基于Matlab/Simulink和LabVIEW的電力拖動虛實結(jié)合實驗系統(tǒng)設(shè)計＊

李沁，艾青，陳坤燚，李紹武

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基于Matlab/Simulink和LabVIEW的電力拖動虛實結(jié)合實驗系統(tǒng)設(shè)計＊

李沁，艾青，陳坤燚，李紹武

（湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施土家族苗族自治州 445000）

在《電力拖動》等課程中，實驗教學(xué)非常重要，然而，由于學(xué)生對于各變流電路和控制算法不熟悉，相關(guān)實驗設(shè)備與器材相對落后，實驗內(nèi)容和形式單一，影響了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效益的改善和提高，限制了學(xué)生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此將Matlab/Simulink仿真和LabVIEW軟件技術(shù)應(yīng)用于電力電子和電力拖動的實驗教學(xué)中，將虛擬環(huán)節(jié)作為實踐教學(xué)的重要部分，建立虛實結(jié)合的電機拖動與控制實驗系統(tǒng)。為實驗教學(xué)提供可拓展的實驗設(shè)計、調(diào)試與驗證的新型實驗平臺，也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提升學(xué)生相應(yīng)的工程設(shè)計與開發(fā)能力。

電力拖動；虛實結(jié)合；實驗系統(tǒng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

《電力電子學(xué)》《電力拖動與控制》是電氣專業(yè)的專業(yè)課，內(nèi)容包括變流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變流電路控制等部分，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)傾向于工作原理結(jié)果的驗證，內(nèi)容單一枯燥，傾向于驗證性實驗，并且受硬件條件[1]的限制，部分實驗現(xiàn)象不明顯，實驗結(jié)論不直觀，實驗效果不理想，參數(shù)的變化所帶來的實驗結(jié)果的不同也無法通過單一的實驗過程進行設(shè)計與驗證，可擴展性差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性；而仿真實驗過于理想化，各設(shè)定條件與實際情況有差異，沒有實物也不便于學(xué)生對實驗結(jié)果的直觀理解和觀察[1-4]。

而基于Matlab/Simulink和LabVIEW設(shè)計的虛實結(jié)合的實驗系統(tǒng)能對傳統(tǒng)的實驗和仿真實驗進行有效結(jié)合與補充，能方便、可靠地完成控制器的建模和設(shè)計以及實驗結(jié)論的顯示與觀測，從而提高實驗效果。

Matlab/Simulink是一款非常適用于電力電子與電力拖動課程的仿真軟件，其系統(tǒng)自帶的Power system工具箱包含多種電力系統(tǒng)相關(guān)的器件與模塊。學(xué)生在實驗過程中，可根據(jù)需要利用系統(tǒng)自身提供的基本器件和模塊來構(gòu)建模型，系統(tǒng)的各個器件參數(shù)和控制參數(shù)也可以由學(xué)生自行修改和設(shè)計，可在較大范圍內(nèi)觀察到不同參數(shù)設(shè)計下運行結(jié)果的不同，從而更加直觀地理解系統(tǒng)模型的工作原理和運行過程，也避免了傳統(tǒng)的硬件實驗系統(tǒng)中由于學(xué)生對于實驗原理理解不足和操作失誤所帶來的硬件損壞。

此外，LabVIEW技術(shù)具有強大的分析能力和友好的用戶界面設(shè)計功能，可以節(jié)省儀器設(shè)備的建設(shè)投入，不受實驗硬件條件的限制，減少復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算。在本實驗系統(tǒng)中，通過LabVIEW技術(shù)配合Matlab的使用，可以實現(xiàn)直觀地輸出波形，避免受到硬件條件的限制而不能同時觀測多路信號的波形，方便學(xué)生對各輸入輸出同時進行比較分析，加深理解，同時，還能對檢測的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的誤差分析等數(shù)據(jù)處理，有助于學(xué)生專注于理論的分析和概念的明確，實現(xiàn)更好的教學(xué)效果[5-7]。

1 虛實結(jié)合電機實驗系統(tǒng)

在本實驗系統(tǒng)中將Matlab/Simulink仿真和LabVIEW虛擬實驗技術(shù)應(yīng)用于電力電子和電力拖動的實驗教學(xué)中，將虛擬實驗作為實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，通過Matlab/Simulink仿真工具實現(xiàn)仿真模型的后臺搭建與運行計算，由LabVIEW建立直觀的數(shù)據(jù)觀測與驗證的界面。

對于學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生可以在Matlab/Simulink中對轉(zhuǎn)速控制器進行設(shè)計，加深對各種控制算法的理解和學(xué)習(xí)，提升設(shè)計能力和應(yīng)用能力；對于學(xué)習(xí)能力一般的學(xué)生，可以在LabVIEW設(shè)計的監(jiān)控界面上通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)觀察到各輸出的變化，直觀地觀察到直流或者交流電機轉(zhuǎn)速的變化，加深對理論知識的理解和運用[8]。

2 實驗系統(tǒng)的設(shè)計

考慮到電機轉(zhuǎn)速控制是電力拖動與控制類課程的典型實驗項目，轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方法、控制規(guī)律和設(shè)計原理也是課程的重點和難點，因此，本論文以交流電機變速變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實驗為例，以實驗原理、實驗設(shè)計過程、實驗運行結(jié)果檢測界面為例，說明采用LabVIEW的電力拖動課程實驗系統(tǒng)的設(shè)計過程。

2.1 轉(zhuǎn)速-直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理

轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1為以轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)為外環(huán)、電流反饋調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后。被控量為電機的轉(zhuǎn)速，通過測速傳感器得到與轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓n，與給定電壓n*比較后得到轉(zhuǎn)速的偏差電壓△n，將偏差電壓送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到電流的給定值，并與實際電流反饋量進行比較，將偏差送入電流調(diào)節(jié)器得到電力電子變換器的驅(qū)動控制電壓信號ct.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都具有限幅作用，其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器能控制電機轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化[9]。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由上位機控制平臺、主電路系統(tǒng)、DSP模塊、電機運行系統(tǒng)、檢測與反饋系統(tǒng)等部分組成。

考慮到電力拖動控制課程的相關(guān)實驗希望考察學(xué)生對控制算法的理解與應(yīng)用，而不在于程序語言，尤其是編譯語言的編寫，因此，上位機控制系統(tǒng)中由Matlab/Simulink實現(xiàn)控制算法的設(shè)計，通過檢測反饋轉(zhuǎn)速與電流信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制，將由Matlab/Simulink設(shè)計的控制器得到的參考值輸入DSP模塊，由DSP模塊片內(nèi)專門生產(chǎn)PWM波的事件管理單元得到相應(yīng)的PWM控制信號，從而控制主電路系統(tǒng)中的逆變電路模塊，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時，由LabVIEW實現(xiàn)檢測與顯示界面的設(shè)計，能直觀地觀察和顯示各信號同步的波形與結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)控制器的搭建

電機拖動控制課程實驗中可實現(xiàn)的算法很多，在進行實驗設(shè)計時，可以從簡單的SPWM控制算法入手，逐漸加大實驗難度，比如空間矢量控制、磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，本文以直接轉(zhuǎn)矩控制為例說明系統(tǒng)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)。采用直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)電機調(diào)速的原理如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖2 直接轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制原理圖

控制器的實現(xiàn)方式是將定子磁鏈近似圓形的軌跡劃分為6個扇區(qū)，采用6個非零矢量和2個零矢量作為8個不同控制狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩輸出，再與電動機的轉(zhuǎn)矩檢測值進行比較從而得到轉(zhuǎn)矩偏差值，并通過三點式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出確定轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)方向；同時，根據(jù)定子磁鏈觀測值相位角判斷定子磁鏈所在的扇區(qū)，然后通過磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方向進行組合確定定子電壓的合成空間矢量，從而最終確定主電路逆變模塊的開關(guān)狀態(tài)，控制電機電磁轉(zhuǎn)矩跟蹤給定值，實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[9]。 根據(jù)上述控制原理，在Simulink中搭建如圖3所示的控制器仿真圖。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速控制器設(shè)計圖

其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，可由學(xué)生自行調(diào)節(jié)PI控制參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)變化對電機運行過渡過程和穩(wěn)定狀態(tài)的影響，加深理論知識的學(xué)習(xí)。

2.4 檢測界面搭建

在上位機的Matlab/Similink中直接進行控制器算法的設(shè)計，通過ccs編譯程序直接轉(zhuǎn)換成匯編語言，下載進DSP中運行。在LabVIEW中編程實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩變頻控制電機轉(zhuǎn)速實驗的檢測界面，為了讓界面簡潔直觀，學(xué)生易于操作控制，在進行上層檢測界面設(shè)計時，需要合理設(shè)計界面，最大化地利用軟件的優(yōu)點。在上位機的檢測界面上，學(xué)生可以輸入和修改相應(yīng)參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、調(diào)制方式、低頻補償方式等，并在顯示窗口直觀地觀察到變化的波形，包括三相電流的波形、電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與實際值、定子磁通軌跡，便于學(xué)生將實驗結(jié)論與教學(xué)理論內(nèi)容結(jié)合，實現(xiàn)有可操作性、測量直觀方便的實驗教學(xué)。在實際教學(xué)中，還可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生進度，調(diào)節(jié)面板測量內(nèi)容，加深學(xué)生理解，擴展實驗內(nèi)容。

3 實驗及結(jié)論分析

在實驗平臺上按照規(guī)范要求連接好硬件線路，學(xué)生就可以在上位機調(diào)速系統(tǒng)的軟件中進行實驗。在系統(tǒng)中找到已經(jīng)在Matlab/Simulink中編寫好的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速控制器仿真程序，通過Matlab編譯后生成.out文件，通過jtag口或USB下載線下載進DSP，然后打開上位機中LabVIEW編寫好的上位機輸出檢測界面，并在前面板中對傳輸口進行設(shè)置。軟件加載后的初始電流的設(shè)定值可能不一致，有一定的偏差，令學(xué)生在設(shè)置中修改“電流校正”對話框中的數(shù)值，直到在電流監(jiān)測界面上看到三相電流設(shè)置值完全一致。

在接通實驗系統(tǒng)的主電源之前，需要提示學(xué)生注意，由于直接轉(zhuǎn)矩實驗屬于沖擊比較大的實驗，啟動時電流較大，因此必須在空載情況下啟動，不能帶載啟動，程序設(shè)計了相關(guān)對話框提示學(xué)生確定電動機是否帶重負(fù)載，避免過流燒壞設(shè)備保險絲。點擊“運行程序”，運行過程監(jiān)控界面如圖4所示，在上位機的監(jiān)控界面上一共顯示3個曲線，包括三相電流顯示界面、轉(zhuǎn)速跟隨顯示界面、定子磁通的軌跡顯示界面，可以雙擊放大顯示。

圖4 上位機運行過程監(jiān)控界面

上位機界面中的轉(zhuǎn)速設(shè)定值可以通過鼠標(biāo)修改，通過轉(zhuǎn)速實測值可以觀察到轉(zhuǎn)速實時跟隨的性能非常理想。學(xué)生通過自行修改PI控制器的控制參數(shù)，觀測不同比例系數(shù)和積分系數(shù)下的輸出響應(yīng)，便于學(xué)生結(jié)合理論課程的內(nèi)容進行學(xué)習(xí)和分析，加深對理論知識的理解。

上位機的界面上還包括一些輔助功能，比如“暫停刷新”，方便學(xué)生暫停觀察曲線的瞬時波形，便于對結(jié)果曲線進行分析，還可以將實時的電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)以文件形式保存，方便學(xué)生后續(xù)對實驗報告的數(shù)據(jù)處理與分析。

4 結(jié)束語

合理的實驗平臺的建設(shè)和實驗環(huán)節(jié)是課堂教學(xué)的有益補充，能有效提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。建設(shè)兼顧實驗教學(xué)的基礎(chǔ)性、代表性，實驗內(nèi)容的綜合性、設(shè)計性，以及實驗平臺的可持續(xù)發(fā)展性，是高校建設(shè)各類課程實驗系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。

本實驗系統(tǒng)基于Matlab/Simulink和LabVIEW軟件技術(shù)，在構(gòu)建了控制器的基礎(chǔ)上建立虛實結(jié)合的電機轉(zhuǎn)速控制實驗系統(tǒng)，論述了本實驗系統(tǒng)的可靠性和有效性。本實驗系統(tǒng)所實現(xiàn)的可擴展設(shè)計操作簡便、顯示直觀等優(yōu)點能夠滿足教學(xué)實驗的要求，改善了傳統(tǒng)教學(xué)模式中統(tǒng)一化和驗證性的固定實驗?zāi)Ｊ剑ㄟ^具有多樣化和自主性的設(shè)計模式，建設(shè)了一個開放、多功能的虛實結(jié)合實驗教學(xué)平臺，是今后電機拖動與控制類課程實驗教學(xué)發(fā)展的方向之一。

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2095－6835（2018）20－0061－03

G420

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.061

湖北民族學(xué)院教學(xué)研究項目（編號：2014JY034）

李沁，女，博士，講師，長期從事電力電子與電力拖動、電氣信息檢測等教學(xué)研究。

〔編輯：張思楠〕