專利名稱：一種交流電機驅(qū)動控制方法教學實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于交流電機控制教學儀器領域，涉及針對本科生或研究生的永磁同步電機和異步電機的高級控制方法的教學。
背景技術：
隨著電力電子技術、電機制造技術、大規(guī)模集成電路和微處理器技術的迅猛發(fā)展， 數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的應用也愈來愈廣泛。如今，伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)在許多高科技領域得到了運用，如航空航天、機器人、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設備等。伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了我們的日常生產(chǎn)生活中不可缺少的部分。同時人們對伺服系統(tǒng)性能的要求也在不斷提高，人們越來越期望能夠采用一種低成本、高性能的控制策略，改善伺服系統(tǒng)的性能。長期以來，由于直流電機轉(zhuǎn)矩控制靈活，有很好的速度調(diào)整性能，高性能的伺服驅(qū)動絕大多數(shù)采用直流伺服技術。但是直流電機中存在換向器和電刷，限制了它的應用范圍。 交流電機結(jié)構簡單，體積小，價格低，幾乎無需維護，對環(huán)境適應性強。雖然交流電機相比直流電機具有優(yōu)異的性能，但交流電機是一個強耦合的非線性控制對象，轉(zhuǎn)矩控制困難，難以獲得好的速度控制特性，因此長期以來難以得到很好的應用。隨著微電子和電力電子技術的發(fā)展特別是矢量控制理論的提出，為交流電機的高性能控制奠定了理論基礎，使得交流電機伺服系統(tǒng)的性能可以和直流伺服系統(tǒng)相媲美，甚至超越直流伺服系統(tǒng)。矢量控制(VectorControl)又稱磁場定向控制(Field-oriented Control)是 20 世紀70年代由德國西門子公司的F. Blaschke等提出來的。它的基本控制思想是按照旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則，將交流電機經(jīng)坐標變換和磁場定向后等效成直流電機；然后仿照直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量；再經(jīng)過相應的坐標反變換，求得交流電機的控制量，從而控制交流電機。無論是交流傳動還是直流傳動，電機瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)，傳動系統(tǒng)的根本問題是轉(zhuǎn)矩的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control)作為一種新型的交流電機控制方式，由日本的Takahashi和德國的Denpenbrock于20世紀80年代中期提出。其基本思想是通過控制定子磁鏈來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制，省去了復雜的空間坐標變換和電機模型，并且受電機參數(shù)影響的程度相對矢量控制來說也較小。如今，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)成為交流電機高性能控制中使用最為廣泛的控制策略。交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)而成為機器人，數(shù)控機床等高性能伺服驅(qū)動裝置中的主導伺服系統(tǒng)。正是因為交流伺服系統(tǒng)這種重要性，在大多數(shù)工科高校和科研機構相關專業(yè)都設置了機電一體化，電氣傳動，自動控制等課程，用來教授電機的相關知識與控制方法。但是由于相關教學實驗設備的稀缺，大多數(shù)的教學僅限于課堂教授一些原理， 比較抽象，學生難于理解，教學效果不夠理想
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種交流電機驅(qū)動控制方法教學實驗系統(tǒng)用于加深學生對交流電機控制理論和方法的理解，同時也增強了學生的動手能力。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種交流電機驅(qū)動控制方法的教學實驗系統(tǒng)，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、中央控制模塊、 功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊、電機加載模塊、上位機模塊、串口、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器、光電編碼器和電機。上述各組成部件的作用及相互間的連接關系如下所述的電源轉(zhuǎn)換模塊負責給其他模塊提供電源，并顯示相應的電壓電流值同時具備過流保護功能。電源轉(zhuǎn)換模塊與其他各個模塊相連。所述的中央控制模塊收集給定信息、反饋信息和算法選擇信息，將信息整合，通過相應的控制算法計算出控制信號，并將控制信號以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊。中央控制模塊與功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊和串口相連。所述的功率驅(qū)動模塊包括光耦隔離子模塊和功率逆變子模塊。它接收從中央控制模塊發(fā)出的PWM控制信號，將信號經(jīng)光耦隔離和功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制。功率驅(qū)動模塊與中央控制模塊和電機分別相連。所述的控制參數(shù)給定模塊為中央控制模塊提供給定信息，如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量等。控制參數(shù)給定模塊與中央控制模塊相連。所述的控制算法選擇模塊為中央控制模塊提供運行模式信息，它決定了當前采用的交流電機控制算法，如調(diào)頻調(diào)幅控制算法、空間矢量控制算法、直接轉(zhuǎn)矩控制算法等；同時是否采用默認的PID控制器參數(shù)還是手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)也是由此模塊決定，如果選擇手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)模式，本模塊還提供相應的PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕用于修改速度環(huán)PID控制器的參數(shù)。控制算法選擇模塊與中央控制模塊相連。所述的參數(shù)測量與顯示模塊包括轉(zhuǎn)速測量、相電流測量、轉(zhuǎn)矩信號顯示等功能。轉(zhuǎn)速測量的主要部件為光電編碼器，光電編碼器安裝于電機軸上，在電機轉(zhuǎn)動過程中，光電編碼器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制單元作為速度反饋信息；相電流測量采用霍爾傳感器，采集到的電流信息經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制單元作為相電流反饋信息；轉(zhuǎn)矩信號通過采集的電流信號和相應的電機參數(shù)計算得出并顯示。參數(shù)測量與顯示模塊同光電編碼器、霍爾傳感器、中央控制模塊和數(shù)據(jù)采集卡分別相連。所述的電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩，用于測試電機的帶載性能，可以調(diào)節(jié)輸出的負載大小并顯示出來。電機加載模塊與電機相連。所述的上位機模塊使用串口通訊為中央控制模塊提供參數(shù)給定信號，同時接收中央控制模塊上傳的參數(shù)信息如實時轉(zhuǎn)速、實時轉(zhuǎn)矩等；上位機模塊通過數(shù)據(jù)采集卡收集電機相關的模擬信息，如相電壓、相電流等；最后上位機模塊將這些信息整合，通過上位機模塊軟件繪制出相應的曲線，用于展示電機的控制效果以及相對應的參數(shù)的變化情況。上位機模塊與串口和數(shù)據(jù)采集卡分別相連。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程如下首先，控制參數(shù)給定模塊設定好要達到的控制效果，如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量， 并將這些給定信息傳遞給中央控制模塊。同時，可以通過上位機模塊將給定信息通過串口發(fā)送給中央控制模塊。然后，中央控制模塊接收從控制算法選擇模塊發(fā)送過來的運行模式信息來確定要取得上述控制效果所采用的電機控制算法。之后，參數(shù)測量與顯示模塊采集實時的轉(zhuǎn)速、相電流等信息，并將經(jīng)過調(diào)理后的信號傳遞給中央控制模塊作為控制算法的反饋信息，同時將這些信息實時地顯示出來，便于用戶觀察；與此同時，數(shù)據(jù)采集卡收集電機相關的模擬信息，如相電壓、相電流等，在上位機模塊上實時繪制出曲線。最后，中央控制模塊將接收到的給定信息、反饋信息進行整合，通過選擇的控制算法，計算出相應的控制量，并以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊；接著功率驅(qū)動模塊將脈寬調(diào)制波(PWM)信號經(jīng)光耦隔離和功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制。如果軟件參數(shù)調(diào)試得合適，那么經(jīng)過很短的時間后，電機實時的反饋量將等于給定量，達到要求的控制效果。在整個電機控制運行期間，還可以隨時通過電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩， 用于測試電機的帶載性能和抗擾動的性能。有益效果本發(fā)明專門針對高校學生設計，從教學實驗的角度出發(fā)，充分為學生著想，具有操作簡單，數(shù)據(jù)采集方便，多功能算法實現(xiàn)，重要數(shù)據(jù)實時顯示等特點，同時各個功能模塊單獨放置于各個模塊箱中，方便維修與更換，并且具有過流，短路保護功能，安全可靠，可以作為學生電機方面的開放型實驗平臺，有助于他們認識與掌握現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的原理與方法。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖；圖2為本發(fā)明的電源模塊供電示意圖；圖中，電源轉(zhuǎn)換模塊、中央控制模塊、功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊、電機加載模塊、上位機模塊、串口、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器、光電編碼器、電機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例一種交流電機高級驅(qū)動控制算法教學實驗系統(tǒng)，如圖1所示，包括電源轉(zhuǎn)換模塊、 中央控制模塊、功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊、電機加載模塊、上位機模塊、串口、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器、光電編碼器和電機。上述各組成部件的作用及相互間的連接關系如下其中，電源轉(zhuǎn)換模塊負責給其他模塊提供電源，并顯示相應的電壓電流值同時具備過流保護功能，當電流高于5A時自動斷電。本實施例中具體可以采用明緯公司的AC-DC 隔離電源 NET-50C 和 S-350-48。中央控制模塊用于收集給定信息、反饋信息和算法選擇信息，將信息整合，通過相應的控制算法選擇模塊計算出控制信號，并將控制信號以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊。中央控制模塊包括主控芯片、和上位機模塊通訊的串口、參數(shù)反饋輸入接口、PWM控制信號輸出接口。本實施例中，主控芯片可選用德州儀器公司的DSP芯片，型號為 TMS320F2812。功率驅(qū)動模塊接收從中央控制模塊發(fā)出的PWM控制信號，將信號經(jīng)光耦隔離和功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制。本實施例中，光耦隔離子模塊包括有高速光耦、功率逆變子模塊、相電流信號反饋接口、控制信號接收接口、 電機母線電壓值、電機控制輸出接口。本實施例中，高速光耦型號為6N137，功率逆變子模塊中逆變橋開關管驅(qū)動芯片選用IR2136?？刂茀?shù)給定模塊為中央控制模塊提供給定信息如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量等。 本實施例中，利用旋鈕設置給定的轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)矩值，并顯示在數(shù)碼管上。控制算法選擇模塊為中央控制模塊提供運行模式信息，它決定了當前采用的交流電機控制算法選擇模塊，如調(diào)頻調(diào)幅控制算法、空間矢量控制算法，直接轉(zhuǎn)矩控制算法等； 同時是否采用默認的PID控制器參數(shù)還是手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)也是由控制算法選擇模塊決定。如果選擇手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)模式，控制算法選擇模塊還提供相應的PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕用于修改速度環(huán)PID控制器的參數(shù)。在本具體實施例中包括為四個控制模式選擇開關分別表示不同的控制算法和模式。參數(shù)測量與顯示模塊包括轉(zhuǎn)速測量、轉(zhuǎn)矩信號顯示、相電流測量等功能。轉(zhuǎn)速測量的主要部件為光電編碼器，光電編碼器安裝于電機的軸上，在電機轉(zhuǎn)動過程中，光電編碼器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制模塊作為速度反饋信息；轉(zhuǎn)矩信號通過采集的電流信號和相應的電機參數(shù)計算得出并顯示；相電流測量采用霍爾傳感器，采集到的電流信息經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制單元模塊作為相電流反饋信息。電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩，用于測試電機的帶載性能，可以調(diào)節(jié)輸出的負載大小并顯示出來。它包括數(shù)碼管、旋鈕、負載信號輸出接口，其中，數(shù)碼管用于顯示當前添加的負載的大小，旋鈕用于調(diào)節(jié)輸出的負載值，負載信號輸出接口與電機軸上的磁粉制動器相連。上位機模塊使用串口通訊為中央控制模塊提供參數(shù)給定信號，同時接收中央控制模塊上傳的參數(shù)信息如實時轉(zhuǎn)速、實時轉(zhuǎn)矩等；上位機模塊通過數(shù)據(jù)采集卡收集電機相關的模擬信息如相電壓、相電流等；最后上位機模塊將這些信息整合，通過上位機模塊中的軟件繪制出相應的曲線，用于展示電機的控制效果以及相對應的參數(shù)的變化情況。本具體實施例中，選用凌志公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-9113A對相電壓，相電流信號進行采集，并且使用 NI公司的LABVIEW進行軟件編程，讀取數(shù)據(jù)采集卡相應的采集信號，并繪制出信號的變化曲線，實時的顯示在屏幕上。本發(fā)明系統(tǒng)具體實施例的工作過程如下首先，用戶利用控制參數(shù)給定模塊上的給定信息旋鈕設定要達到的控制效果，如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量，并將這些給定信息經(jīng)信號處理后以電壓的形式傳遞給主控芯片 TMS320F2812 ；主控芯片TMS320F2812利用本身內(nèi)置的A/D模塊接收到相應的給定信息值。然后，用戶通過控制算法選擇模塊上的四個控制模式選擇開關確定要取得上述控制效果所采用的電機控制算法。
之后，經(jīng)過一定的信號處理后傳遞給主控芯片，主控芯片TMS320F2812通過IO 口接收到這些信息；接著參數(shù)測量與顯示模塊利用霍爾傳感器采集實時的相電流信息以及利用光電編碼器采集實時的轉(zhuǎn)速信息，其中相電流信息經(jīng)過一定的信號處理后以電壓的形式傳遞給中央控制模塊，主控芯片利用本身內(nèi)置的A/D模塊進行接收，轉(zhuǎn)速信息以正交脈沖波的形式傳遞給中央控制模塊，主控芯片利用自身的正交解碼模塊接收，同時這些信息經(jīng)一定處理后實時地顯示出來，便于用戶觀察；同一時間數(shù)據(jù)采集卡PCI-9113A收集電機相關的模擬信息如相電壓，相電流等，并在上位機模塊上實時繪制出曲線。最后，中央控制模塊將接收到的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩給定信息，電流轉(zhuǎn)速反饋信息進行整合， 通過選擇的控制算法，計算出相應的控制量，并以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊；接著功率驅(qū)動模塊將脈寬調(diào)制波(PWM)信號經(jīng)光耦6W37隔離及功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制；如果軟件參數(shù)調(diào)試得合適，那么經(jīng)過很短的時間后，電機實時的反饋量將等于給定量，達到要求的控制效果。在整個電機控制運行期間，還可以隨時通過電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩，旋鈕用于調(diào)節(jié)輸出的負載值，控制輸出給磁粉制動器的電流大小從而實現(xiàn)對負載轉(zhuǎn)矩的控制。
權利要求
1. 一種交流電機高級驅(qū)動控制算法教學實驗系統(tǒng)，其特征在于包括包括電源轉(zhuǎn)換模塊、中央控制模塊、功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊、電機加載模塊、上位機模塊、串口、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器、光電編碼器和電機； 上述組成部件的連接關系如下其中，所述的電源轉(zhuǎn)換模塊負責給其他模塊提供電源，并顯示相應的電壓電流值同時具備過流保護功能；電源轉(zhuǎn)換模塊與其他各個模塊相連；所述的中央控制模塊收集給定信息、反饋信息和算法選擇信息，將信息整合，通過相應的控制算法計算出控制信號，并將控制信號以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊。中央控制模塊與功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊和串口相連；所述的功率驅(qū)動模塊包括光耦隔離子模塊和功率逆變子模塊，它接收從中央控制模塊發(fā)出的PWM控制信號，將信號經(jīng)光耦隔離和功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制；功率驅(qū)動模塊與中央控制模塊和電機分別相連；所述的控制參數(shù)給定模塊為中央控制模塊提供給定信息，如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量等；控制參數(shù)給定模塊與中央控制模塊相連；所述的控制算法選擇模塊為中央控制模塊提供運行模式信息，它決定了當前采用的交流電機控制算法，如調(diào)頻調(diào)幅控制算法、空間矢量控制算法、直接轉(zhuǎn)矩控制算法等；同時是否采用默認的PID控制器參數(shù)還是手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)也是由此模塊決定，如果選擇手動調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)模式，本模塊還提供相應的PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕用于修改速度環(huán)PID控制器的參數(shù)；控制算法選擇模塊與中央控制模塊相連；所述的參數(shù)測量與顯示模塊包括轉(zhuǎn)速測量、相電流測量、轉(zhuǎn)矩信號顯示等功能；轉(zhuǎn)速測量的主要部件為光電編碼器，光電編碼器安裝于電機軸上，在電機轉(zhuǎn)動過程中，光電編碼器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制單元作為速度反饋信息；相電流測量采用霍爾傳感器，采集到的電流信息經(jīng)過信號調(diào)理后送入中央控制單元作為相電流反饋信息；轉(zhuǎn)矩信號通過采集的電流信號和相應的電機參數(shù)計算得出并顯示；參數(shù)測量與顯示模塊同光電編碼器、霍爾傳感器、中央控制模塊和數(shù)據(jù)采集卡分別相連；所述的電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩，用于測試電機的帶載性能，可以調(diào)節(jié)輸出的負載大小并顯示出來；電機加載模塊與電機相連；所述的上位機模塊使用串口通訊為中央控制模塊提供參數(shù)給定信號，同時接收中央控制模塊上傳的參數(shù)信息如實時轉(zhuǎn)速、實時轉(zhuǎn)矩等；上位機模塊通過數(shù)據(jù)采集卡收集電機相關的模擬信息，如相電壓、相電流等；最后上位機模塊將這些信息整合，通過上位機模塊軟件繪制出相應的曲線，用于展示電機的控制效果以及相對應的參數(shù)的變化情況；上位機模塊與串口和數(shù)據(jù)采集卡分別相連； 本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程如下首先，控制參數(shù)給定模塊設定好要達到的控制效果，如轉(zhuǎn)速給定量、轉(zhuǎn)矩給定量，并將這些給定信息傳遞給中央控制模塊；同時，可以通過上位機模塊將給定信息通過串口發(fā)送給中央控制模塊；然后，中央控制模塊接收從控制算法選擇模塊發(fā)送過來的運行模式信息來確定要取得上述控制效果所采用的電機控制算法；之后，參數(shù)測量與顯示模塊采集實時的轉(zhuǎn)速、相電流等信息，并將經(jīng)過調(diào)理后的信號傳遞給中央控制模塊作為控制算法的反饋信息，同時將這些信息實時地顯示出來，便于用戶觀察；與此同時，數(shù)據(jù)采集卡收集電機相關的模擬信息，如相電壓、相電流等，在上位機模塊上實時繪制出曲線；最后，中央控制模塊將接收到的給定信息、反饋信息進行整合，通過選擇的控制算法， 計算出相應的控制量，并以脈寬調(diào)制波(PWM)的形式發(fā)送給功率驅(qū)動模塊；接著功率驅(qū)動模塊將脈寬調(diào)制波(PWM)信號經(jīng)光耦隔離和功率放大后對電機的直流母線電壓進行脈寬調(diào)制，從而實現(xiàn)對電機的控制；如果軟件參數(shù)調(diào)試得合適，那么經(jīng)過很短的時間后，電機實時的反饋量將等于給定量，達到要求的控制效果；在整個電機控制運行期間，還可以隨時通過電機加載模塊為電機提供負載轉(zhuǎn)矩，用于測試電機的帶載性能和抗擾動的性能。
全文摘要
本發(fā)明屬于交流電機控制教學儀器領域，涉及針對本科生或研究生的永磁同步電機和異步電機的高級控制算法的教學。目的是為了提供一種針對工科高校電氣信息類電氣工程及其自動化專業(yè)、機電一體化等相關專業(yè)的本科或碩士研究生而設計的一種交流電機實驗教學平臺，與教學內(nèi)容密切配合，可以加深學生對交流電機控制理論和方法的理解，同時也增強了學生的動手能力。該實驗系統(tǒng)包括包括電源轉(zhuǎn)換模塊、中央控制模塊、功率驅(qū)動模塊、控制參數(shù)給定模塊、控制算法選擇模塊、參數(shù)測量與顯示模塊、電機加載模塊、上位機模塊、串口、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾傳感器、光電編碼器和電機。
文檔編號G09B25/02GK102332223SQ20111028720
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月25日 優(yōu)先權日2011年9月25日
發(fā)明者于瑋, 劉向東, 弓萌野, 陳振 申請人:北京理工大學