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項(xiàng)目案例分享 | 山東大學(xué)—電機(jī)控制模型仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（YXPEP-ATCA-150）
發(fā)布時(shí)間：
2023-12-12 16:26
來(lái)源：
原創(chuàng)
山東大學(xué)（Shandong University），位于山東省濟(jì)南市，是中華人民共和國(guó)教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，中央直管副部級(jí)建制，位列國(guó)家“雙一流”、“985工程”、“211工程”，入選“2011計(jì)劃”、“珠峰計(jì)劃”、“強(qiáng)基計(jì)劃”、“111計(jì)劃”、卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)計(jì)劃、卓越法律人才教育培養(yǎng)計(jì)劃、國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目、新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目、中國(guó)政府獎(jiǎng)學(xué)金來(lái)華留學(xué)生接收院校、教育部來(lái)華留學(xué)示范基地、學(xué)位授權(quán)自主審核單位、醫(yī)學(xué)“雙一流”建設(shè)聯(lián)盟 、全球能源互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)聯(lián)盟、亞洲校園成員。
山東大學(xué)是中國(guó)近代高等教育起源性大學(xué)。主體是1901年創(chuàng)辦的山東大學(xué)堂，是繼京師大學(xué)堂之后中國(guó)創(chuàng)辦的第二所官立大學(xué)；其醫(yī)學(xué)學(xué)科起源于1864年，開(kāi)啟近代中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育之先河。從誕生之日起，學(xué)校先后歷經(jīng)了山東大學(xué)堂、國(guó)立青島大學(xué)、國(guó)立山東大學(xué)、山東大學(xué)以及由原山東大學(xué)、山東醫(yī)科大學(xué)、山東工業(yè)大學(xué)三校合并組建的新山東大學(xué)等幾個(gè)歷史發(fā)展時(shí)期。
截至2023年3月，學(xué)?？傉嫉孛娣e8000余畝，形成了一校三地（濟(jì)南、威海、青島）八個(gè)校園的辦學(xué)格局；設(shè)有55個(gè)教學(xué)院系，4所附屬醫(yī)院，3所非隸屬附屬醫(yī)院，11所教學(xué)、實(shí)習(xí)醫(yī)院；一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)44個(gè)，一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)55個(gè)，專業(yè)學(xué)位博士點(diǎn)3個(gè)，專業(yè)學(xué)位碩士點(diǎn)27個(gè)，本科專業(yè)93個(gè)，博士后科研流動(dòng)站42個(gè)；在職教職工7493人，專任教師4530人（不含附屬醫(yī)院）；有全日制本科生42286人，研究生26818人，留學(xué)生1560人。
一、電機(jī)控制模型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹
傳統(tǒng)的方式對(duì)嵌入式算法的編寫以及實(shí)物調(diào)試都有比較高的要求，控制板性能有限、底層代碼編寫學(xué)習(xí)成本高、硬件資源調(diào)用不直觀、算法實(shí)現(xiàn)與代碼調(diào)試不方便，因此需要耗費(fèi)學(xué)生與科研人員大量的時(shí)間與精力。
采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping簡(jiǎn)稱RCP），那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的驗(yàn)證，研旭推出的電力電子仿真系統(tǒng)只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型，下載到RCP控制器中，即可實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。
本系統(tǒng)將RCP控制器與可定制的功率硬件、電機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)模塊化的方式，便于搭建各種不同類型的功率變換系統(tǒng)，非常適合高校、科研院所進(jìn)行電力電子裝置級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的控制算法的驗(yàn)證。
系統(tǒng)同時(shí)可集成各類測(cè)試電源和檢測(cè)儀器，一體化的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)更為方便省力。
系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)特點(diǎn)
更方便，更易上手
- 在Matlab中設(shè)計(jì)的控制算法自動(dòng)生成代碼，自動(dòng)加載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，避免了繁瑣的編程和Debug工作；
- 使用門檻低，會(huì)Matlab仿真即可完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，所有測(cè)試工作只需一人即可完成；
更靈活，更開(kāi)放
- 硬件模塊化設(shè)計(jì)，多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率硬件可選，同時(shí)，可根據(jù)需求定制各種不同的功率硬件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率級(jí)別、傳感器的數(shù)量位置等均可以變化；
- 軟件模塊化設(shè)計(jì)，算法編程和監(jiān)控全部采用基于模型的可視化設(shè)計(jì)方法，提供各類驗(yàn)證過(guò)的算法模型，可直接組合調(diào)用，大大縮短研發(fā)時(shí)間；
更可信，更可靠
- 功率級(jí)的算法驗(yàn)證，完美復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)，具有很高的可信度；
- 采用高可靠性的功率模塊和經(jīng)過(guò)完善測(cè)試的接口模塊，故障率低；
- 具備軟件保護(hù)和硬件保護(hù)雙重保護(hù)，安全性高；
- 具備數(shù)字仿真和物理電路雙重驗(yàn)證，設(shè)計(jì)更靈活，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具說(shuō)服力。
二、電機(jī)控制模型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)流程圖
平開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)流程臺(tái)
三、電機(jī)控制模型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
一、平臺(tái)介紹篇
1.1、永磁同步電機(jī)
1.2、數(shù)字示波器
1.3、快速原型控制器
1.4、桌面型電力電子模組（PEBB）
1.5、接線面板
二、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)篇
2.1、基于模型開(kāi)發(fā)（MBD）理念介紹
2.2、快速原型控制器（RCP）介紹
2.3、RCP控制器與matlab對(duì)接操作
2.4、Simulink離線模型的分割與硬件模型庫(kù)的調(diào)用
2.5、RCP實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控系統(tǒng)界面的搭建
三、三相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)建模
3.1 三相PMSM的基本數(shù)學(xué)模型
3.2 三相PMSM的坐標(biāo)變換
3.3 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)建模
四、脈寬調(diào)制PWM
4.1 PWM的基本原理和控制算法
4.2 PWM在Simulink如何實(shí)現(xiàn)
4.3 SPWM的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法
4.4 SPWM在Simulink 如何實(shí)現(xiàn)
五、三相電壓源逆變器PWM技術(shù)
5.1 三相電量的空間矢量表示
5.2 SVPWM算法的合成原理
5.3 SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)
5.4 SVPWM算法的建模和仿真
5.5 SVPWM的算法實(shí)現(xiàn)
六、三相永磁同步電機(jī)控制
6.1 PMSM的PI電流控制
6.2 基于PI調(diào)節(jié)器的PMSM矢量控制
6.3 PMSM開(kāi)環(huán)V/F壓頻比控制離線模型搭建
6.4 PMSM開(kāi)環(huán)V/F壓頻比控制半實(shí)物控制
6.5 PMSM電流環(huán)PI控制離線模型搭建
6.6 PMSM電流環(huán)PI控制半實(shí)物控制
6.7 PMSM速度環(huán)和電流環(huán)PI控制離線模型搭建
6.8 PMSM速度環(huán)和電流環(huán)PI控制半實(shí)物控制
6.9 PMSM無(wú)位置傳感器雙閉環(huán)控制離線模型搭建
6.10 PMSM無(wú)位置傳感器雙閉環(huán)控制半實(shí)物控制
四、電機(jī)控制模型仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成
快速原型控制器（RCP）
YXSPACE產(chǎn)品系列能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的圖形化的高級(jí)語(yǔ)言編寫的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實(shí)際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：
控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅(qū)動(dòng)接口綁定后，再結(jié)合TI公司的CCS編譯工具產(chǎn)生可執(zhí)行文件，下載至YXSPACE控制器中運(yùn)行。
研旭YXSPACE-VIEW2000軟件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制過(guò)程中的各類運(yùn)行量，包括采集量、中間控制變量等。YXSPACE-VIEW2000包括了6類組態(tài)控件，分別為遙控控件、遙信控件、遙調(diào)控件、遙測(cè)控件、示波器控件以及文字編輯控件等。用戶可以借助這些控件，直觀、方便的搭建監(jiān)控界面，監(jiān)控控制器內(nèi)部運(yùn)行的詳細(xì)信息。
YXSPACE獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)
- 采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結(jié)果針對(duì)實(shí)際研究更具有參考性；
- 在Matlab中設(shè)計(jì)的控制算法自動(dòng)生成代碼，自動(dòng)加載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，避免了繁瑣的編程和Debug工作；
- 使用門檻低，會(huì)Matlab仿真即可完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，所有測(cè)試工作只需一人即可完成
- 模型與硬件接口鏈接簡(jiǎn)單，只需記住端口編號(hào)即可，更不用配置硬件各類細(xì)節(jié)，免去一切不必要的麻煩；
- 性價(jià)比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低；
- 具備自主編寫的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，可以直接導(dǎo)入到Simulink庫(kù)中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動(dòng)相應(yīng)的硬件元件庫(kù)，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對(duì)接，無(wú)需再花費(fèi)時(shí)間去查詢硬件映射。8種庫(kù)文件，可適用于各種工程調(diào)試需求；
- 模型轉(zhuǎn)換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉(zhuǎn)換后的源碼。
YXSPACE-VIEW2000軟件
研旭公司專門為SP2000研發(fā)了一套上位機(jī)監(jiān)控軟件VIEW2000軟件。
桌面型功率硬件模塊（PEBB）
YXPHM系列采用基于模型設(shè)計(jì)的理念，脫胎于研旭成熟產(chǎn)品光伏并網(wǎng)逆變器與風(fēng)機(jī)變流器等成熟產(chǎn)品，又結(jié)合了研旭多年的模塊化組件與開(kāi)放式平臺(tái)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路、信號(hào)處理電路進(jìn)一步集成，同時(shí)提供實(shí)際控制器接口、快速原型控制器結(jié)構(gòu)與實(shí)際控制器模塊，為用戶提供性價(jià)比更好的模塊化產(chǎn)品。
YXPHM多功能桌面型電力電子功率轉(zhuǎn)換平臺(tái)，采用積木式搭建形式，將功率轉(zhuǎn)換電路中的電感，電容，功率開(kāi)關(guān)等器件方便的組合在一起，形成電力電子積木PEBB（Power Electronics Building Block）。
開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括硬件部分、軟件驅(qū)動(dòng)，是針對(duì)高校開(kāi)展電力電子技術(shù)研究推出的一種開(kāi)放式的二次開(kāi)發(fā)教學(xué)科研平臺(tái)。該平臺(tái)在硬件上采用分體化設(shè)計(jì)，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化，外殼采用透明的亞克力板材，美觀實(shí)用，用戶可以方便觀察內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)頂蓋可以打開(kāi)，方便進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的測(cè)量。
主要功能
1、模塊拓展：采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以定制所需要的拓?fù)?，提供開(kāi)源軟件模塊，用戶可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？蛇M(jìn)行多種拓?fù)涠ㄖ疲?br />
2、開(kāi)放設(shè)計(jì)：開(kāi)放給用戶硬件原理圖、硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明以及軟件模塊如底層驅(qū)動(dòng)，控制算法等；
3、安全穩(wěn)定：設(shè)計(jì)了健全的保護(hù)機(jī)制，軟件方面有過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流速斷保護(hù)、IGBT過(guò)熱保護(hù)、通訊保護(hù)等；硬件方面有短路保護(hù)、IGBT過(guò)流保護(hù)等；
4、半實(shí)物仿真：方便與研旭YXspace控制器、NI控制器、RT-LAB控制器、dSPACE控制器等數(shù)字實(shí)時(shí)仿真器對(duì)接，可提供相應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)接板，免去客戶硬件設(shè)計(jì)之憂。
功能拓?fù)涫纠?/strong>
主控CPU采用目前流行的DSP，型號(hào)為TI公司的TMS320F28335，其32位浮點(diǎn)處理能力，非常適用于變流器控制場(chǎng)合。通過(guò)傳感器分別采集三相交流電流、三相交流電壓、直流側(cè)電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經(jīng)過(guò)特定的算法，輸出PWM調(diào)制波控制開(kāi)關(guān)器件，從而可以實(shí)現(xiàn)直流變交流或者交流變直流能量雙向流動(dòng)。除此之外，信號(hào)處理電路還預(yù)留的外部控制器接口，方便對(duì)接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。
五、山東大學(xué)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)分享
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