CN105551351A - 数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，包括计算机、数据采集及实时控制模块、信号转换模块、信号保护驱动模块、脉冲触发模块、时钟同步单元及电力电子及电气传动实验挂件区；本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的试验方法；本发明所设计的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置具有综合性、开发性、先进性，能够大幅度的提高控制精度，能够完成综合性的电力电子和电气传动实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种综合实验教学仪器，具体涉及一种开放式电力电子及电气传动数字化实时控制实验装置及方法，适合于进行研究性电力电子及电气传动实验要求。
背景技术
电力电子是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科；目前高校都在加强现代电力电子技术的教学内容，相比而言，电力电子技术实验课程相对滞后，而且当前大学本科实验教学设备均较为简单且实验内容较少，同时往往以验证为主，无法满足学校对学生综合性、开发性、先进性学习能力的培养，也无法跟上电力电子技术发展的步伐；现有技术的数字化电力电子试验装置一般是专门定制装置，针对不同的试验需要定制相应的装置，成本投入太大，并且试验模式单一，无法满足学生的开发性训练要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种具有综合性、开发性、先进性的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置及实验方法，能够大幅度的提高控制精度，能够完成综合性的电力电子和电气传动实验。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，包括计算机、数据采集及实时控制模块、信号转换模块、信号保护驱动模块、脉冲触发模块、时钟同步单元及电力电子及电气传动实验挂件区；
电力电子及电气传动实验挂件区包括单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块、三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块、单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块、直流斩波模块、电气传动模块、其它电力电子实验模块、直流电源产生模块、单相/三相整流模块、单相交流电源、三相交流电源；其中：
数据采集及实时控制模块与计算机连接,用于与计算机进行实时双向通信；
时钟同步单元与数据采集及实时控制模块连接；
信号保护驱动模块分别与数据采集及实时控制模块、脉冲触发模块、信号转换模块、单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块、直流斩波模块、电气传动模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供逻辑保护和信号驱动；
脉冲触发模块分别与单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块、三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供脉冲触发信号；
信号转换模块分别与单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块、三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块、单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块、直流斩波模块、电气传动模块、其它电力电子实验模块连接，用于对上述模块中的大电压、大电流信号进行转换，转换为便于采集的模拟信号；
单相/三相整流模块分别与单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块、直流斩波模块、电气传动模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供直流电压；
三相交流电源分别与三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供隔离后的三相交流电源；
单相交流电源分别与单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供隔离后的单相交流电源；
直流电源产生模块分别与信号转换模块、信号保护驱动模块、脉冲触发模块、单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块、直流斩波模块、电气传动模块、其它电力电子实验模块连接，用于为上述模块提供直流供电；
时钟同步单元为整个系统提供同步时钟；实验中所需要的电流量、电压量均由信号转换模块获取并经由信号保护驱动模块送到数据采集及实时控制模块进行模拟量到数字量的转换，最后把数字量后送到计算机中；
脉冲触发模块产生G，K触发信号，用于为单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块、三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块、其它电力电子实验模块提供触发信号；
直流电源产生模块用于为系统提供单相电和系统控制所需+24V,+/-15V,+5V等直流电源；
单相/三相整流模块用于把单相交流电源或三相交流电源整流为直流电源；
单相交流电源模块用于输出多种规格的单相交流电压；
三相交流电源模块用于输出多种规格的三相交流电压。
技术效果：本发明能够实现单相桥式半控整流模块可以完成单相桥式半控整流实验；单相交流调压模块可以完成单相交流调压实验；三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块可以完成三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流实验；三相交流调压模块可以完成三相交流实验；单相交-直-交变频模块可以完成单相交-直-交变频实验；三相交-直-交变频模块可以实现三相交-直-交变频实验；直流斩波模块完成IGBT直流斩波实验；电气传动模块可以完成三相永磁同步电机(PMSM)传动实验、三相交流异步电机传动实验、无刷直流电机传动实验、步进电机传动实验、磁阻电机传动实验、SVPWM实验和各种算法的验证试验，具有综合性的优点。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，前述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，数据采集及实时控制模块单独含有DSP芯片或单独含有FPGA芯片或同时含有DSP芯片及FPGA芯片，用于与与计算机进行实时双向通信。
前述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，其它电力电子实验模块为光伏逆变、功率因数校正模块。
前述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，直流电源产生模块用于提供+24V、+15V、-15V等直流供电。
本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，在进行单相桥式半控整流实验、单相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定相位角；
步骤2：进行单相过零检测；
单相过零检测的具体操作为：
A：单相交流电源输出的单相交流电输入到信号转换模块进行转换；
B：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块传输给数据采集及实时控制模块进行量化变为数字量；
C：计算机以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
D：计算机根据读取到的数字量，判断单相交流电是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达脉冲触发模块，脉冲触发模块发出多路触发信号给单相桥式半控整流模块、单相交流调压模块及其它电力电子实验模块，从而实现了数字化单相桥式半控整流及单相交流调压实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，在进行三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流实验、三相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定相位角；
步骤2：进行三相过零检测；
三相过零检测的具体操作为：
A：三相交流电源输出的三相交流电输入到信号转换模块进行转换；
b：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块传输给数据采集及实时控制模块进行量化变为数字量；
c：计算机以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
d：计算机根据读取到的数字量，判断三相交流单中的每相是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达脉冲触发模块，脉冲触发模块发出多路触发信号给三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流模块、三相交流调压模块及其它电力电子实验模块，从而实现了数字化三相晶闸管全(半)控桥(零)式整流、三相交流调压等实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，在进行单相交—直—交变频实验、三相交—直—交变频实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定变频后的频率和幅值；
步骤2：计算机中发出PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块，产生对应的交流变频信号；
步骤3：把单相交—直—交变频模块、三相交—直—交变频模块输出的交流变频信号通过信号转换模块、信号保护驱动模块、数据采集及实时控制模块采集到计算机，便于观察变频后的输出波形；
步骤:4：返回到步骤1，并继续执行后续步骤。
本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，直流斩波实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定直流斩波后的目标电压值Vref；
步骤2：直流斩波模块输出的电压经由信号转换模块、信号保护驱动模块以及数据采集及实时控制模块转换为数字量Vfb；
步骤3：计算机以固定的采样周期读取步骤2得到的Vfb；
步骤4：控制程序中计算误差e＝Vref-Vfb；并对e进行数字信号处理，输出占空比U；
步骤5：控制程序发出占空比为U的PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达直流斩波模块；直流斩波模块输出相应的直流电压；
步骤6：重复步骤3到步骤6，直到直流斩波模块输出的直流电压值达到给定的目标电压值Vref。
本发明还设计了一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，在进行电气传动实验中，电机转子速度控制为双闭环控制，电机转子位置控制为双闭环或三闭环控制；当进行电机转子位置三闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定转子位置给定值θ_ref；
步骤2：电气传动模块输出两相电流信号ia、ib，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号θ，并经由信号保护驱动模块以及数据采集及实时控制模块转换为数字量；
步骤3：计算机以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：控制程序中计算电机转子位置误差θ_err＝θ_ref-θ；并对θ_err进行数字信号处理，得到速度给定信号Speed_ref；
步骤5：控制程序计算速度误差Speed_err＝Speed_ref-Speed；并对Speed_err进行数字信号处理，得到电流控制量I_ref；
步骤6：控制程序根据ia、ib、I_ref、θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到Uα、Uβ；
步骤7：控制程序根据Uα、Uβ，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达电气传动模块；电气传动模块控制永磁同步电机运转；
步骤8：重复步骤3到步骤8，直到电机转子位置达到给定值θ_ref；
当进行电机转子位置双闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机中设定转子速度给定值Speed__ref；
步骤2：电气传动模块输出两相电流信号ia、ib，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号θ，并经由信号保护驱动模块以及数据采集及实时控制模块转换为数字量；
步骤3：计算机以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：控制程序中计算电机转子位置误差Speed_err＝Speed__ref-Speed；并对Speed_err进行数字信号处理，得到速度给定信号I_ref；
步骤5：控制程序根据ia、ib、I_ref、θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到Uα、Uβ；
步骤6：控制程序根据Uα、Uβ，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块、信号保护驱动模块到达电气传动模块；电气传动模块控制永磁同步电机运转；
步骤7：重复步骤3到步骤8，直到电机转子速度达到给定值Speed_ref。
本发明的有益效果是：
1.本发明所有控制算法直接在Matlab/Simulink、LabVIEW等软件环境下编写，且实时运行在装有实时控制软件的计算机里，用户可以把重点放在算法研究上，具有编程直观、高效、方便等优点；
2.本发明所设计的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置具有实时性高、数据采样精确的优点；
3.本发明在实际实验中各项实验均设有实验面板，清晰明了，每项实验的外设电路仅需要在面板区连线完成，方便、高效；
4.本发明在实际的实验验证时，运行的参数、采样数据在实验控制界面上以图形的形式实时显示出来，便于保存、分析、比较；
5.本发明在实际的验证实验时，算法参数可以实时在线更改，节约时间，为参数寻优、各种算法的性能比较提供了方便；
6.本发明中的控制程序直接在MATLAB/Simulink中以S-Fuction函数、M文件、Simulink模块库中的模块等形式编写；通过GUI对各实验模块进行可视化、图形化编程，得到实验控制界面，并与控制程序相连接；在实验控制界面上通过按键将控制程序编译生成代码，并把代码下载到计算机1及数据采集及实时控制模块2中实时运行，完成各实验，是一种真正数字化的实验装置。
附图说明
图1为本发明所设计的数字化实时控制实验装置的结构框图；
图2为本发明中直流斩波控制原理图；
图3为本发明中的电气传动、单相/三相交—直—交变频多功能综合模块；
图4为本发明中电力电子及电气传动数字化实时控制实验装置的实验操作总程序界面图；
图5为本发明中单相/三相晶闸管直流调速控制原理图。
具体实施方式
结构如图1所示，本实施例中计算机1中装有实时控制软件及Matlab/Simulink软件、LabVIEW等软件；控制程序直接在MATLAB/Simulink中以S-Fuction函数、M文件、Simulink模块库中的模块等形式编写；通过GUI对各实验模块进行可视化、图形化编程，得到实验控制界面，并与控制程序相连接；
在实验控制界面上通过按键将控制程序编译生成代码，并把代码下载到计算机1及数据采集及实时控制模块2中实时运行，完成各实验；在实验控制界面上可以实时在线调整控制参数；控制程序实时采集数据，并在实验控制界面上实时显示，便于保存、分析、比较。
本实施例提供的一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，包括计算机1、数据采集及实时控制模块2、信号转换模块3、信号保护驱动模块4、脉冲触发模块5、时钟同步单元18及电力电子及电气传动实验挂件区；
电力电子及电气传动实验挂件区包括单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7、三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9、单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11、直流斩波模块12、电气传动模块13、其它电力电子实验模块19、直流电源产生模块14、单相/三相整流模块15、单相交流电源16、三相交流电源17；其中：
数据采集及实时控制模块2与计算机1连接,用于与计算机1进行实时双向通信；
时钟同步单元18与数据采集及实时控制模块2连接；
信号保护驱动模块4分别与数据采集及实时控制模块2、脉冲触发模块5、信号转换模块3、单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11、直流斩波模块12、电气传动模块13、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供逻辑保护和信号驱动；
脉冲触发模块5分别与单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7、三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供脉冲触发信号；
信号转换模块3分别与单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7、三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9、单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11、直流斩波模块12、电气传动模块13、其它电力电子实验模块19连接，用于对上述模块中的大电压、大电流信号进行转换，转换为便于采集的模拟信号；
单相/三相整流模块15分别与单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11、直流斩波模块12、电气传动模块13、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供直流电压；
三相交流电源17分别与三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供隔离后的三相交流电源；
单相交流电源16分别与单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供隔离后的单相交流电源；
直流电源产生模块14分别与信号转换模块3、信号保护驱动模块4、脉冲触发模块5、单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11、直流斩波模块12、电气传动模块13、其它电力电子实验模块19连接，用于为上述模块提供直流供电；
时钟同步单元18为整个系统提供同步时钟；实验中所需要的电流量、电压量均由信号转换模块3获取并经由信号保护驱动模块4送到数据采集及实时控制模块2进行模拟量到数字量的转换，最后把数字量后送到计算机1中；
脉冲触发模块5产生G，K触发信号，用于为单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7、三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9、其它电力电子实验模块19提供触发信号；
直流电源产生模块14用于为系统提供单相电和系统控制所需+24V,+/-15V,+5V等直流电源；单相/三相整流模块15用于把单相交流电源或三相交流电源整流为直流电源；
单相交流电源模块16用于输出多种规格的单相交流电压；
三相交流电源模块17用于输出多种规格的三相交流电压。
本实施例中数据采集及实时控制模块2含有DSP芯片和FPGA芯片，具有模数AD转换、数模DA转换、数字量输入输出IO、正交信号解码器decoder等功能；同时数据采集及实时控制模块2是以板卡的形式安装在计算机1里，与计算机1进行实时双向通信；其它电力电子实验模块19为光伏逆变、功率因数校正模块；前述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，直流电源产生模块14用于提供+24V、+15V、-15V等直流供电。
本实施例中电气传动模块13中含有三相永磁同步电机PMSM、三相交流异步电机、无刷直流电机、步进电机、磁阻电机等，能够完成三相永磁同步电机PMSM传动实验、三相交流异步电机传动实验、无刷直流电机传动实验、步进电机传动实验、磁阻电机传动实验等。
同时，本实施例中计算机1的MATLAB/Simulink、LabVIEW等软件中设计了整个系统的实验操作界面，包含单相桥式半控整流实验、三相桥式可控整流实验、单相调压实验、三相调压实验、单相正弦波脉宽调制(SPWM)逆变电路实验、三相正弦波脉宽调制(SPWM)逆变电路实验、直流斩波实验、双闭环晶闸管不可控直流调速系统实验、永磁同步电机矢量控制和三相异步矢量电机控制实验等。
在进行单相桥式半控整流实验、单相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定相位角；
步骤2：进行单相过零检测；
单相过零检测的具体操作为：
A：单相交流电源16输出的单相交流电输入到信号转换模块3进行转换；
B：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块4传输给数据采集及实时控制模块2进行量化变为数字量；
C：计算机1以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
D：计算机1根据读取到的数字量，判断单相交流电是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达脉冲触发模块5，脉冲触发模块5发出多路触发信号给单相桥式半控整流模块6、单相交流调压模块7及其它电力电子实验模块19，从而实现了数字化单相桥式半控整流及单相交流调压实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
在进行三相晶闸管全半控桥零式整流实验、三相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定相位角；
步骤2：进行三相过零检测；
三相过零检测的具体操作为：
A：三相交流电源17输出的三相交流电输入到信号转换模块3进行转换；
b：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块4传输给数据采集及实时控制模块2进行量化变为数字量；
c：计算机1以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
d：计算机1根据读取到的数字量，判断三相交流单中的每相是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达脉冲触发模块5，脉冲触发模块5发出多路触发信号给三相晶闸管全半控桥零式整流模块8、三相交流调压模块9及其它电力电子实验模块19，从而实现了数字化三相晶闸管全半控桥零式整流、三相交流调压等实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
在进行单相交—直—交变频实验、三相交—直—交变频实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定变频后的频率和幅值；
步骤2：计算机1中发出PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11，产生对应的交流变频信号；
步骤3：把单相交—直—交变频模块10、三相交—直—交变频模块11输出的交流变频信号通过信号转换模块3、信号保护驱动模块4、数据采集及实时控制模块2采集到计算机1，便于观察变频后的输出波形；
步骤:4：返回到步骤1，并继续执行后续步骤。
在进行直流斩波实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定直流斩波后的目标电压值Vref；
步骤2：直流斩波模块12输出的电压经由信号转换模块3、信号保护驱动模块4以及数据采集及实时控制模块2转换为数字量Vfb；
步骤3：计算机1以固定的采样周期读取步骤2得到的Vfb；
步骤4：控制程序中计算误差e＝Vref-Vfb；并对e进行数字信号处理如PID等运算，输出占空比U；
步骤5：控制程序发出占空比为U的PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达直流斩波模块12；直流斩波模块12输出相应的直流电压；
步骤6：重复步骤3到步骤6，直到直流斩波模块12输出的直流电压值达到给定的目标电压值Vref。
在进行电气传动实验中，电机转子速度控制为双闭环控制，电机转子位置控制为双闭环或三闭环控制；
当进行电机转子位置三闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定转子位置给定值θ_ref；
步骤2：电气传动模块13输出两相电流信号ia、ib，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号θ，并经由信号保护驱动模块4以及数据采集及实时控制模块2转换为数字量；
步骤3：计算机1以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：控制程序中计算电机转子位置误差θ_err＝θ_ref-θ；并对θ_err进行数字信号处理如PID等运算，得到速度给定信号Speed_ref；
步骤5：控制程序计算速度误差Speed_err＝Speed_ref-Speed；并对Speed_err进行数字信号处理如PID等运算，得到电流控制量I_ref；
步骤6：控制程序根据ia、ib、I_ref、θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到Uα、Uβ；
步骤7：控制程序根据Uα、Uβ，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达电气传动模块13；电气传动模块13控制永磁同步电机运转；
步骤8：重复步骤3到步骤8，直到电机转子位置达到给定值θ_ref；
当进行电机转子位置双闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机1中设定转子速度给定值Speed__ref；
步骤2：电气传动模块13输出两相电流信号ia、ib，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号θ，并经由信号保护驱动模块4以及数据采集及实时控制模块2转换为数字量；
步骤3：计算机1以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：控制程序中计算电机转子位置误差Speed_err＝Speed__ref-Speed；并对Speed_err进行数字信号处理如PID等运算，得到速度给定信号I_ref；
步骤5：控制程序根据ia、ib、I_ref、θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到Uα、Uβ；
步骤6：控制程序根据Uα、Uβ，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块2、信号保护驱动模块4到达电气传动模块13；电气传动模块13控制永磁同步电机运转；
步骤7：重复步骤3到步骤8，直到电机转子速度达到给定值Speed_ref。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，其特征在于，包括计算机（1）、数据采集及实时控制模块（2）、信号转换模块（3）、信号保护驱动模块（4）、脉冲触发模块（5）、时钟同步单元（18）及电力电子及电气传动实验挂件区；
所述电力电子及电气传动实验挂件区包括单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）、三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）、单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块（11）、直流斩波模块（12）、电气传动模块（13）、其它电力电子实验模块（19）、直流电源产生模块（14）、单相/三相整流模块（15）、单相交流电源（16）、三相交流电源（17）；其中：
所述数据采集及实时控制模块（2）与计算机（1）连接,用于与计算机（1）进行实时双向通信；
所述时钟同步单元（18）与数据采集及实时控制模块（2）连接；
所述信号保护驱动模块（4）分别与数据采集及实时控制模块（2）、脉冲触发模块（5）、信号转换模块（3）、单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块（11）、直流斩波模块（12）、电气传动模块（13）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供逻辑保护和信号驱动；
所述脉冲触发模块（5）分别与单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）、三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供脉冲触发信号；
所述信号转换模块（3）分别与单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）、三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）、单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块（11）、直流斩波模块（12）、电气传动模块（13）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于对上述模块中的大电压、大电流信号进行转换，转换为便于采集的模拟信号；
所述单相/三相整流模块（15）分别与单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块（11）、直流斩波模块（12）、电气传动模块（13）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供直流电压；
所述三相交流电源（17）分别与三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供隔离后的三相交流电源；
所述单相交流电源（16）分别与单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供隔离后的单相交流电源；
所述直流电源产生模块（14）分别与信号转换模块（3）、信号保护驱动模块（4）、脉冲触发模块（5）、单相交—直—交变频模块(10)、三相交—直—交变频模块（11）、直流斩波模块（12）、电气传动模块（13）、其它电力电子实验模块（19）连接，用于为上述模块提供直流供电；
所述时钟同步单元（18）为整个系统提供同步时钟；实验中所需要的电流量、电压量均由信号转换模块（3）获取并经由信号保护驱动模块（4）送到数据采集及实时控制模块（2）进行模拟量到数字量的转换，最后把数字量后送到计算机（1）中；
所述脉冲触发模块（5）产生G，K触发信号，用于为单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）、三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）、其它电力电子实验模块（19）提供触发信号；
所述直流电源产生模块（14）用于为系统提供单相电和系统控制所需+24V,+/-15V,+5V等直流电源；
所述单相/三相整流模块（15）用于把单相交流电源或三相交流电源整流为直流电源；
所述单相交流电源模块（16）用于输出多种规格的单相交流电压；
所述三相交流电源模块（17）用于输出多种规格的三相交流电压。
2.根据权利要求1所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，其特征在于，所述数据采集及实时控制模块（2）单独含有DSP芯片或单独含有FPGA芯片或同时含有DSP芯片及FPGA芯片，用于与与计算机（1）进行实时双向通信。
3.根据权利要求1或2所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，其特征在于，所述其它电力电子实验模块（19）为光伏逆变模块、功率因数校正模块。
4.根据权利要求3所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置，其特征在于，所述直流电源产生模块（14）用于提供+24V、+15V、-15V等直流供电。
5.根据权利要求4所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，其特征在于：在进行单相桥式半控整流实验、单相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定相位角；
步骤2：进行单相过零检测；
所述单相过零检测的具体操作为：
A：单相交流电源（16）输出的单相交流电输入到信号转换模块（3）进行转换；
B：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块（4）传输给数据采集及实时控制模块（2）进行量化变为数字量；
C：计算机（1）以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
D：计算机（1）根据读取到的数字量，判断单相交流电是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达脉冲触发模块（5），脉冲触发模块（5）发出多路触发信号给单相桥式半控整流模块（6）、单相交流调压模块（7）及其它电力电子实验模块（19），从而实现了数字化单相桥式半控整流及单相交流调压实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
6.根据权利要求4所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，其特征在于：在进行三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流实验、三相交流调压实验时，实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定相位角；
步骤2：进行三相过零检测；
所述三相过零检测的具体操作为：
A：三相交流电源（17）输出的三相交流电输入到信号转换模块（3）进行转换；
b：将步骤A转换后的信号经由信号保护驱动模块（4）传输给数据采集及实时控制模块（2）进行量化变为数字量；
c：计算机（1）以固定频率对步骤B量化后的数字量进行读取；
d：计算机（1）根据读取到的数字量，判断三相交流单中的每相是正过零还是负过零，并发出相应的指示信息；
步骤3：以过零点为参考点，在交流信号的相位达到设定相位角时刻，控制程序发出控制指令，并经过数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达脉冲触发模块（5），脉冲触发模块（5）发出多路触发信号给三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流模块（8）、三相交流调压模块（9）及其它电力电子实验模块（19），从而实现了数字化三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流、三相交流调压等实验内容；
步骤4：返回步骤1，继续执行后续步骤。
7.根据权利要求4所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，其特征在于：在进行单相交—直—交变频实验、三相交—直—交变频实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定变频后的频率和幅值；
步骤2：计算机（1）中发出PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达单相交—直—交变频模块（10）、三相交—直—交变频模块（11），产生对应的交流变频信号；
步骤3：把单相交—直—交变频模块（10）、三相交—直—交变频模块（11）输出的交流变频信号通过信号转换模块（3）、信号保护驱动模块（4）、数据采集及实时控制模块（2）采集到计算机（1），便于观察变频后的输出波形；
步骤:4：返回到步骤1，并继续执行后续步骤。
8.根据权利要求1所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，其特征在于：直流斩波实验中，实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定直流斩波后的目标电压值Vref；
步骤2：直流斩波模块（12）输出的电压经由信号转换模块（3）、信号保护驱动模块（4）以及数据采集及实时控制模块（2）转换为数字量Vfb；
步骤3：计算机（1）以固定的采样周期读取步骤2得到的Vfb；
步骤4：在计算机（1）中计算误差e=Vref-Vfb；并对e进行数字信号处理，输出占空比U；
步骤5：计算机（1）发出占空比为U的PWM信号，PWM信号经过数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达直流斩波模块（12）；直流斩波模块（12）输出相应的直流电压；
步骤6：重复步骤3到步骤6，直到直流斩波模块（12）输出的直流电压值达到给定的目标电压值Vref。
9.根据权利要求1所述的数字化电力电子及电气传动实时控制实验装置的实验方法，其特征在于：在进行电气传动实验中，电机转子速度控制为双闭环控制，电机转子位置控制为双闭环或三闭环控制；
当进行电机转子位置三闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定转子位置给定值q_ref；
步骤2：电气传动模块（13）输出两相电流信号i a 、i b ，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号q，并经由信号保护驱动模块（4）以及数据采集及实时控制模块（2）转换为数字量；
步骤3：计算机（1）以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：在计算机（1）中计算电机转子位置误差q_err=q_ref-q；并对q_err进行数字信号处理，得到速度给定信号Speed_ref；
步骤5：在计算机（1）中计算速度误差Speed_err=Speed_ref-Speed；并对Speed_err进行数字信号处理，得到电流控制量I_ref；
步骤6：计算机（1）根据i a 、i b 、I_ref、q进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到U a、U b；
步骤7：计算机（1）根据U a、U b，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达电气传动模块（13）；电气传动模块（13）控制永磁同步电机运转；
步骤8：重复步骤3到步骤8，直到电机转子位置达到给定值q_ref；
当进行电机转子位置双闭环控制时，其实验方法如下：
步骤1：在计算机（1）中设定转子速度给定值Speed__ref；
步骤2：电气传动模块（13）输出两相电流信号i a 、i b ，以及电机转子速度信号Speed、电机转子位置信号q，并经由信号保护驱动模块（4）以及数据采集及实时控制模块（2）转换为数字量；
步骤3：计算机（1）以固定的采样周期读取步骤3得到的电流、速度和位置信息；
步骤4：在计算机（1）中计算电机转子位置误差Speed_err=Speed__ref-Speed；并对Speed_err进行PID等运算，得到速度给定信号I_ref；
步骤5：计算机（1）根据i a 、i b 、I_ref、q进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到U a 、U b ；
步骤6：计算机（1）根据U a 、U b ，进行矢量变换，输出PWM控制信号，并经由数据采集及实时控制模块（2）、信号保护驱动模块（4）到达电气传动模块（13）；电气传动模块（13）控制永磁同步电机运转；
步骤7：重复步骤3到步骤8，直到电机转子速度达到给定值Speed_ref。
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