CN104965466A - 一种直流电机控制教学实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机控制教学实验系统，包括上位机、控制处理器以及直流电机，上位机通过MATLAB/Simulink基于模型的设计自动生成代码后下载到控制处理器，控制处理器传递相应的控制信号给直流电机，直流电机上连接有检测传感器，检测传感器将采集的检测信号返回给控制处理器，上位机对检测信号进行监测；直流电机包括通过机械耦合传动装置互相连接的第一、第二直流电机，机械耦合传动装置连接有用于固定其传动轴的挡板，机械耦合传动装置的传动轴上安装有与控制处理器连接的力矩传感器。本发明的教学试验系统操作简单，易于建立和验证实验，可实现单电机控制及多电机控制等多种教学实验内容。

Description

一种直流电机控制教学实验系统

技术领域

本发明涉及一种直流电机控制教学实验系统。

背景技术

随着电子电力技术、电机制造技术的发展，人们对于自动化需求的日益提高，电机的应用领域逐渐扩大，电机的控制系统需要不断发展。

目前大多数高校都设置了电机控制、自动控制、机电一体化等课程来教授电机相关知识和控制方法。但是相关教学实验设备的稀缺和昂贵，以及实验过程的复杂和重复，导致教学效果不理想。

总的来说，目前电机教学实验系统存在有如下问题：1)建立控制算法困难，验证控制算法困难，需要通过编写大量代码才能完成控制实验；2)没有一个友好、开放的实验系统操作界面，操作复杂，使用者无法制作符合自己需求的实验方案解决问题；3)PC机与实验设备之间只能通过一对一的有线连接，无法实现远程控制，对教学造成不便；4)可实现教学实验内容少，往往是单一电机实验，也无法实现电机的可控加载和双电机驱动控制的教学。

因此，上述的一种直流电机控制教学实验系统在实际使用时还存在有若干缺点，因而亟待加以进一步改进。如何能创设一种操作简单，易于建立和验证实验，可实现多种教学实验内容的一种直流电机控制教学实验系统,实属当前重要研发课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电机控制教学实验系统，操作简单，易于建立和验证控制实验，可实现多种教学实验内容，从而克服现有的教学实验系统操作复杂，不易建立和验证控制实验，仅针对单一电机实验的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流电机控制教学实验系统，包括：上位机、控制处理器以及直流电机，所述上位机通过MATLAB/Simulink基于模型的设计自动生成代码后下载到所述控制处理器，所述控制处理器传递相应的控制信号给直流电机，所述直流电机上连接有检测传感器，所述检测传感器将采集的检测信号返回给所述控制处理器，所述上位机对检测信号进行监测；所述直流电机包括通过机械耦合传动装置互相连接的第一、第二直流电机，所述机械耦合传动装置连接有用于固定其传动轴的挡板，所述机械耦合传动装置的传动轴上安装有与所述控制处理器连接的力矩传感器。

进一步地，所述控制信号通过功率驱动模块传递给所述直流电机。

进一步地，所述功率驱动模块包括用于传递电压控制信号的DA功率驱动模块和用于传递PWM控制信号的PWM功率驱动模块。

进一步地，所述DA功率驱动模块采用OPA548芯片。

进一步地，所述PWM功率驱动模块采用TLE6209芯片。

进一步地，所述DA功率驱动模块和PWM功率驱动模块通过硬件开关进行选择。

进一步地，所述控制处理器通过蓝牙模块与上位机通信连接。

进一步地，所述控制处理器采用英飞凌XMC4500。

进一步地，所述机械耦合传动装置为齿轮传动机构。

进一步地，所述检测传感器包括用于采集电流信号的电流传感器、用于采集速度信号的光电编码器以及用于采集位置信号的伺服电位计。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的电机教学试验系统采用基于模型的设计，可以实现电机控制模型的底层驱动与上层算法一同在MATLAB/Simulink中进行联合建模，并且由模型直接生成全部代码，驱动与算法之间实现了无缝衔接的自动代码生成，代码的自动编译，应用程序的自动下载，应用程序运行情况的实时监测。同时可实现不同PC机与直流电机实验设备的连接，方便教师远程操控与教学；并且可以作为学生电机方面的开放型实验平台，可以做直流电机控制(提供了加载电机并能实时调节加载转矩)，双电机驱动控制，有助于学生学习现代控制理论和直流电机控制理论。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的直流电机控制教学实验系统结构框图。

图2是电机教学系统软件的底层驱动模块。

图3是转速控制控制算法与底层驱动联合建模的实例。

图4是双电机驱动的转矩同步控制原理框图。

图5是本发明直流电机控制教学实验系统实验过程的总体流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的一种直流电机控制教学实验系统，包括：上位机、控制处理器以及直流电机，所述上位机通过MATLAB/Simulink基于模型的设计自动生成代码后下载到所述控制处理器，所述控制处理器传递相应的控制信号给直流电机，所述直流电机上连接有检测传感器，所述检测传感器将采集的检测信号返回给所述控制处理器，所述上位机对检测信号进行监测；所述直流电机包括通过机械耦合传动装置互相连接的第一、第二直流电机，所述机械耦合传动装置连接有用于固定其传动轴的挡板，所述机械耦合传动装置的传动轴上安装有与所述控制处理器连接的力矩传感器。

其中，所述控制信号通过功率驱动模块传递给所述直流电机。所述功率驱动模块包括用于传递电压控制信号的DA功率驱动模块和用于传递PWM控制信号的PWM功率驱动模块。PWM功率驱动模块接受控制处理器发出的PWM控制信号，经过光耦隔离和功率放大后对直流电机进行控制。DA功率驱动模块接受控制处理器发出的电压控制信号，经过功率放大后对直流电机进行控制。优选地，DA功率驱动模块采用OPA548芯片，PWM功率驱动模块采用TLE6209芯片。实验时，所述DA功率驱动模块和PWM功率驱动模块可通过设置硬件开关进行选择。此外，电机的正反转可通过另设置反向运算放大器进行硬件控制，也可在实验设计时通过软件进行控制。

所述机械耦合装置为齿轮传动机构，当其中一个直流电机作为加载电机时，可将第一直流电机和第二直流电机的力矩进行叠加。静态力矩传感器安装在所述机械耦合传动装置的传动轴上，用于检测转矩大小并传递给控制处理器。可固定的挡板与静态力矩传感器相连，挡板固定时电机不能旋转。

所述检测传感器包括电流传感器、光电编码器以及伺服电位计，分别用于采集电流信号、速度信号和位置信号，这些信号传递给控制处理器，然后由控制处理器传递给上位机。

所述PC上位机上安装有电机教学系统软件，区别于传统的经由需求、设计、实现、测试四个阶段的软件开发模式，本发明采用基于模型的设计(Model Based Design,MBD)和全自动代码生成的软件开发模式，提供一种基于模型设计的电机教学实验系统。基于模型的思想是把模型作为软件设计的核心，从需求分析到实现测试可以选用统一模型设计语言和模型设计工具，建立起目标系统模型。做到用模型描述需求、用模型描述算法、从模型生成代码、在模型的基础上测试。

具体地，本发明的电机教学系统软件是一套基于MATLAB/Simulink的全自动代码生成技术的针对电机控制实验的软件开发平台。它主要包括4部分功能：基于模型的自动代码生成、代码的自动编译、应用程序的自动下载以及应用程序运行情况的实时监测。如图2中所示，电机教学系统软件提供了与电机控制实验配套的底层驱动模块，包括系统配置模块、写入电压信号模块、写入PWM信号模块、读取电流信号模块、读取编码器信号模块、读取位置信号模块、读取转矩信号模块。选定电机控制实验后，在PC机上利用电机教学系统软件搭建控制算法模型并添加配套的电机教学系统的底层驱动模块，自动生成实时代码并进行编译，可实现快速、直观的可视化设计。

所述控制处理器通过通信模块与所述上位机连接。为实现教师与学生一对多的优化配置，可设置一台教师用的PC上位机，多个学生用电机操作实验台，每个实验台的控制处理器均可与上位机通信，优选采用蓝牙模块进行通信，PC上位机通过蓝牙模块与控制处理器配对连接后可实现远程数据传输。

控制处理器与PC上位机通信连接，以实现电机控制过程中变量标定和监测。一方面，控制处理器通过从上位机获得的控制算法计算控制信号，并将PWM控制信号发送给PWM功率驱动模块或者将电压控制信号发送给DA功率驱动模块；另一方面，控制处理器接收电流传感器、伺服电位计、光电编码器以及力矩传感器采集的电流信号、位置信号、速度信号和转矩信号并传递给上位机。控制处理器可采用英飞凌XMC4500。

由于采用了以上技术方案，本发明的一种直流电机控制教学实验系统可以做第一直流电机或第二直流电机的单电机控制实验，也可以做双电机驱动控制实验，当做单电机控制实验时另一个电机作为加载电机，做双电机驱动控制实验时第一直流电机为主电机，第二直流电机为副电机。请配合参阅图5，下面以直流电机的转速、转矩控制实验和双电机驱动的转矩同步控制实验为例说明本发明的直流电机控制教学实验系统的工作过程：

1、直流电机的转速、转矩控制实验

步骤一：进行电机的转速控制实验控制算法的理论设计，利用电机教学系统软件以图形模块的形式搭建直流电机转速控制算法，并添加电机教学系统软件提供的底层驱动模块，如图3所示。移除挡板，进行编译、下载，开始实验。监控并存储实验数据和曲线，进行实验验证，如电流、转速等信息，这里可以利用Simulink的示波器监控变化曲线。对不理想的实验结果分析，并进一步通过在线调整控制器设计或者调整控制参数，实验完成。

步骤二：当需要加载时，另一电机为加载电机。利用电机教学系统软件以图形模块搭建加载电机的转矩控制算法，并添加电机教学系统软件提供的底层驱动模块。进行编译、下载，开始加载电机的转矩控制实验。监控并存储实验数据和曲线，如电流等信息，这里可以利用Simulink的示波器监控变化曲线。对不理想的实验结果分析，并进一步通过在线调整控制器设计或者调整控制参数。最后安装挡板，验证理论转矩值与传感器实测转矩值是否一致。

转矩控制以控制电机的输出力矩为目的，外部给定可通过直接给电流环作为力矩设定。只需控制电流即可控制转矩，力矩传感器采集的力矩可做验证。

步骤三：将步骤二搭建加载电机转矩控制实验模型添加到步骤一搭建的直流电机转速控制模型中去。移除挡板，进行编译、下载，开始实验。可在模型中实时调节加载电机的转矩大小，观察对转速的影响。监控并存储实验数据和曲线，如电流等信息，这里可以利用Simulink的示波器监控变化曲线。对不理想的实验结果分析，并进一步通过在线调整控制器设计或者调整控制参数。

2、双电机驱动的转矩同步控制实验

双电机驱动的转矩同步控制是让两台电机的输出转矩一致，自然就达到同步协调的目的。在理想情况下，若两台电机完全相同，则对于相同的指令信号，其输出转矩必然相同。然而由于传感器、放大器等元器件存在离散性，即使是标称参数相同的元器件其实际参数也不可能完全一致，因此必须通过一定的控制手段解决双电机转矩同步的问题。采用差电流负反馈方法即通过对电流的均衡控制实现双电机的转矩同步控制。要实现转矩同步控制：将两台电机中的一台电机设为主电机，另一台电机设为从电机，主电机按给定电流运行，从电机电流参照主电机给定。同时将从电机的输入电流与主电机的输入电流作对比，如果主电机的输入电流比从电机大，主电机驱动单元的电流给定在基本电流给定的基础上略微减小，而从电机驱动单元的电流给定则相应增加。同样，如果主电机的输入电流比从电机小，主电机驱动单元的电流给定在基本电流给定的基础上略微增加，而从电机驱动单元的电流给定则相应减小。双电机驱动的转矩同步控制原理框图如图4所示。

步骤一:进行双电机驱动的转矩同步控制实验控制算法的理论设计，利用电机教学系统软件以图形模块的形式搭建双电机驱动的转矩同步控制实验控制算法，并添加电机教学系统软件提供的底层驱动模块。

步骤二：移除挡板，进行编译、下载，开始实验。

步骤三：进行实验验证，监控并存储实验数据和曲线，如电流、转速等信息，这里可以利用Simulink的示波器监控变化曲线。对不理想的实验结果分析，并进一步通过在线调整控制器设计或者调整控制参数。最后安装挡板，验证理论转矩值与传感器实测转矩值是否一致。

综上所述，本发明的直流电机控制教学实验系统可以实现电机控制模型的底层驱动与上层算法一同在MATLAB/Simulink中进行联合建模，并且由模型直接生成全部代码，驱动与算法之间实现了无缝衔接的自动代码生成，代码的自动编译，应用程序的自动下载，应用程序运行情况的实时监测。同时可实现不同PC机与直流电机实验设备的连接，方便教师远程操控与教学；并且可以作为学生电机方面的开放型实验平台，可以做直流电机控制(提供了加载电机并能实时调节加载转矩)，双电机驱动控制，有助于学生学习现代控制理论和直流电机控制理论。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，包括：上位机、控制处理器以及直流电机，所述上位机通过MATLAB/Simulink基于模型的设计自动生成代码后下载到所述控制处理器，所述控制处理器传递相应的控制信号给直流电机，所述直流电机上连接有检测传感器，所述检测传感器将采集的检测信号返回给所述控制处理器，所述上位机对检测信号进行监测；

所述直流电机包括通过机械耦合传动装置互相连接的第一、第二直流电机，所述机械耦合传动装置连接有用于固定其传动轴的挡板，所述机械耦合传动装置的传动轴上安装有与所述控制处理器连接的力矩传感器。

2.根据权利要求1所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述控制信号通过功率驱动模块传递给所述直流电机。

3.根据权利要求2所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述功率驱动模块包括用于传递电压控制信号的DA功率驱动模块和用于传递PWM控制信号的PWM功率驱动模块。

4.根据权利要求3所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述DA功率驱动模块采用OPA548芯片。

5.根据权利要求3所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述PWM功率驱动模块采用TLE6209芯片。

6.根据权利要求3所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述DA功率驱动模块和PWM功率驱动模块通过硬件开关进行选择。

7.根据权利要求1所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述控制处理器通过蓝牙模块与上位机通信连接。

8.根据权利要求1所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述控制处理器采用英飞凌XMC4500。

9.根据权利要求1所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述机械耦合传动装置为齿轮传动机构。

10.根据权利要求1所述的一种直流电机控制教学实验系统，其特征在于，所述检测传感器包括用于采集电流信号的电流传感器、用于采集速度信号的光电编码器以及用于采集位置信号的伺服电位计。