數(shù)字化電機控制實驗系統(tǒng)
電機的數(shù)字化控制是今后電機拖動領(lǐng)域不可替代的發(fā)展方向，面對大批進口電機控制變頻器紛紛涌入國內(nèi)，培養(yǎng)我國本土的數(shù)字化電機控制人才已是電氣工程相關(guān)專業(yè)的當務(wù)之急，只有培養(yǎng)了既具備理論基礎(chǔ)又有解決實際問題能力的人才，才會有今后我國電機數(shù)字化控制的獨立知識產(chǎn)權(quán)。與此同時，國內(nèi)的變頻器生產(chǎn)廠商也急需變頻器設(shè)計和控制策略方面的創(chuàng)新，急待國內(nèi)高校培養(yǎng)出高端的變頻器設(shè)計人才。
電機控制人才的培養(yǎng)，在于使學(xué)習(xí)者在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)期間通過電機控制的具體實踐理解電機控制的原理、硬件系統(tǒng)和電機控制算法的軟件實現(xiàn)。
基于如上的考慮，上海交通大學(xué)電氣工程系針對電氣專業(yè)的本科生自主設(shè)計開發(fā)了一套數(shù)字化電機控制系統(tǒng)平臺。該平臺基于飛思卡爾公司DSP芯片MC56F8257(84763)，設(shè)計為便攜式實驗箱形式。實驗箱內(nèi)包含了核心控制板、電機驅(qū)動功率板、仿真器、直流無刷電機、步進電機、電源、液晶顯示器及相關(guān)配件(配線與接線工具)。其中控制板有飛思卡爾控制板和交大研發(fā)控制板兩種類型。飛思卡爾控制板適合初學(xué)者熟悉DSP芯片的入門使用;交大研發(fā)的控制板側(cè)重對于一部分模塊的具體使用(如PWM電機驅(qū)動、串行通訊及圖形液晶顯示等)，對DSP芯片的電機驅(qū)動應(yīng)用較為深入。兩類控制板與電機驅(qū)動板均可兼容，學(xué)生可根據(jù)自身需要，選擇適合自己的一類控制板進行實驗。電機驅(qū)動板根據(jù)功率不同也分為兩種，分別用來控制500W電機與10kW高壓電機。在完成低壓板控制的基礎(chǔ)上，有能力的同學(xué)可以繼續(xù)完成高壓板的驅(qū)動研究。實驗箱內(nèi)提供了低壓板可驅(qū)動的兩類電機，分別是無刷直流電機與步進電機，根據(jù)個人能力及完成進度，學(xué)生可以選擇在課程時間內(nèi)完成一種或兩種電機的各類控制。
圖1 數(shù)字化電機控制實驗系統(tǒng)功能架構(gòu)
以上所述便攜式實驗箱是一個完整的通用電機數(shù)字化控制系統(tǒng)的硬件功率平臺，為學(xué)生們進行電機控制實驗提供了基礎(chǔ)條件。我們將其作為主要硬件平臺投入到電氣工程系開設(shè)的《運動控制系統(tǒng)綜合實驗》課程當中，主要針對本科生學(xué)習(xí)和實踐包括直流無刷電機、步進電機、永磁同步電機和感應(yīng)電機的控制。
本數(shù)字化電機控制系統(tǒng)的特點：
1) 隔離驅(qū)動功率器件，強弱電分開保證了系統(tǒng)安全。
2) 具有電流短路保護、驅(qū)動電壓過低保護和系統(tǒng)過熱保護，防止學(xué)生實驗時出現(xiàn)意外損壞實驗設(shè)備。
3) 采用可編程邏輯器件實現(xiàn)半橋功率器件邏輯互鎖，故障時自動停止工作的功能。
4) 半橋上、下功率器件的數(shù)字死區(qū)控制保證了死區(qū)的準確性和長期工作的一致性，而且在需要情況下易于編程改變死區(qū)時間。
5) 多個指示燈方便實驗者對電機控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的觀察。
6) 采用新的電流、電壓測量方法大大降低了系統(tǒng)的成本。
7) 差動測量抑制了共模干擾，提高了系統(tǒng)測量精度。
8) 電源接入方式提高了電機控制系統(tǒng)的便捷性和安全性。
數(shù)字化電機控制實驗系統(tǒng)實驗箱可以完成的實驗主要包括：基礎(chǔ)實驗和驅(qū)動實驗?；A(chǔ)實驗：通用輸入輸出、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖寬度調(diào)制、串行通信和圖形顯示。驅(qū)動實驗：直流無刷電機的驅(qū)動、無位置傳感器的直流無刷電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和各類高壓電機的驅(qū)動。
由于每年學(xué)生有近100人，我們制作了65套設(shè)備，投入實驗50套(2人一組)，15套備用。該實驗箱具備便攜性，學(xué)生也可在課下繼續(xù)實驗研究。這種教學(xué)模式已試行三個學(xué)年，取得了良好的效果和學(xué)生的好評。
作品名稱：數(shù)字化電機控制實驗系統(tǒng)
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