环（离线模型+在线模型）；
3.2 Buck降压DC-DC直流-直流变换实验-闭环（离线模型+在线模型）；
3.3 交流整流AC-DC交流-直流变换实验（离线模型+在线模型）；
3.4 离网逆变DC-AC直流-交流变换实验-闭环（离线模型+在线模型）；
3.5 并网逆变DC-AC直流-交流变换实验（离线模型+在线模型）；

4、进阶创新实验
4.1 光伏离网逆变DC-DC-AC直流-直流-交流两级变换实验（离线模型+在线模型）；
4.2 光伏并网逆变DC-DC-AC直流-直流-交流两级变换实验（离线模型+在线模型）；
4.3 交流整流AC-DC-DC交流-直流-直流两级变换实验（离线模型+在线模型）；

五 : 实验模型控制示例：

5.1 离线仿真：打开并网逆变DC-DC-AC示例Simulink离线模型。

标注1和2为BOOST升压的电路和控制算法部分；
标注3和4是并网逆变的电路和控制算法部分；

图5.1.1 为电网电压和并网电流

图5.1.2 仿真模型电压与电流图

5.2 实物仿真：
双击打开MBD1000软件，在工具栏中单击“实验”，然后点击“综合实验”并选择实验八：光伏并网逆变DC-DC-AC直流-直流-交流两级变换实验。

打开已搭建好模型“Boost_GRID.slx”

图中红色标注：
1、ADC 采集模块；
2、开关机设置；
3、实际控制部分；
4、硬件部分的使能与继电器开关；
第3部分打开后如下图所示：

（1）延时2S后给出使能信号；
（2）逆变实际控制部分的模型；
（3）升压实际控制部分的模型；
第（2）部分展开：

1)计算出实际采到的交流电压有效值；
2)将设定的逆变电压有效值参考值与实际交流电压有效值的差值进行PI计算
3)将占空比与参考波乘积得到逆变占空比；
4)占空比传输模块：将计算得到的占空比，通过 PWM1A_DUTY 模块传输到PWM模块进行 PWM 信号的输出；
第（3）部分展开：

1)将GetData_ch2设定的升压电压值与高压端电压做差值代入PI环即电压外环得到基准电流；
2)将基准电流与实际高压端电流值作比较得到的差值代入PI环即电流内环中计算占空比；
3)在仿真开始阶段根据高压端和低压端电压给出一个初始占空比；
4)占空比传输模块：将计算得到的占空比，通过 PWM1A_DUTY 模块传输到 PWM模块进行 PWM 信号的输出

5.3 控制界面：

模型运行过程中可通过上位机界面查看控制效果，运行结果如下图5.3.1所示，同时可以点击“录波”按钮，以备后期分析数据；