CN110658739A - 一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置及实验控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置及实验控制方法，涉及电力电子、电机控制领域，包括装有MATLAB/Simulink软件的电脑，HIL数据采集卡，电机驱动柜，不同种类的电机以及高性能路由器；用户可以在MATLAB/Simulink仿真软件中编写电力电子及电机控制的不同控制程序，并在编写控制程序时配置被控设备相连主机的IP地址，局域网中的其他电脑主机就可以通过局域网远程控制实验设备，解决传统的实验设备中一台电脑只能控制一台实验装置的问题，进而可以提高实验效率，降低实验设备采购的成本；同时结合外部的硬件电路就能够形成一个半实物的闭环仿真从而完成各种基础的电力电子和不同电机的控制实验。

Description

一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置及实验控制 方法

技术领域

本发明涉及电力电子、电机控制领域，尤其一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置及实验控制方法。

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、控制三大领域之间的交叉学科；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，常以验证实验为主，很少有教学的实验设备兼顾到科研用途，无法满足学校对学生综合性、研发性、先进性学习能力的培养。从而造成使用者无法发挥自身的主观能动性及其创造性思维。并且对于传统的高校实验设备普遍采用的是一台电脑主机匹配一套实验设备并且实验设备的采购数量受学校金额的限制，往往需要几名同学一起共用一台实验设备，从而降低学生做实验的效率。这样当实验设备不足时会降低实验的效率。

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，提供一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置及实验控制方法，用户可以在MATLAB/Simulink仿真软件中编写电力电子及电机控制的不同控制程序，并在编写控制程序时配置被控设备相连主机的IP地址，局域网中的其他电脑主机就可以通过局域网远程控制实验设备，解决传统的实验设备中一台电脑只能控制一台实验装置的问题，进而可以提高实验效率，降低实验设备采购的成本；同时结合外部的硬件电路就能够形成一个半实物的闭环仿真从而完成各种基础的电力电子和不同电机的控制实验。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置，包含被控电脑、以及由多台主控电脑构成的局域网，还包含HIL数据采集卡、电机驱动柜、电机以及路由器；

其中，所述HIL数据采集卡包含数字I/O口、PWM信号输出、编码信号输入口、编码信号输出口、模拟信号输入口、模拟信号输出口；

所述电机驱动柜包括PWM控制信号隔离输入口、电压电流测量口、逆变电压输出口、编码器信号输入输出口、单向整流输出口、电机编码信号输出口；

所述电机包含均带有电机编码器信号输出口和电机驱动电压口的直流电机、单相交流电机和三相交流电机；

所述被控电脑通过路由器连接多台主控电脑，所述HIL数据采集卡和被控电脑相连；

通过HIL数据采集卡把被控电脑仿真软件中所编写的控制程序的实时运行指令传输到电机驱动柜，以及把电机的运行数据或电机驱动柜中采集到的逆变后的电压电流值数据实时反馈到被控电脑仿真软件所编写的程序中，进而形成一个硬件在环仿真；

电机驱动柜的逆变电压输出口连接到三相交流电机的电机驱动电压口，三相交流电机的电机编码器信号输出口连接到电机驱动柜的编码器信号输入输出口，电机驱动柜把电机的编码信号转化为电脑方便读取的数字信号；

电机驱动柜的数字输入口和HIL数据采集卡的数字I/O口相连，用于实现由仿真软件中的程序控制HIL数据采集卡的数字I/O口输出PWM波进行电力电子相关变换；

HIL数据采集卡的模拟信号输入口和电机驱动柜的电压电流测量口相连，用于把驱动柜单元的各个基础模块电力电子变换后的电压电流值进行反馈形成闭环，进而获得预期的电能参数；

HIL数据采集卡的编码信号输入口和电机驱动柜的编码信号输出口相连，把电机的运行数据通过HIL采集卡的编码输入口采集到被控电脑，使仿真软件中的程序读取电机的运行数据，进而更好的控制电机按照预期的规律旋转，从而完成电机控制的相关实验。

作为本发明一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置的进一步优选方案，所述被控电脑和主控电脑采用装有MATLAB/Simulink软件的电脑。

作为本发明一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置的进一步优选方案，所述HIL数据采集卡和被控电脑通过数据线相连并且和MATLAB/Simulink软件兼容。

一种半实物仿真电机控制及电力电子实验控制方法，具体包含如下步骤；

步骤1，将电机驱动柜的数字输入口和HIL数据采集卡的数字I/O口相连，实现由Simulink仿真软件中的程序控制HIL数据采集卡的数字I/O口输出PWM波进行电力电子相关变换；HIL数据采集卡的模拟信号输入口和电机驱动柜的电压电流测量口相连，把电机驱动柜的各个基础模块电力电子变换后的电压电流值进行反馈形成闭环，进而获得预期的电能参数；

步骤2，打开路由器，将被控电脑连接到路由器所建立的局域网中，且在被控电脑中安装有MATLAB/Simulink软件；其中，需多人做实验时，将主控电脑也连接到和被控电脑相同的局域网中，主控电脑通过局域网远程控制和被控电脑相连的外部硬件设备；

步骤3，打开被控电脑的命令提示符窗口，在界面中输入ipconfig命令，以此来获得被控电脑的IP地址；

步骤4，在控制电脑中打开命令提示符窗口，在界面中使用ping指令，具体为：ping空格IP地址，其中，IP地址为被控电脑的IP地址，输入该ping指令后，可通过命令提示符窗口，查看被控电脑和主控电脑是否连通；

步骤5，打开主控电脑，并打开MATLAB/Simulink的软件，在MATLAB/Simulink的软件界面使用相应工具箱进行算法程序/模型的编写；模型搭建完成，在所编写的Simulink模型中配置好被控电脑的IP地址，在主控电脑编译、仿真时会产生可执行文件，通过局域网络传输到被控电脑；由被控电脑的MATLAB/Simulink软件来发送指令到HIL数据采集卡的各个输入输出口，进而控制和数据采集卡相连的其他硬件电路，形成一个半实物实时仿真的实验装置，从而实现远程和被控电脑相连的外部硬件电路，完成实验。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明用户可以在MATLAB/Simulink仿真软件中编写电力电子及电机控制的不同控制程序，并在编写控制程序时配置被控设备相连主机的IP地址，局域网中的其他电脑主机就可以通过局域网远程控制实验设备，解决传统的实验设备中一台电脑只能控制一台实验装置的问题，进而可以提高实验效率，降低实验设备采购的成本；同时结合外部的硬件电路就能够形成一个半实物的闭环仿真从而完成各种基础的电力电子和不同电机的控制实验；

2、本发明所有控制算法直接在MATLAB/Simulink软件环境下编写，并且利用HIL数据采集卡可以做到实时运行、仿真。不仅可以做到使用被控电脑单独控制外部硬件电路，也可以做到多人做实验时避免实验效率低下，可以多台主控电脑分别远程控制和被控电脑外部相连的硬件电路，从而完成实验，也为实验设备得采购降低成本。用户还可以把重点放在电力电子或电机控制领域的控制算法编写和研究上，并且控制程序直接在MATLAB/Simulink中以S函数、M文件、Simulink模块库中的模块等形式编写，具有编程直观、方便等优点，可以完成不同学科的基础实验；是一种适合电力电子、电机控制课程的教学和科研的实验装置。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的各个模块的组成示意图；

图2为本发明实施例中可完成电力电子基础实验的流程图；

图3为本发明实施例中可完成电机控制基础实验的流程图。

图中标号具体如下：1-被控电脑，2-HIL数据采集卡，3-模拟信号输入口，4-模拟信号输出口，5-编码信号输入口，6-编码信号输出口，7-数字I/O口，8-PWM信号输出，9-电机驱动柜，10-PWM控制信号隔离输入口，11-电压电流测量口，12-逆变电压输出口，13-编码器信号输入输出口，14-单向整流输出口，15-电机编码信号输出口，16-电机驱动电压口，17-高性能路由器，18-主控电脑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下。

本实施例提供一种网络化实时仿真的半实物电机控制及电力电子实验装置及实验方法，主要包括装有MATLAB/Simulink软件的电脑，HIL数据采集卡，电机驱动柜，不同种类的电机以及高性能路由器等组成，如图1所示。

图1中所示HIL数据采集卡2中有数字I/O口7、8（数字I/O口7和PWM信号输出8），有编码信号输入输出口5、6（编码信号输入口5、编码信号输出口6）、有模拟信号输入输出口3、4（模拟信号输入口3、模拟信号输出口4）。并且HIL数据采集卡可以和电脑主机通过数据线相连并且和MATLAB/Simulink软件兼容，可以在MATLAB/Simulink中编程控制HIL数据采集卡的各输入输出口，当仿真软件运行时可以和外部硬件电路形成一个硬件在环仿真。

图1中电机驱动柜9中包括单相电源输入模块（驱动柜的电源输入），单相整流模块、三相全桥逆变模块、输入控制信号隔离模块、逆变后的电压电流检测模块以及编码器信号的输入输出口模块，其中各个模块都设有相应的接口可以连接控制信号，并且在电机驱动柜的各个相应模块外部绘制有对应的电路原理图，方便用户理解。即PWM控制信号隔离输入口10、电压电流测量口11、逆变电压输出口12、编码器信号输入输出口13、单向整流输出口14、电机编码信号输出口15；

所述的不同种类的电机是带有电机编码器信号输出口15和电机驱动电压口16的直流电机、单相交流电机和三相交流电机。

所述的高性能路由器如图1中的17，主要用于为实验装置提供一个局域网，用于实验设备的网络化控制。

如图1 所示，HIL数据采集卡2和局域网中的被控电脑1相连，HIL数据采集卡2的各个输入输出口连接到电机驱动柜9上各个基础电路模块，从而完成不同的实验。

图1中被控电脑1可以通过HIL数据采集卡2把被控电脑里Simulink仿真软件中所编写的控制程序的实时运行指令传输到电机驱动柜9，以及把电机编码器输出口14传回的信息或电机驱动柜9中采集到电压电流测量口11的数值实时反馈到仿真软件所编写的程序中，起到一个纽带的作用，形成一个硬件在环仿真。

图1中HIL数据采集卡2上的编码信号输入口5和电机控驱动柜单元的编码信号输出口14相连，把电机的运行数据通过采集卡上的编码输入口采集到电脑主机中，可以使Simulink仿真软件中的程序读取电机的运行数据，进而更好的控制电机按照预期的规律旋转，从而完成电机控制的相关实验；也可通过数据采集卡2上的模拟信号输入口3，把电机驱动柜上的逆变后电压电流检测口11的值返回到Simulink中编写的程序中，形成反馈；当进行电力电子基础实验的时候，可以使逆变电压输出端12输出预期的电能参数，从而完成电子基础实验。

本发明为实现在局域网内进行网络化远程完成电力电子实验，所采取的方法如下：

本实施例作为电力电子及不同类型电机控制学科的教学实验装置。与现有的实验电力电子、电机控制相关的实验设备相比，本发明具有独特的优势，可以在完成相应学科的基础实验同时进行远程操作，可以提高用户的实验效率，以及有效的降低实验设备的采购成本。

如图1所示的电机驱动柜9的数字输入口10和HIL数据采集卡的数字I/O口8相连，可以实现由Simulink中的程序控制HIL数据采集卡的数字I/O口输出PWM波进行电力电子相关变换；HIL数据采集卡2的模拟信号输入口3和电机驱动柜9的电压电流测量口11相连，可以把驱动柜单元的各个基础模块电力电子变换后的电压电流值进行反馈形成闭环，进而获得预期的电能参数。

打开如图1中所示的高性能路由器17，为本发明实施例提供一个局域网环境，使被控电脑连接到高性能路由器所建立的局域网中，且在被控电脑中安装有MATLAB/Simulink软件，可以实现被控电脑自行控制外部硬件设备，

需要多人做实验时，需要使图1中的主控电脑18，也连接到和被控电脑相同的局域网中。主控电脑通过局域网远程控制和被控电脑相连的外部硬件设备。

此时需要打开被控电脑的命令提示符窗口，在界面中输入ipconfig命令，以此来获得被控电脑的IP地址。

进一步，在控制电脑中打开命令提示符窗口，在界面中使用ping（网络诊断工具），具体为：ping空格IP地址（被控电脑的IP地址），输入该命令后，可以通过命令提示符窗口，查看两台电脑是否连通。同理其他主控电脑的检查方法一样。

打开主控电脑，并打开MATLAB/Simulink的软件，在MATLAB/Simulink的软件界面使用相应工具箱进行算法程序/模型的编写。模型搭建完成，在所编写的Simulink模型中配置好被控电脑的IP地址，在主控电脑编译、仿真时会产生可执行文件，通过局域网络传输到被控电脑，此时，被控电脑起到下位机的作用，由被控电脑的MATLAB/Simulink软件来发送指令到HIL数据采集卡的各个输入输出口，进而控制和数据采集卡相连的其他硬件电路，形成一个半实物实时仿真的实验装置，从而实现远程和被控电脑相连的外部硬件电路，完成实验。

进一步，本实施例作为一种电力电子学科的教学、科研实验装置，方便用户在进行不同实验，电在图1中机控制柜单元9的各个电路模块外部都留有相应的控制接口，用户只需要对外部的电路进行不同的线路连接就可以组成不同的实验电路。如果还有需要完成电力电子的其他相关实验，可以在电机驱动柜增加其他基础电路模块。

其中HIL数据采集卡2输出的PWM信号需要先连接到电机驱动柜9的控制信号隔离模块的外部接口10，再进行电力电子实验的变换。这样的目的是为了当后级驱动电路发生故障时可以有效的保护HIL数据采集卡2和被控电脑1。

被控电脑1和HIL数据采集卡2相连，被控电脑可以使用Simulink软件编写程序控制HIL数据采集卡上的各个输入输出口，使数据采集卡的各个输入输出口连接到电机驱动柜的各个基础模块的控制信号接口进而可以独立完成电力电子不同实验。

进一步，本实施例还可以多人、分时段远程完成实验，用户可以使用局域网中和被控电脑网络ping通的其他主控电脑来完成实验，在主控电脑上编写需要完成实验的控制程序，在Simulink编好的模型中配置好被控电脑的IP地址，然后点击编译，仿真，Simulink软件就会产生可执行文件，通过局域网把可执行文件传输到被控电脑，由被控电脑控制HIL数据采集卡的输入输出口，进而控制电机驱动柜的不同模块，远程完成电力电子的不同实验。

具体可以完成的实验有：单相交流逆变，三相交流逆变，变频电源等电力电子类实验，其工作流程如图2所示。

进一步，在电机驱动柜的整流模块、单相、三相逆变模块的输出端，加上不同类型电机，可以完成电机控制相关的基础实验。本实施例以远程控制三相交流电机，所采取的方法如下：

在图1所示的电机驱动柜9的逆变电压输出口14连接到三相交流电机的电机驱动电压口16，电机编码信号输出口15连接到电机驱动柜的编码信号输入口输出口13，电机驱动柜把电机的编码信号转化为电脑方便读取的数字信号。

HIL数据采集卡的编码信号输入口5和电机驱动柜的编码信号输出口13相连，从而实现了把电机的运行数据反馈到Simulink软件的程序中，形成一个闭环控制，从而可以使控制程序输出不同占空比的SPWM波形控制三相逆变电路输出的电压幅值、频率参数值，可以更好的控制电机运行，按照预期的规律旋转。

进一步，还可以使用局域网中和被控电脑网络ping通的其他主控电脑来远程完成实验，在主控电脑上编写需要完成实验的控制程序，在Simulink编好的模型中配置好被控电脑的IP地址，然后点击编译，仿真，Simulink软件就会产生可执行文件，通过局域网把可执行文件传输到被控电脑，由被控电脑控制HIL数据采集卡的输入输出口，由HIL数据采集卡采集回来的数据通过局域网传输到主控电脑，进而控制三相交流电机旋转，远程完成三相交流电机控制的不同实验。以此来完成不同类型的电机的控制实验。

具体的可以完成的实验有：直流、单相交流、三相交流电机自动控制实验（闭环控制转速恒定）、可测量不同类型电机转速、启动电压、启动电流等实验。其工作流程如图3所示。

在本发明提供的实施实施例中，多人进行实验时，当用户A在进行远程实验仿真时，用户B可以在自己的主控电脑上进行程序的思考、编写。用户A完成后，用户B可以配置好IP地址后可以马上进行实验的编译、仿真、验证，并且主控电脑的用户也可以使用Simulink仿真软件中的scope（示波器）实时观察实验硬件电路的实验效果。多人实验依次类推，可以大大的提高用户做实验的效率，也可以降低实验设备的采购成本。因此网络化实时仿真的半实物电机控制及电力电子实验装置及实验方法是一种适合电力电子、电机控制课程的教学和科研的实验装置。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置，其特征在于：包含被控电脑、以及由多台主控电脑构成的局域网，还包含HIL数据采集卡、电机驱动柜、电机以及路由器；

其中，所述HIL数据采集卡包含数字I/O口、PWM信号输出、编码信号输入口、编码信号输出口、模拟信号输入口、模拟信号输出口；

所述电机驱动柜包括PWM控制信号隔离输入口、电压电流测量口、逆变电压输出口、编码器信号输入输出口、单向整流输出口、电机编码信号输出口、；

所述电机包含均带有电机编码器信号输出口和电机驱动电压口的直流电机、单相交流电机和三相交流电机；

所述被控电脑通过路由器连接多台主控电脑，所述HIL数据采集卡和被控电脑相连；

通过HIL数据采集卡把被控电脑仿真软件中所编写的控制程序的实时运行指令传输到电机驱动柜，以及把电机的运行数据或电机驱动柜中采集到的逆变后的电压电流值数据实时反馈到被控电脑仿真软件所编写的程序中，进而形成一个硬件在环仿真；

电机驱动柜的逆变电压输出口连接到三相交流电机的电机驱动电压口，三相交流电机的电机编码器信号输出口连接到电机驱动柜的编码器信号输入输出口，电机驱动柜把电机的编码信号转化为电脑方便读取的数字信号；

电机驱动柜的数字输入口和HIL数据采集卡的数字I/O口相连，用于实现由仿真软件中的程序控制HIL数据采集卡的数字I/O口输出PWM波进行电力电子相关变换；

HIL数据采集卡的模拟信号输入口和电机驱动柜的电压电流测量口相连，用于把驱动柜单元的各个基础模块电力电子变换后的电压电流值进行反馈形成闭环，进而获得预期的电能参数；

HIL数据采集卡的编码信号输入口和电机驱动柜的编码信号输出口相连，把电机的运行数据通过HIL采集卡的编码输入口采集到被控电脑，使仿真软件中的程序读取电机的运行数据，进而更好的控制电机按照预期的规律旋转，从而完成电机控制的相关实验。

2.根据权利要求1所述的一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置，其特征在于：所述被控电脑和主控电脑采用装有MATLAB/Simulink软件的电脑。

3.根据权利要求1所述的一种半实物仿真电机控制及电力电子实验装置，其特征在于：所述HIL数据采集卡和被控电脑通过数据线相连并且和MATLAB/Simulink软件兼容。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述的半实物仿真电机控制及电力电子实验控制方法，其特征在于：具体包含如下步骤；

步骤1，将电机驱动柜的数字输入口和HIL数据采集卡的数字I/O口相连，实现由Simulink仿真软件中的程序控制HIL数据采集卡的数字I/O口输出PWM波进行电力电子相关变换；HIL数据采集卡的模拟信号输入口和电机驱动柜的电压电流测量口相连，把电机驱动柜的各个基础模块电力电子变换后的电压电流值进行反馈形成闭环，进而获得预期的电能参数；

步骤2，打开路由器，将被控电脑连接到路由器所建立的局域网中，且在被控电脑中安装有MATLAB/Simulink软件；其中，需多人做实验时，将主控电脑也连接到和被控电脑相同的局域网中，主控电脑通过局域网远程控制和被控电脑相连的外部硬件设备；

步骤3，打开被控电脑的命令提示符窗口，在界面中输入ipconfig命令，以此来获得被控电脑的IP地址；

步骤4，在控制电脑中打开命令提示符窗口，在界面中使用ping指令，具体为：ping空格IP地址，其中，IP地址为被控电脑的IP地址，输入该ping指令后，可通过命令提示符窗口，查看被控电脑和主控电脑是否连通；

步骤5，打开主控电脑，并打开MATLAB/Simulink的软件，在MATLAB/Simulink的软件界面使用相应工具箱进行算法程序/模型的编写；模型搭建完成，在所编写的Simulink模型中配置好被控电脑的IP地址，在主控电脑编译、仿真时会产生可执行文件，通过局域网络传输到被控电脑；由被控电脑的MATLAB/Simulink软件来发送指令到HIL数据采集卡的各个输入输出口，进而控制和数据采集卡相连的其他硬件电路，形成一个半实物实时仿真的实验装置，从而实现远程和被控电脑相连的外部硬件电路，完成实验。

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