基于模型设计的新工科电力电子与电机控制实验教学

  随着现代电力电子技术与数字控制技术的发展，电力电子与电机控制技术也在持续不断的发展，实验教学是电力电子与电机控制课程很重要的内容，对于培育学生掌握理论知识，分析和解决实际问题的能力具备极其重大作用。然而不少学校的电力电子与电机控制实验平台依然是基于90年代的电力电子与电机控制技术发展而来的实验平台架构，依然基于模拟信号触发与控制，与现代的电力电子控制与电机控制技术有较大的脱节。南京研旭推出的YXMBD系列电力电子与电机控制实验教学平台采用基于模型设计的思想，结合当下DSP数字控制技术与电力电子，电机操控方法，将离线仿真与实物控制验证结合，可大幅度的提升实验教学的效率与质量。

  关键词 电力电子实验 电机控制实验 基于模型设计 快速原型控制 YXMBD YXRCP

  现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出慢慢的升高的要求，电力电子专业技术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。研旭电力电子与驱动控制的实验平台系统让学习和实验变得更简单、更高效。丰富的基础和进阶实验硬件配置方案不仅能让学生进行复杂的实验，还能够循序渐进地传授理论知识，帮助学生获得工程实践技能和科研项目经验。实验从简单的晶体管开关开始，到介绍调制方法，再到阐释复杂的变速直流驱动和三相驱动原理，系统化的实验项目都配备了内容丰富的互动式实验教学软件。详细的多媒体实验指导手册和本安型的实验设备则让项目式的实验学习过程变得轻松有趣。课程软件能图形化显示所有实际测量值或控制实验硬件设备。软硬互动的实验方式大幅度提高学习效果。

  研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YXSPACE-SP1000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，如图1所示。在可变负载条件下，学生还能够正常的使用拓展工具对系统来进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校普遍的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。

  实验平台能满足高等院校“电力电子技术”、“半导体变流技术”、“电机控制（直流电机调速、交流电机调速及变频调速）”等课程实验教学。

  基于模型设计的实验平台构架如图1.2所示，学生在学习玩理论知识后，先尝试通过离线仿真进行有关实验，离线仿真并不等同于实物，有部分的参数设置，实验效果都需要实物进一步验证，但学生通过离线仿真理论建模部分能更加进一步加深理论理解，其中的操控方法可以剥离出来进一步在实验平台上进行实物验证，从课堂学习，离线仿真，到实物验证，学生可以多角度的加深对学习内容的理解，剥离出来的控制算法通过研旭提供的实验平台与YXSPACE系列快速原型控制器一键生成实际平台控制代码，结合研旭提供的模块化硬件实物平台可以快速实物验证相关实验。

  具备硬件保护和软件保护双重保护，可靠性高，软件保护可大幅度减少器件的损坏，可防止经常换器件的麻烦。

  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。

  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仿真就可以完成实验测试工作，所有测试工作只需一人即可完成

  硬件模块化设计，多种实验拓扑模块可选，同时，可依据需求定制每一种不同的功率硬件，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，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，快速缩短上手时间。

  基于YXMBD-TE1000的电力电子与电机控制新工科教学实验的典型实验流程如图3所示

  基于YXMBD-TE1000进行的实验项目分为仿真基础、基于模型设计基础、晶闸管整流与调压实验、直流-直流DC-DC变换实验(MOSFET)、直流-交流DC-AC变换实验（IGBT）、电机驱动控制实验，覆盖了目前电力电子的主流器件，以及电力电子课程与电机控制课程的主要实验。具体实验项目如下。

  台架以铝合金材为整体的结构，底部采用4个福马轮，具有定位移动等功能，提供40*40欧标型材框，尺寸不小于1300*830*20作为桌面固定件，40*80欧标型材作为系统主骨架，顶部采用钣金喷塑，丝印设备型号及名称等信息，中间放置功能模块，旁边放置显示器支架，可直接挂载显示器，电脑主机挂载下方。配置桌板，可放置电机和挂件等，实验台侧面可增加一套导线挂钩，有利于实验台导线的整理，方便老师以及学生的上课。实验台架展示如图5所示。

  快速原型控制器RCP是基于模型设计的电力电子与电机控制平台的关键模块，其采用DSP+FPGA多核架构，通过将相关外设驱动开发成SIMULINK中相应的库，能轻松实现运行程序一键代码生成，从而能够快速评估算法，免去对硬件系统和代码调试方面的工作，大幅度的提升实验效率。其主要特征如下：

  *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；

  *保护机制齐全，此部分不需要用户实际搭建保护模型，只需配置控制量的极限值就可以实现实时保护，让用户不用为安全保护费心，更多的关注于核心控制算法；

  *具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户都能够直接在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。

  基于YXMBT-TE1000的电力电子与电机控制实验平台，具有相对完善的实验管理及课程培训系统。系统主界面如图7所示。

  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。

  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来控制操。

  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。

  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。

  研旭公众号文章新工科电力电子与电机控制教学实验台（YXMBD-TE1000）