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                              研旭著力于嵌入式領域、電氣領域進行上下游產品的研發、生產、銷售

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                              基于半實物原型控制 電機驅動系統

                              基于半實物原型控制 電機驅動系統

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                              【摘要】:
                              基于半實物原型控制電機驅動系統

                               

                              1、設備組成

                               

                               

                              2、 技術參數

                               

                              2.1 對拖永磁電機平臺

                               

                              技術參數如下:

                               

                              1)平臺由驅動電機(永磁同步電機)、高速精密聯軸器、轉速/扭矩傳感器、加載電機(永磁同步電機)及中央監控系統組成,用于實現電機對拖實驗。

                              2)可以實現速度控制和扭矩控制,驅動電機和加載電機以聯軸器相連, 監控系統可以實現人機交互、系統監控功能。

                              3)驅動電機:永磁同步電機,額定功率5.5KW,額定線電壓380V,額定線電流12A,額定轉矩 35 NM,額定轉速1500 r/min,峰值轉矩 70NM,轉子慣量8.6,重量 30KG,轉矩常數2.9,反電勢181,編碼器線數2500。

                              4)負載電機:永磁同步電機,額定功率5.5KW,額定線電壓380V,額定線電流12A,額定轉矩 35 NM,額定轉速1500 r/min,峰值轉矩 70NM,轉子慣量8.6,重量 30KG,轉矩常數2.9,反電勢181,編碼器線數2500。

                              5)扭矩/轉速傳感器(選配):轉速范圍:0-2000rpm,扭矩測量范圍:0-200NM。

                              6)槽鋼底座帶橡膠墊,電機拖動組總尺寸1250*30*40(長*寬*高)。

                               

                              圖1  電機臺架實物圖

                               

                              2.2  驅動電機背靠背變流柜

                               

                              兩個PWM變換器各司其職,根據控制算法的不同其功能略有不同。無論哪種算法,定子PWM變換器一般是采用轉子磁鏈定向,控制PMSG的定子電流呈正弦波形實現轉速和功率因數調節;并網PWM變換器采用電網電壓矢量定向,將直流電逆變為良好的正弦波形實現并網和有功/無功解耦。直流母線電壓可以由定子PWM變換器控制也可以由并網PWM變換器控制,保持為比電網幅值高的穩定值(這樣才能保證能量流動的方向,PWM整流可以升壓)以便往電網輸送能量。如果由定子PWM變換器控制直流母線電壓,則并網PWM變換器要擔負最大風能跟蹤的任務,必須根據風速控制PMSG轉速或根據轉速控制并網電流;如果由并網PWM變換器控制直流母線電壓,則定子PWM變換器要擔負最大風能跟蹤的任務,一般根據此時的風速控制PMSG轉速到達最佳轉速。能量流動一般是從PMSG流向電網,此時PMSG工作于正常的發電狀態;但在PMSG起動時能量可以從電網流向PMSG,使PMSG工作在電動狀態快速起動。

                               

                              圖2  背靠背驅動變流器構架

                               

                              1、可提供直流輸入和交流輸入兩種方式,交流輸入:380V電網,直流輸入:電壓400V。

                              2、運行方式,滿足三種工作模式:電機驅動模式、變流并網模式、RCP外接控制模式。

                              3、開放硬件原理圖,PCB圖(PDF),DSP控制板完整CCS工程源代碼(選配)。

                              4、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結合在一起,下載到控制器中執行,控制器運行過程中,此軟件可以將Simulink模型中想要查看的各類控制量直觀顯示,也可以隨時修改各類控制參數,讓控制器實時響應,從而實現了真正的在線仿真。

                              5、在線仿真運行界面,采用組態方式,科研者根據自己需求,可以隨意添加控件,讓科研者將精力放到Simulink建模上面。

                              6、軟件具備三類設置,包括通信IP、板卡的數量設置;PWM設置,主要指示PWM的頻率值,死區值,以及動作有效值,編碼器精度值等;顯示界面設置,用于最終的數據查看以及設置。顯示界面中包括遙控、遙調、遙信、遙測、示波器控件。

                              7、提供電機控制側的simulink算法模型,控制模型完全開放且可修改,用戶可直接使用。

                              8、具備DSP輔助控制器,配合外圍信號采集調理電路、IO驅動電路等組成。

                               

                              完成以下功能:

                              • 各類信號的采集調理,送給主控制器以及自身使用。送給主控制器目的是實現算法控制,自身采集主要用于對系統的實時保護。
                              • 對IO信號的驅動管理,將主控制器輸出信號管理后輸出給功率變換電路,實現控制,同時檢測系統運行情況,一旦發生錯誤,通過對IO管理,就可以封閉主控制器的控制信號,從而達到保護系統的作用。這可以保證科研者在建立模型時,即使發生錯誤控制,也可以保證設備不受損壞。這樣可以保證科研者不用顧慮錯誤而導致設備損壞。                        
                              • 配合監控軟件,可以直觀設備查看運行參數。
                              • 本身就可以實現算法控制,用于對比仿真效果

                              圖3  驅動變流柜實物圖

                               

                               

                               

                              2.3  電機回饋負載變流柜

                              1、可提供直流輸出和交流輸入兩種方式,交流輸入:380V電網,直流輸入:電壓500V。

                              2、PWM變換器可以運行,可以根據需要工作在整流狀態或逆變狀態,能量可以雙向流動,定子側電流和網側電流的大小和功率因數都是可調的,整個雙PWM變換器可以工作在狀態。

                              3、在具體運行中,兩個PWM變換器各司其職,根據控制算法的不同其功能略有不同。無論哪種算法,定子PWM變換器一般是采用轉子磁鏈定向,控制PMSG的定子電流呈正弦波形實現轉速和功率因數調節;并網PWM變換器采用電網電壓矢量定向,將直流電逆變為良好的正弦波形實現并網和有功/無功解耦。

                              4、通過人機界面或者外部通訊可控制變流器進行轉矩控制和速度控制,從而模擬負載端電機的運行狀態。

                              5、功率5kw,配備工頻變壓器。

                               

                               

                              負載模擬軟件

                              實現功能如下:

                              a.驅動電機轉速/轉矩控制;

                              b.加載電機轉速/轉矩控制的功率控制;

                              c.轉速、轉矩、功率數據和曲線顯示;

                              d.實驗數據存儲。

                               

                               

                               

                               

                              監控區

                               

                              軟件監控區的數據來源主要有變頻器、扭矩傳感器采集系統的數據。

                               

                              變頻器數據

                              1)輸出電壓:變頻器交流輸出電壓

                              2)輸出電流:變頻器交流輸出電流

                              3)有功功率:變頻器輸出的交流電功率

                              4)實際轉速:絕對值編碼器經變頻器模塊采集計算后的電機轉速

                              5)當前扭矩:變頻器估算的扭矩

                              6)電機頻率:變頻器計算的當前頻率

                              7)轉速:扭矩傳感器采集系統計算后的轉速。

                              8)扭矩:扭矩傳感器采集系統計算后的扭矩。

                               

                              圖4  項目案例

                               

                              2.4 快速原型控制器——YXSPACE

                               

                              研旭公司推出的YXSPACE產品系列,能夠將用戶設計的圖形化的高級語言編寫的控制算法(Simulink)轉換成DIDO、AIAO量,完成實際硬件控制。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動接口綁定后,再結合TI公司的CCS編譯工具產生可執行文件,下載至YXSPACE控制器中運行。

                               

                              研旭YXSPACE軟件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式,同時可以實時監測控制過程中的各類運行量,包括采集量、中間控制變量等。另外此軟件集成了保護機制,用戶只需要設置硬件運行中的極限值,控制器就會按照此極限值進行實時判斷,一旦超過,控制器會自動停止運行,以達到保護后極功率電路的目的。

                               

                              研旭YXSPACE軟件包括了4類控件,分別為按鈕控件、指示燈控件、靜態框控件、示波器控件等。用戶可以借助此4類控件,直觀、方便的了解控制器的控制效果。

                               

                               

                              YXSPACE控制器資源

                               

                              研旭SP2000采用外擴插卡式結構,簡潔輕便,板卡資源如下:

                               

                               

                              下圖為YXSPACE的接口圖:

                               

                               

                              YXSPACE獨特優點

                               

                              • 采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU,其仿真結果針對實際研究更具有參考性;
                              • 在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼,自動加載到實時目標機中運行,避免了繁瑣的編程和Debug工作
                              • 使用門檻低,會Matlab仿真即可完成實驗測試工作,所有測試工作只需一人即可完成
                              • 模型與硬件接口鏈接簡單,只需記住端口編號即可,更不用配置硬件各類細節,免去一切不必要的麻煩;
                              • 性價比高,在同等功能的前提下,YXSPACE成本更低。
                              • 具備自主編寫的驅動庫,可以直接導入到Simulink庫中,用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫,將模型中的數據直接與硬件對接,無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件,可適用于各種工程調試需求。
                              • 模型轉換文件的透明化,用戶可直接查看模型轉換后的源碼。

                               

                              YXSPACE-VIEW2000軟件

                               

                              研旭公司專門為SP2000研發了一套上位機監控軟件VIEW2000軟件。

                               

                              VIEW2000軟件中包含控制器設置以及組態區。其中控制器設置界面共有4類控制器設置,包括仿真步長設置,DO控制源設置,QEP/CAP模式設置,PWM模塊設置。

                               

                               

                              組態區主要包括功能按鈕、組態控件、工作區等。

                               

                               

                              在實際使用中,用戶只需用鼠標拖動各類控件,移至工作區當中,位置根據需求隨意放置。雙擊控件即可設置控件的地址號,這樣可完成控件與模型或者硬件的建立關系,操作及其簡便。

                               

                              包括如下幾類控件:

                               

                               

                              3、控制算法及模型

                               

                              圖5  機側控制算法

                               

                              圖6  機側控制模型

                               

                              圖7  機側RCP控制監控

                               

                              圖8  網側控制算法

                               

                              圖9  網側控制模型

                               

                              圖10  網側RCP控制監控

                               

                              4、實驗列表

                               

                              1 基礎介紹

                              1.1永磁同步電機概述

                              1.2電力電子技術概述

                              1.3Simulink仿真介紹

                              1.4快速原型控制器(RCP)介紹

                               

                              2 三相永磁同步電機的數學建模

                              2.1 三相PMSM的基本數學模型

                              2.2 三相PMSM的坐標變換

                              2.3 同步旋轉坐標系下的數學建模

                               

                              3 脈寬調制PWM

                              3.1 PWM的基本原理和控制算法

                              3.2 PWM在Simulink如何實現

                              3.3 SPWM的基本原理和實現方法

                              3.4 SPWM在Simulink 如何實現

                               

                              4 三相電壓源逆變器PWM技術

                              4.1 三相電量的空間矢量表示

                              4.2 SVPWM算法的合成原理

                              4.3 SVPWM算法的實現

                              4.4 SVPWM算法的建模和仿真

                              4.5 SPWM的算法實現

                               

                              5 三相永磁同步電機的矢量控制

                              5.1 PMSM的PI電流控制

                              5.2 基于PI調節器的PMSM矢量控制

                              5.3 Simulink離線模型搭建

                              5.4 快速原型控制仿真—PMSM矢量控制

                               

                              5、技術資料 

                               

                              1.設備使用手冊

                              2.系統通訊協議

                              3.設備測試報告

                              4.開源資料

                               

                              6、開源資料 

                               

                              1、提供變流器電路板硬件原理圖:控制板,電源板,信號板,電容板,驅動板; 

                              2、開放控制板的debug接口,客戶可以燒寫自己的程序;

                              3、開放變流器源代碼代碼(選配),包括但不限于程序主框架、硬件驅動功能、硬件配置功能、通訊功能、保護功能、編碼器功能、采樣功能、濾波函數、FOC控制算法等。(選配)

                              4、提供永磁電機驅動控制側和三相變流器并網的simulink算法模型,控制模型完全開放且可修改,用戶可直接使用。 

                               

                               

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