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伺服电机控制实验室建设案例

2023-05-06 20:53:14 5787

1. 概述

当前在本科阶段的电机实验教学中,直流电机、三相异步电机等传统电机实验平台建设已相对完善。近年来,随着计算机控制技术、电力电子技术、网络和通信技术的发展,自动控制技术中的电机及电力拖动领域出现了许多新方法、新技术。特种电机实验室旨在拓展学生的实践范围,在传统电机实验的基础上,引入更多的特种类型电机,包括:交流永磁同步电机、直流无刷电机、步进电机和开关磁阻电机。通过特种电机实验室的建设,让学生接触更多不同类型电机的工作特性,并掌握对应的电机控制技术。

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在具体实验平台建设上,本着将科研与教学结合,将之前仅用于研究生实验的半实物仿真技术引入本科教学环节,让更多的高年级本科生能在学校阶段接触更先进的电机控制系统设计方法和实验手段,为将来走向工作岗位或继续深造拓宽眼界、夯实基础。

2 .特征优势

支持RCP快速原型设计:实现用户的MATLAB/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自动转换;

实时性能:实时仿真机底层采用VxWorks实时操作系统,周期定时抖动小于20us,可实现控制周期50us~100us的电机控制系统半实物仿真验证;

平台应用:基于本平台,用户可进行伺服驱动调制方法研究(SVPWM)、控制算法研究(传统PI控制、分数阶控制、控自抗扰控制、滑模变结构制、反步控制等),参数辨识(最小二乘、相关辨识等)和自整定技术研究及其应用,以及无位置传感器控制技术研究及应用等;

适用电机种类:交流永磁同步电机、直流无刷电机、步进电机和开关磁阻电机;

硬件资源:平台集成了实时仿真机(控制原型)、功率驱动模块、多电机实验台等;

DSP自动代码生成:支持Simulink模型转C语言源码的DSP代码自动生成功能;

安全性:平台集成了过压、过流、刹车制动等硬件保护功能,以及PWM死区时间设置错误等软件保护功能,确保用户设备安全。

3.实验室总体设计

特种电机控制实验室计划布置15套小功率+2套中功率多电机控制半实物实验平台,每套设备可满足2~3人完成电机控制率设计相关的实验。下图是实验室设备整体规划布局:

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图1 实验室布局图

实验室布局说明(具体可根据实际情况调整):

房间:15*7m,*2,窗户*4,层高:2.4 m(正常办公室层高即可)

实验桌*17:1.5*0.8m,摆放电脑*17

讲台*1:2.0*1.0m,摆放电脑*1,其他设备若干

供电:单相交流220V,50Hz,20kW;

4.实验设备构成

4.1小功率多电机控制半实物实验平台

小功率多电机控制半实物实验平台主要由开发主机、实时仿真机和多电机实验箱组成,系统的典型工作流程是:

1)用户首先在开发主机端,使用MATLAB Simulink软件完成电机控制系统建模,编译后生成嵌入式代码,下载到实时仿真机中运行;

2)实时仿真机运行电机控制模型实时代码,并通过I/O接口与多电机实验箱连接,采集驱动模块的相电流、电压信号,以及霍尔、编码器等电机信号,同时输出AO、PWM、DO等控制信号;

3)多电机实验箱中的4个电机驱动模块,接收实时仿真机控制信号,最终输出驱动电流带动4台电机工作。

系统的总体架构如下图所示:

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4.1中功率多电机控制半实物实验平台

中功率多电机控制半实物实验平台主要由开发主机、实时仿真机、电机对拖平台组成,系统的典型工作流程是:

1)用户首先在开发主机端,使用MATLAB Simulink软件完成电机控制系统建模,编译后生成嵌入式代码,下载到实时仿真机中运行;

2)实时仿真机运行控制模型实时代码,并通过多功能采集卡与研发型驱动器连接,采集驱动器的相电流、母线电压、编码器信号,输出3组(6路)互补型PWM信号直接控制研发型驱动器(驱动侧)中三相逆变桥的IGBT导通或截止,进而实现对驱动电机的控制;

3)同时,实时仿真机通过模拟量控制商业型驱动器(负载侧),使负载电机向同轴连接的驱动电机施加期望的反向转矩,并采集扭矩传感器信号,以此检验驱动电机在恒定或变负载的下控制效果。

系统的总体架构如下图所示:

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