CN102332223A - 一种交流电机驱动控制方法教学实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于交流电机控制教学仪器领域，涉及针对本科生或研究生的永磁同步电机和异步电机的高级控制算法的教学。目的是为了提供一种针对工科高校电气信息类电气工程及其自动化专业、机电一体化等相关专业的本科或硕士研究生而设计的一种交流电机实验教学平台，与教学内容密切配合，可以加深学生对交流电机控制理论和方法的理解，同时也增强了学生的动手能力。该实验系统包括：包括电源转换模块、中央控制模块、功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块、电机加载模块、上位机模块、串口、数据采集卡、霍尔传感器、光电编码器和电机。

Description

一种交流电机驱动控制方法教学实验系统

技术领域

本发明属于交流电机控制教学仪器领域，涉及针对本科生或研究生的永磁同步电机和异步电机的高级控制方法的教学。

背景技术

随着电力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路和微处理器技术的迅猛发展，数字伺服控制系统的应用也愈来愈广泛。如今，伺服控制系统已经在许多高科技领域得到了运用，如航空航天、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备等。伺服控制系统已经成为了我们的日常生产生活中不可缺少的部分。同时人们对伺服系统性能的要求也在不断提高，人们越来越期望能够采用一种低成本、高性能的控制策略，改善伺服系统的性能。

长期以来，由于直流电机转矩控制灵活，有很好的速度调整性能，高性能的伺服驱动绝大多数采用直流伺服技术。但是直流电机中存在换向器和电刷，限制了它的应用范围。交流电机结构简单，体积小，价格低，几乎无需维护，对环境适应性强。虽然交流电机相比直流电机具有优异的性能，但交流电机是一个强耦合的非线性控制对象，转矩控制困难，难以获得好的速度控制特性，因此长期以来难以得到很好的应用。随着微电子和电力电子技术的发展特别是矢量控制理论的提出，为交流电机的高性能控制奠定了理论基础，使得交流电机伺服系统的性能可以和直流伺服系统相媲美，甚至超越直流伺服系统。

矢量控制(Vector Control)又称磁场定向控制(Field-oriented Control)是20世纪70年代由德国西门子公司的F.Blaschke等提出来的。它的基本控制思想是：按照旋转磁场等效的原则，将交流电机经坐标变换和磁场定向后等效成直流电机；然后仿照直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量；再经过相应的坐标反变换，求得交流电机的控制量，从而控制交流电机。

无论是交流传动还是直流传动，电机瞬态还是稳态，传动系统的根本问题是转矩的控制。直接转矩控制(Direct Torque Control)作为一种新型的交流电机控制方式，由日本的Takahashi和德国的Denpenbrock于20世纪80年代中期提出。其基本思想是通过控制定子磁链来实现转矩的直接控制，省去了复杂的空间坐标变换和电机模型，并且受电机参数影响的程度相对矢量控制来说也较小。

如今，矢量控制和直接转矩控制已经成为交流电机高性能控制中使用最为广泛的控制策略。交流伺服系统正在取代直流伺服系统而成为机器人，数控机床等高性能伺服驱动装置中的主导伺服系统。正是因为交流伺服系统这种重要性，在大多数工科高校和科研机构相关专业都设置了机电一体化，电气传动，自动控制等课程，用来教授电机的相关知识与控制方法。但是由于相关教学实验设备的稀缺，大多数的教学仅限于课堂教授一些原理，比较抽象，学生难于理解，教学效果不够理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种交流电机驱动控制方法教学实验系统用于加深学生对交流电机控制理论和方法的理解，同时也增强了学生的动手能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种交流电机驱动控制方法的教学实验系统，包括电源转换模块、中央控制模块、功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块、电机加载模块、上位机模块、串口、数据采集卡、霍尔传感器、光电编码器和电机。

上述各组成部件的作用及相互间的连接关系如下：

所述的电源转换模块负责给其他模块提供电源，并显示相应的电压电流值同时具备过流保护功能。电源转换模块与其他各个模块相连。

所述的中央控制模块收集给定信息、反馈信息和算法选择信息，将信息整合，通过相应的控制算法计算出控制信号，并将控制信号以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块。中央控制模块与功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块和串口相连。

所述的功率驱动模块包括光耦隔离子模块和功率逆变子模块。它接收从中央控制模块发出的PWM控制信号，将信号经光耦隔离和功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制。功率驱动模块与中央控制模块和电机分别相连。

所述的控制参数给定模块为中央控制模块提供给定信息，如转速给定量、转矩给定量等。控制参数给定模块与中央控制模块相连。

所述的控制算法选择模块为中央控制模块提供运行模式信息，它决定了当前采用的交流电机控制算法，如调频调幅控制算法、空间矢量控制算法、直接转矩控制算法等；同时是否采用默认的PID控制器参数还是手动调节PID控制器参数也是由此模块决定，如果选择手动调节PID控制器参数模式，本模块还提供相应的PID控制器参数调节旋钮用于修改速度环PID控制器的参数。控制算法选择模块与中央控制模块相连。

所述的参数测量与显示模块包括转速测量、相电流测量、转矩信号显示等功能。转速测量的主要部件为光电编码器，光电编码器安装于电机轴上，在电机转动过程中，光电编码器产生的转速脉冲信号经过信号调理后送入中央控制单元作为速度反馈信息；相电流测量采用霍尔传感器，采集到的电流信息经过信号调理后送入中央控制单元作为相电流反馈信息；转矩信号通过采集的电流信号和相应的电机参数计算得出并显示。参数测量与显示模块同光电编码器、霍尔传感器、中央控制模块和数据采集卡分别相连。

所述的电机加载模块为电机提供负载转矩，用于测试电机的带载性能，可以调节输出的负载大小并显示出来。电机加载模块与电机相连。

所述的上位机模块使用串口通讯为中央控制模块提供参数给定信号，同时接收中央控制模块上传的参数信息如实时转速、实时转矩等；上位机模块通过数据采集卡收集电机相关的模拟信息，如相电压、相电流等；最后上位机模块将这些信息整合，通过上位机模块软件绘制出相应的曲线，用于展示电机的控制效果以及相对应的参数的变化情况。上位机模块与串口和数据采集卡分别相连。

本发明系统的工作过程如下：

首先，控制参数给定模块设定好要达到的控制效果，如转速给定量、转矩给定量，并将这些给定信息传递给中央控制模块。同时，可以通过上位机模块将给定信息通过串口发送给中央控制模块。

然后，中央控制模块接收从控制算法选择模块发送过来的运行模式信息来确定要取得上述控制效果所采用的电机控制算法。

之后，参数测量与显示模块采集实时的转速、相电流等信息，并将经过调理后的信号传递给中央控制模块作为控制算法的反馈信息，同时将这些信息实时地显示出来，便于用户观察；与此同时，数据采集卡收集电机相关的模拟信息，如相电压、相电流等，在上位机模块上实时绘制出曲线。

最后，中央控制模块将接收到的给定信息、反馈信息进行整合，通过选择的控制算法，计算出相应的控制量，并以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块；接着功率驱动模块将脉宽调制波(PWM)信号经光耦隔离和功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制。如果软件参数调试得合适，那么经过很短的时间后，电机实时的反馈量将等于给定量，达到要求的控制效果。

在整个电机控制运行期间，还可以随时通过电机加载模块为电机提供负载转矩，用于测试电机的带载性能和抗扰动的性能。

有益效果

本发明专门针对高校学生设计，从教学实验的角度出发，充分为学生着想，具有操作简单，数据采集方便，多功能算法实现，重要数据实时显示等特点，同时各个功能模块单独放置于各个模块箱中，方便维修与更换，并且具有过流，短路保护功能，安全可靠，可以作为学生电机方面的开放型实验平台，有助于他们认识与掌握现代交流伺服系统的原理与方法。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明的电源模块供电示意图；

图中，电源转换模块、中央控制模块、功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块、电机加载模块、上位机模块、串口、数据采集卡、霍尔传感器、光电编码器、电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种交流电机高级驱动控制算法教学实验系统，如图1所示，包括电源转换模块、中央控制模块、功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块、电机加载模块、上位机模块、串口、数据采集卡、霍尔传感器、光电编码器和电机。

上述各组成部件的作用及相互间的连接关系如下：

其中，电源转换模块负责给其他模块提供电源，并显示相应的电压电流值同时具备过流保护功能，当电流高于5A时自动断电。本实施例中具体可以采用明纬公司的AC-DC隔离电源NET-50C和S-350-48。

中央控制模块用于收集给定信息、反馈信息和算法选择信息，将信息整合，通过相应的控制算法选择模块计算出控制信号，并将控制信号以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块。中央控制模块包括主控芯片、和上位机模块通讯的串口、参数反馈输入接口、PWM控制信号输出接口。本实施例中，主控芯片可选用德州仪器公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812。

功率驱动模块接收从中央控制模块发出的PWM控制信号，将信号经光耦隔离和功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制。本实施例中，光耦隔离子模块包括有高速光耦、功率逆变子模块、相电流信号反馈接口、控制信号接收接口、电机母线电压值、电机控制输出接口。本实施例中，高速光耦型号为6N137，功率逆变子模块中逆变桥开关管驱动芯片选用IR2136。

控制参数给定模块为中央控制模块提供给定信息如转速给定量、转矩给定量等。本实施例中，利用旋钮设置给定的转速和给定的转矩值，并显示在数码管上。

控制算法选择模块为中央控制模块提供运行模式信息，它决定了当前采用的交流电机控制算法选择模块，如调频调幅控制算法、空间矢量控制算法，直接转矩控制算法等；同时是否采用默认的PID控制器参数还是手动调节PID控制器参数也是由控制算法选择模块决定。如果选择手动调节PID控制器参数模式，控制算法选择模块还提供相应的PID控制器参数调节旋钮用于修改速度环PID控制器的参数。在本具体实施例中包括为四个控制模式选择开关分别表示不同的控制算法和模式。

参数测量与显示模块包括转速测量、转矩信号显示、相电流测量等功能。转速测量的主要部件为光电编码器，光电编码器安装于电机的轴上，在电机转动过程中，光电编码器产生的转速脉冲信号经过信号调理后送入中央控制模块作为速度反馈信息；转矩信号通过采集的电流信号和相应的电机参数计算得出并显示；相电流测量采用霍尔传感器，采集到的电流信息经过信号调理后送入中央控制单元模块作为相电流反馈信息。

电机加载模块为电机提供负载转矩，用于测试电机的带载性能，可以调节输出的负载大小并显示出来。它包括数码管、旋钮、负载信号输出接口，其中，数码管用于显示当前添加的负载的大小，旋钮用于调节输出的负载值，负载信号输出接口与电机轴上的磁粉制动器相连。

上位机模块使用串口通讯为中央控制模块提供参数给定信号，同时接收中央控制模块上传的参数信息如实时转速、实时转矩等；上位机模块通过数据采集卡收集电机相关的模拟信息如相电压、相电流等；最后上位机模块将这些信息整合，通过上位机模块中的软件绘制出相应的曲线，用于展示电机的控制效果以及相对应的参数的变化情况。本具体实施例中，选用凌志公司的数据采集卡PCI-9113A对相电压，相电流信号进行采集，并且使用NI公司的LABVIEW进行软件编程，读取数据采集卡相应的采集信号，并绘制出信号的变化曲线，实时的显示在屏幕上。

本发明系统具体实施例的工作过程如下：

首先，用户利用控制参数给定模块上的给定信息旋钮设定要达到的控制效果，如转速给定量、转矩给定量，并将这些给定信息经信号处理后以电压的形式传递给主控芯片TMS320F2812；主控芯片TMS320F2812利用本身内置的A/D模块接收到相应的给定信息值。

然后，用户通过控制算法选择模块上的四个控制模式选择开关确定要取得上述控制效果所采用的电机控制算法。

之后，经过一定的信号处理后传递给主控芯片，主控芯片TMS320F2812通过IO口接收到这些信息；接着参数测量与显示模块利用霍尔传感器采集实时的相电流信息以及利用光电编码器采集实时的转速信息，其中相电流信息经过一定的信号处理后以电压的形式传递给中央控制模块，主控芯片利用本身内置的A/D模块进行接收，转速信息以正交脉冲波的形式传递给中央控制模块，主控芯片利用自身的正交解码模块接收，同时这些信息经一定处理后实时地显示出来，便于用户观察；同一时间数据采集卡PCI-9113A收集电机相关的模拟信息如相电压，相电流等，并在上位机模块上实时绘制出曲线。

最后，中央控制模块将接收到的转速转矩给定信息，电流转速反馈信息进行整合，通过选择的控制算法，计算出相应的控制量，并以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块；接着功率驱动模块将脉宽调制波(PWM)信号经光耦6N137隔离及功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制；如果软件参数调试得合适，那么经过很短的时间后，电机实时的反馈量将等于给定量，达到要求的控制效果。在整个电机控制运行期间，还可以随时通过电机加载模块为电机提供负载转矩，旋钮用于调节输出的负载值，控制输出给磁粉制动器的电流大小从而实现对负载转矩的控制。

Claims (1)

1.一种交流电机高级驱动控制算法教学实验系统，其特征在于包括：包括电源转换模块、中央控制模块、功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块、电机加载模块、上位机模块、串口、数据采集卡、霍尔传感器、光电编码器和电机；

上述组成部件的连接关系如下：

其中，所述的电源转换模块负责给其他模块提供电源，并显示相应的电压电流值同时具备过流保护功能；电源转换模块与其他各个模块相连；

所述的中央控制模块收集给定信息、反馈信息和算法选择信息，将信息整合，通过相应的控制算法计算出控制信号，并将控制信号以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块。中央控制模块与功率驱动模块、控制参数给定模块、控制算法选择模块、参数测量与显示模块和串口相连；

所述的功率驱动模块包括光耦隔离子模块和功率逆变子模块，它接收从中央控制模块发出的PWM控制信号，将信号经光耦隔离和功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制；功率驱动模块与中央控制模块和电机分别相连；

所述的控制参数给定模块为中央控制模块提供给定信息，如转速给定量、转矩给定量等；控制参数给定模块与中央控制模块相连；

所述的控制算法选择模块为中央控制模块提供运行模式信息，它决定了当前采用的交流电机控制算法，如调频调幅控制算法、空间矢量控制算法、直接转矩控制算法等；同时是否采用默认的PID控制器参数还是手动调节PID控制器参数也是由此模块决定，如果选择手动调节PID控制器参数模式，本模块还提供相应的PID控制器参数调节旋钮用于修改速度环PID控制器的参数；控制算法选择模块与中央控制模块相连；

所述的参数测量与显示模块包括转速测量、相电流测量、转矩信号显示等功能；转速测量的主要部件为光电编码器，光电编码器安装于电机轴上，在电机转动过程中，光电编码器产生的转速脉冲信号经过信号调理后送入中央控制单元作为速度反馈信息；相电流测量采用霍尔传感器，采集到的电流信息经过信号调理后送入中央控制单元作为相电流反馈信息；转矩信号通过采集的电流信号和相应的电机参数计算得出并显示；参数测量与显示模块同光电编码器、霍尔传感器、中央控制模块和数据采集卡分别相连；

所述的电机加载模块为电机提供负载转矩，用于测试电机的带载性能，可以调节输出的负载大小并显示出来；电机加载模块与电机相连；

所述的上位机模块使用串口通讯为中央控制模块提供参数给定信号，同时接收中央控制模块上传的参数信息如实时转速、实时转矩等；上位机模块通过数据采集卡收集电机相关的模拟信息，如相电压、相电流等；最后上位机模块将这些信息整合，通过上位机模块软件绘制出相应的曲线，用于展示电机的控制效果以及相对应的参数的变化情况；上位机模块与串口和数据采集卡分别相连；

本发明系统的工作过程如下：

首先，控制参数给定模块设定好要达到的控制效果，如转速给定量、转矩给定量，并将这些给定信息传递给中央控制模块；同时，可以通过上位机模块将给定信息通过串口发送给中央控制模块；

然后，中央控制模块接收从控制算法选择模块发送过来的运行模式信息来确定要取得上述控制效果所采用的电机控制算法；

之后，参数测量与显示模块采集实时的转速、相电流等信息，并将经过调理后的信号传递给中央控制模块作为控制算法的反馈信息，同时将这些信息实时地显示出来，便于用户观察；与此同时，数据采集卡收集电机相关的模拟信息，如相电压、相电流等，在上位机模块上实时绘制出曲线；

最后，中央控制模块将接收到的给定信息、反馈信息进行整合，通过选择的控制算法，计算出相应的控制量，并以脉宽调制波(PWM)的形式发送给功率驱动模块；接着功率驱动模块将脉宽调制波(PWM)信号经光耦隔离和功率放大后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制；如果软件参数调试得合适，那么经过很短的时间后，电机实时的反馈量将等于给定量，达到要求的控制效果；

在整个电机控制运行期间，还可以随时通过电机加载模块为电机提供负载转矩，用于测试电机的带载性能和抗扰动的性能。

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