1. 概述

當(dāng)前在本科階段的電機實驗教學(xué)中，直流電機、三相異步電機等傳統(tǒng)電機實驗平臺建設(shè)已相對完善。近年來，隨著計算機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)中的電機及電力拖動領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新方法、新技術(shù)。特種電機實驗室旨在拓展學(xué)生的實踐范圍，在傳統(tǒng)電機實驗的基礎(chǔ)上，引入更多的特種類型電機，包括：交流永磁同步電機、直流無刷電機、步進電機和開關(guān)磁阻電機。通過特種電機實驗室的建設(shè)，讓學(xué)生接觸更多不同類型電機的工作特性，并掌握對應(yīng)的電機控制技術(shù)。

在具體實驗平臺建設(shè)上，本著將科研與教學(xué)結(jié)合，將之前僅用于研究生實驗的半實物仿真技術(shù)引入本科教學(xué)環(huán)節(jié)，讓更多的高年級本科生能在學(xué)校階段接觸更先進的電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法和實驗手段，為將來走向工作崗位或繼續(xù)深造拓寬眼界、夯實基礎(chǔ)。

2 .伺服電機控制實驗室建設(shè)案例特征優(yōu)勢

?支持RCP快速原型設(shè)計：實現(xiàn)用戶的MATLAB/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自動轉(zhuǎn)換；

?實時性能：實時仿真機底層采用VxWorks實時操作系統(tǒng)，周期定時抖動小于20us，可實現(xiàn)控制周期50us~100us的電機控制系統(tǒng)半實物仿真驗證；

?平臺應(yīng)用：基于本平臺，用戶可進行伺服驅(qū)動調(diào)制方法研究（SVPWM）、控制算法研究（傳統(tǒng)PI控制、分?jǐn)?shù)階控制、控自抗擾控制、滑模變結(jié)構(gòu)制、反步控制等），參數(shù)辨識（最小二乘、相關(guān)辨識等）和自整定技術(shù)研究及其應(yīng)用，以及無位置傳感器控制技術(shù)研究及應(yīng)用等；

?適用電機種類：交流永磁同步電機、直流無刷電機、步進電機和開關(guān)磁阻電機；

?硬件資源：平臺集成了實時仿真機（控制原型）、功率驅(qū)動模塊、多電機實驗臺等；

?DSP自動代碼生成：支持Simulink模型轉(zhuǎn)C語言源碼的DSP代碼自動生成功能；

?安全性：平臺集成了過壓、過流、剎車制動等硬件保護功能，以及PWM死區(qū)時間設(shè)置錯誤等軟件保護功能，確保用戶設(shè)備安全。

3.實驗室總體設(shè)計

特種電機控制實驗室計劃布置15套小功率+2套中功率多電機控制半實物實驗平臺，每套設(shè)備可滿足2~3人完成電機控制率設(shè)計相關(guān)的實驗。下圖是實驗室設(shè)備整體規(guī)劃布局：

圖1 實驗室布局圖

實驗室布局說明（具體可根據(jù)實際情況調(diào)整）：

房間：15*7m，門*2，窗戶*4，層高：2.4 m（正常辦公室層高即可）

實驗桌*17：1.5*0.8m，擺放電腦*17

講臺*1：2.0*1.0m，擺放電腦*1，其他設(shè)備若干

供電：單相交流220V，50Hz，20kW；

4.伺服電機控制實驗室建設(shè)案例實驗設(shè)備構(gòu)成

4.1小功率多電機控制半實物實驗平臺

小功率多電機控制半實物實驗平臺主要由開發(fā)主機、實時仿真機和多電機實驗箱組成，系統(tǒng)的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發(fā)主機端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機控制系統(tǒng)建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實時仿真機中運行；

2）實時仿真機運行電機控制模型實時代碼，并通過I/O接口與多電機實驗箱連接，采集驅(qū)動模塊的相電流、電壓信號，以及霍爾、編碼器等電機信號，同時輸出AO、PWM、DO等控制信號；

3）多電機實驗箱中的4個電機驅(qū)動模塊，接收實時仿真機控制信號，最終輸出驅(qū)動電流帶動4臺電機工作。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖所示：

4.1中功率多電機控制半實物實驗平臺

中功率多電機控制半實物實驗平臺主要由開發(fā)主機、實時仿真機、電機對拖平臺組成，系統(tǒng)的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發(fā)主機端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機控制系統(tǒng)建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實時仿真機中運行；

2）實時仿真機運行控制模型實時代碼，并通過多功能采集卡與研發(fā)型驅(qū)動器連接，采集驅(qū)動器的相電流、母線電壓、編碼器信號，輸出3組（6路）互補型PWM信號直接控制研發(fā)型驅(qū)動器（驅(qū)動側(cè)）中三相逆變橋的IGBT導(dǎo)通或截止，進而實現(xiàn)對驅(qū)動電機的控制；

3）同時，實時仿真機通過模擬量控制商業(yè)型驅(qū)動器（負載側(cè)），使負載電機向同軸連接的驅(qū)動電機施加期望的反向轉(zhuǎn)矩，并采集扭矩傳感器信號，以此檢驗驅(qū)動電機在恒定或變負載的下控制效果。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖所示：