基于NlCompactRIO的電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

王穎杰

摘要 為滿足“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”與“電力電子技術(shù)”等課程工程性、開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)適于班級(jí)教學(xué)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于NI CompactRIO的電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)以NI公司的Labview圖形化軟件開發(fā)環(huán)境為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，以NI公司生產(chǎn)的CompactRIO控制器為系統(tǒng)控制核心。結(jié)合三相全橋智能功率模塊等，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以開展多種電力電子實(shí)驗(yàn)和電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。本文介紹了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，并給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例。該實(shí)驗(yàn)裝置具有操作簡(jiǎn)便，擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 Labview 可圖形化編程 電力電子 電機(jī)控制

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.05.022

0概述

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT、SiC等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。而運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，以電機(jī)為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)精確位置、速度、轉(zhuǎn)矩等控制的技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)相互依存，密不可分，已成為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。

相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于基于相同的控制理論和控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等，更是經(jīng)常采用同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司的“DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”、浙江求是科技設(shè)備有限公司的“CXMCL-II型現(xiàn)代電力電子及電氣傳動(dòng)創(chuàng)新平臺(tái)”等。目前這類實(shí)驗(yàn)裝置一般用掛件結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)箱，幾乎所有的電路和系統(tǒng)都是封閉的。在這種常規(guī)的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生幾乎是在老師或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書的指導(dǎo)下機(jī)械式連線、讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，即使不了解電路的工作原理，只要在連線正確、實(shí)驗(yàn)儀器完好的情況下也能完成實(shí)驗(yàn)。但是，只要設(shè)備稍有問題或連線稍有問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析不符或者出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，學(xué)生就可能會(huì)不假思索地詢問老師，而不能獨(dú)立分析解決問題。另外，實(shí)驗(yàn)所涉及的大多是功率器件，需要大量不同的控制電路，設(shè)備通用性差，并且電壓等級(jí)高，危險(xiǎn)性大，導(dǎo)致學(xué)生懼怕硬件，動(dòng)手能力差。

近幾年，國內(nèi)著名高校開始陸續(xù)引進(jìn)基于微處理器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該類平臺(tái)包含了本科電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)所需的PWM逆變電路模塊、直流電機(jī)調(diào)速模塊、無刷直流電機(jī)調(diào)速模塊、三相永磁電機(jī)調(diào)速模塊，已很好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擴(kuò)展掛箱組件笨重且價(jià)格昂貴、缺乏靈活性、限制學(xué)生的自主設(shè)計(jì)等問題。但是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有人機(jī)交互界面，學(xué)生無法直觀地觀察實(shí)驗(yàn)的過程。同時(shí)DSP編程需要設(shè)置大量的寄存器和底層軟件編寫，較為繁瑣，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)控制算法時(shí)必須提前熟練掌握DSP的使用，并且容易編程出錯(cuò)，錯(cuò)誤也不易查找，使得學(xué)生在調(diào)試程序時(shí)必須不斷地啟停程序，浪費(fèi)大量時(shí)間，也容易轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

為了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)適于班級(jí)教學(xué)，開發(fā)了一種基于NI CompactRIO的電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以NI公司控制器及軟件為核心，以智能功率模塊為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合外圍調(diào)節(jié)、測(cè)量及保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)圖形化編程和在線測(cè)量調(diào)試，使學(xué)生從文本編程和底層調(diào)試中解放出來，集中于電力電子與運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可滿足各種交直流調(diào)速控制及部分電力電子技術(shù)驗(yàn)證性或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)需求。

1基于NI CompactRIO的電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成

1.1硬件系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)裝置包括上位機(jī)、PEP-1實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)電機(jī)組成，如圖1所示。上位機(jī)負(fù)責(zé)軟件編程、在線調(diào)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集顯示，通過數(shù)據(jù)線下傳控制程序和控制指令到Nl CompactRIO控制器中，CompactRIO控制器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行程序并發(fā)出控制電機(jī)信號(hào)，同時(shí)CompactRIO控制器可將采集到的數(shù)據(jù)上傳，并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。CompactRIO控制器放置在PEP-1實(shí)驗(yàn)箱中，該實(shí)驗(yàn)箱還包括電表模塊、電機(jī)供電模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、保護(hù)電路、RLC負(fù)載等。通過位于實(shí)驗(yàn)裝置前面板上的電表模塊，實(shí)時(shí)觀測(cè)主電路中電壓電流值；電機(jī)供電模塊采用三菱公司的智能功率模塊IPM模塊，如圖2所示。該模塊使用內(nèi)部封裝的6單元IGBT作為功率開關(guān)元件，可提供三相可調(diào)電源，實(shí)現(xiàn)0～300V，0～50A輸出能力，作為直流電機(jī)、交流電機(jī)供電電源；控制電機(jī)放置在對(duì)拖平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)負(fù)載模擬和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。PEP-1實(shí)驗(yàn)箱采用調(diào)壓器加隔離變壓器連接單相市電，實(shí)現(xiàn)變壓隔離，信號(hào)調(diào)理模塊內(nèi)部含有光耦隔離和信號(hào)調(diào)理電路，并設(shè)有過流、欠壓以及漏電保護(hù)電路和故障保護(hù)控制程序，可切實(shí)保護(hù)操作者人生安全和設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1.2軟件系統(tǒng)

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱，它是美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS，簡(jiǎn)稱NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。利用LabVIEW編寫的圖形化應(yīng)用程序被稱為是Virtual/nstnmaent（簡(jiǎn)稱VI）。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行在Labview圖形化開發(fā)環(huán)境中，Labview提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在Labview中被稱為前面板，使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制，這就是圖形化的程序框圖代碼，因此相比于傳統(tǒng)的程序代碼，其簡(jiǎn)單、直觀與可視性強(qiáng)的編程語言及用戶編程界面，都讓編程及使用過程變得生動(dòng)有趣，減少了實(shí)驗(yàn)中學(xué)生在編程與調(diào)試程序時(shí)面臨的困難，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。NICom-pactRIO控制器還將串行實(shí)時(shí)控制器（RT）與并行現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）相結(jié)合，運(yùn)算速度快，適用于電力電子和運(yùn)動(dòng)控制微秒級(jí)控制周期的要求，還可在線實(shí)時(shí)調(diào)試。

2系統(tǒng)開發(fā)案例

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可完成單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電機(jī)變壓變頻調(diào)速、基于動(dòng)態(tài)模型的交流電機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制、以及無速度傳感器控制、基于智能算法電機(jī)控制等運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)，也可完成Boost、Buck降壓電路，單相半橋、單相全橋逆變實(shí)驗(yàn)和三相全橋逆變等全控型器件電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，加之開放性的I/O接口和模擬信號(hào)輸入輸出接口，可以滿足綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至科研活動(dòng)等多方面的需要。

程序編寫操作過程如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)中，首先在PC機(jī)上的LabVIEW軟件環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，接著在創(chuàng)建的項(xiàng)目中添加主控制器CompactRIO，然后在主控制器CompactRIO的子工程下添加底層控制器FPGA。

（2）開始編寫軟件，需要對(duì)主控制器和底層控制器分別編程，分別建立主Ⅵ和FPGA VI，如電機(jī)變壓變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)主Ⅵ如圖（3）。最后編譯合成項(xiàng)目程序。

（3）開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，將PC機(jī)在Labview開發(fā)環(huán)境中連接控制器，然后對(duì)主電路上電，接著將編寫好的程序下載到控制器中進(jìn)行在線調(diào)試與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置操作步驟如圖4。圖5為學(xué)生實(shí)際操作圖。

3結(jié)束語

該基于NI compactRIo的電力電子與電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，體積小，便于放置和操作，成本適中，同時(shí)本平臺(tái)利用Labview圖形化編程語言具有簡(jiǎn)單直觀、易學(xué)易用，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以解決目前國內(nèi)教學(xué)設(shè)備普遍存在的更新速度慢、價(jià)格昂貴、實(shí)驗(yàn)單一、可擴(kuò)展性差等問題，有助于充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，為學(xué)生提供綜合性、靈活性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。