一种数字化电力电子实验装置.pdf

本发明公开了一种数字化电力电子实验装置，包括实时控制单元（1）、信号保护模块（2）和挂件区，所述挂件区插接实验用模块组件；所述试验用模块组件均与所述信号保护模块（2）相连接，信号保护模块（2）与实时控制单元（1）相连接。本发明的控制器采用的是实时控制单元作为控制器，其功能强大且性能稳定、高精度，可以方便的对交流伺服电机、单相桥式半控整流等电力电子模块等进行理论算法验证与实时控制，解决了传统电机控制器、电力电子实验的精度有限和纯仿真算法的无法实时控制的弊端。

权利要求书
1.  一种数字化电力电子实验装置，其特征在于，包括实时控制单元(1)、信号保护模块(2)和挂件区，所述挂件区插接实验用模块组件；
所述试验用模块组件均与所述信号保护模块(2)相连接，信号保护模块(2)与实时控制单元(1)相连接。

2.  根据权利要求1所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：所述挂件区插接的实验模块组件为独立组件结构，包括交流伺服电机硬件在环模块(3)、单相桥式半控整流模块(4)、三相交流调压模块(5)、单相交流调压模块(6)、三相晶闸管全/半控桥式整流模块(7)、SPWM控制单相交直交变频模块(8)、IGBT直流斩波电路(9)。

3.  根据权利要求1所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：所述的交流伺服电机硬件在环模块(3)包括工作电机驱动控制器(10)、交流伺服电机(11)、扭矩传感器单元(12)、可调负载单元(13)、负载控制器(14)；工作电机驱动控制器(10)、扭矩传感器单元(12)、负载控制器(14)均与信号保护模块(2)相连接；
试验用交流伺服电机(11)连接在工作电机驱动控制器(10)、扭矩传感器单元(12)之间；可调负载单元(13)连接在扭矩传感器单元(12)、负载控制器(14)之间。

4.  根据权利要求3所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：所述交流伺服电机硬件在环模块(3)中，工作电机驱动控制器(10)包括高压供电模块(15)、光电隔离模块(20)、功率芯片供电模块(24)、功率驱动模块(19)、编码器模块(21)、电流传感器(22)、电压传感器(23)、工作电机电源模块(16)、保护电路模块(17)；
高压供电模块(15)与工作电机电源模块(16)相连，光电隔离模块(20)、功率芯片供电模块(24)、工作电机电源模块(16)、保护电路模块(17)均与功率驱动模块(19)相连，功率驱动模块(19)连接试验用交流伺服电机(11)；
实时控制单元(1)通过信号保护模块(2)、光电隔离模块(20)连接功率驱动模块(19)，编码器模块(21)、电流传感器(22)、电压传感器(23)均分别连接信号保护模块(2)、交流伺服电机(11)。

5.  根据权利要求4所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：
所述实时控制单元(1)产生六路PWM信号通过信号保护模块(2)输送到工作电机驱动控制器(10)，工作电机驱动控制器(10)和试验用交流伺服电机(11)通过三相电源线、信号线相连，工作电机驱动控制器(10)控制交流伺服电机(11)的运行，并获得试验用交流伺服电机(11)的位置和速度信息；
工作电机驱动控制器(10)采集到的交流伺服电机(11)的实时数据通过信号保护模块(2)传送给实时控制单元(1)；
实时控制单元(1)上设置的负载力矩参数传送给负载控制器(14)，负载控制器(14)控制可调负载单元(13)产生变化的负载力矩，同时实时控制单元(1)对扭矩传感器单元(12)的输出信号通过信号保护模块(2)实时采集；
可调负载单元(13)、扭矩传感器单元(12)，和交流伺服电机(11)同轴相连。

6.  根据权利要求3所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：高压供电模块(15)用于为工作电机电源模块(16)提供电源，包括接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，所述接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；
接线端子部分每个引线上均设置一个电容。

7.  根据权利要求3所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：光电隔离模块(20)包括六路控制电路，受实时控制单元(1)经过信号保护模块(2)输出的PWM信号的控制，光耦在PWM控制信号作用下导通和关断IPM的输入信号。

8.  根据权利要求3所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：工作 电机电源模块(16)输出电机工作电源给功率驱动模块(19)，高压供电模块(15)的电压转换后输出电压至工作电机电源模块(16)转换为电机工作电源，同时电机工作电源经过电源转换芯片获得功率芯片供电模块(24)输出的24V电源，以及为电流传感器(22)、电压传感器(23)提供供电的±12V直流电源；
所述±12V直流电源连接电流传感器(22)、电压传感器(23)，为电流传感器(22)、电压传感器(23)提供电源。

9.  根据权利要求3所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：保护电路模块(17)包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路；所述母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路、软启动继电器电路均与保护控制电路相连接。

10.  根据权利要求1所述的数字化电力电子实验装置，其特征在于：所述实时控制单元(1)对交流伺服电机硬件在环模块(3)的控制过程具体包括以下步骤：
S1，实时控制单元(1)通过信号保护模块(2)采集电机转子参考速度wref、电机转子实测速度w、电机相电流ia,ib、输入电机转子角度θ；
S2，计算误差e＝wref-w；
S3，进行速度环PI运算，得到控制量输出
S4，根据u,ia,ib,θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到中间电压变量Uα,Uβ；
S5，根据中间电压变量Uα,Uβ，进行SVPWM变换，输出PWM控制信号；
S6，PWM控制信号送给工作电机驱动控制器(10)，工作电机驱动控制器(10)控制交流伺服电机(11)运转；
S7，输出扭矩控制量给负载控制器(14),负载控制器(14)控制可调负载单元 (3)输出相应的负载。

说明书一种数字化电力电子实验装置
技术领域
本发明涉及的是一种实验教学仪器，具体涉及的是一种采用数字化设计的电力电子实验装置。
背景技术
目前国内高职高专以及高等院校中的自动化等专业都需要学习电机学、电力电子技术、自动控制系统等专业课程，而这些课程的学习需要通过实验教学将理论结合实际。这样才能使学生更好的加深理论学习，掌握本质并提高动手能力。但是现在国内的设备均较为简单且实验内容较少同时以验证为主，无法满足学校日益要求的实验具有综合性、开发性、先进性的要求，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，不同的试验需要相应的装置，试验单一，开发性不强。
发明内容
发明目的：为克服以上实验装置的缺陷本发明提供了一种具有综合性、开 发性、先进性且适应电力电子技术发展需要的数字化电力电子实验装置。
本发明技术方案如下：
一种数字化电力电子实验装置，包括实时控制单元、信号保护模块和挂件区，挂件区插接实验用模块组件；
试验用模块组件均与信号保护模块相连接，信号保护模块与实时控制单元相连接。
挂件区插接的实验模块组件为独立组件结构，包括交流伺服电机硬件在环模块、单相桥式半控整流模块、三相交流调压模块、单相交流调压模块、三相晶闸管全/半控桥零式整流模块、SPWM控制单相交直交变频模块、IGBT直流斩波电路。
交流伺服电机硬件在环模块可完成交流伺服系统实验和SVPWM实验和各种算法的验证试验；单相桥式半控整流模块可完成单相可控整流电路实验；三相交流调压模块可完成三相调压实验；单相交流调压模块可完成单相交流调压实验；三相晶闸管全/半控桥(零)式整流模块可完成三相晶闸管整流实验；SPWM控制单相交直交变频模块可完成SPWM控制单相交直交变频电路的研究；IGBT直流斩波模块可完成直流斩波实验。
交流伺服电机硬件在环模块包括工作电机驱动控制器、交流伺服电机、扭矩传感器单元、可调负载单元、负载控制器；工作电机驱动控制器、扭矩传感器单元、负载控制器均与信号保护模块相连接。
试验用交流伺服电机连接在工作电机驱动控制器、扭矩传感器单元之间；可调负载单元连接在扭矩传感器单元、负载控制器之间。
交流伺服电机硬件在环模块中，工作电机驱动控制器包括高压供电模块、光电隔离模块、功率芯片供电模块、功率驱动模块、编码器模块、电流传感器、电压传感器、工作电机电源模块、保护电路模块；
高压供电模块与工作电机电源模块相连，光电隔离模块、功率芯片供电模块、工作电机电源模块、保护电路模块均与功率驱动模块相连，功率驱动模块连接试验用交流伺服电机；
实时控制单元通过信号保护模块、光电隔离模块连接功率驱动模块，编码器模块、电流传感器、电压传感器均分别连接信号保护模块、交流伺服电机。
实时控制单元产生六路PWM信号通过信号保护模块输送到工作电机驱动控制器，工作电机驱动控制器和试验用交流伺服电机通过三相电源线、信号线相连，工作电机驱动控制器控制交流伺服电机的运行，并获得试验用交流伺服电机的位置和速度信息；
工作电机驱动控制器采集到的交流伺服电机的实时数据通过信号保护模块传送给实时控制单元；
实时控制单元上设置的负载力矩参数传送给负载控制器，负载控制器控制可调负载单元产生变化的负载力矩，同时实时控制单元对扭矩传感器单元的输出信号通过信号保护模块实时采集；
可调负载单元、扭矩传感器单元，和交流伺服电机同轴相连。
可调负载单元为负载电机。
交流伺服电机硬件在环模块中，高压供电模块用于为工作电机电源模块提供电源，包括接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；
接线端子部分每个引线上均设置一个电容，用于滤波。
交流伺服电机硬件在环模块中，光电隔离模块20包括六路控制电路，受实时控制单元经过信号保护模块输出的PWM信号的控制，光耦在PWM控制信号作用下导通和关断IPM的输入信号。
交流伺服电机硬件在环模块中，功率芯片供电模块包括四路相同的供电电路，供电电路彼此之间相互独立；
每条供电电路包括24V电源和F2415S-2W集成器件，24V电源、F2415S-2W集成器件相连接。
交流伺服电机硬件在环模块中，工作电机电源模块输出电机工作电源给功率驱动模块，高压供电模块的电压转换后输出电压至工作电机电源模块转换为电机工作电源，同时电机工作电源经过电源转换芯片获得功率芯片供电模块输出的24V电源，以及为电流传感器、电压传感器提供供电的±12V直流电源；
±12V直流电源连接电流传感器、电压传感器，为电流传感器、电压传感器提供电源。
交流伺服电机硬件在环模块中，保护电路模块包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路；母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路、软启动继电器电路均与保护控制电路相连接。
光电隔离模块的控制电路由PWM控制信号控制，光耦在PWM中的控制信号作用下导通和关断IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)的输入信号；每路光耦都是相同的结构，控制六路信号。这里的光耦相当于一个开关，起到隔离电路的作用，避免了相互的干扰。
较优地，实时控制单元对交流伺服电机硬件在环模块的控制过程具体包括以下步骤：的控制过程具体包括以下步骤：
S1，实时控制单元采集电机转子参考速度wref、电机转子实测速度w、电机相电流ia,ib、输入电机转子角度θ；
S2，计算误差e＝wref-w；
S3，进行速度环PI运算，得到控制量输出
S4，根据u,ia,ib,θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到中间电压变量Uα,Uβ；
S5，根据中间电压变量Uα,Uβ，进行SVPWM变换，输出PWM控制信号；
S6，PWM控制信号送给工作电机驱动控制器，工作电机驱动控制器控制交流伺服电机运转；
S7，输出扭矩控制量给负载控制器,负载控制器控制可调负载单元输出相应的负载。
步骤S1实时控制单元参数调整时，通过计算机在线操作，在计算机屏幕上以图形的形式，实时动态显示电机转子参考速度、电机转子实测速度、电机相电流、输入电机转子角度和扭矩信息。
本发明通过实时控制单元的控制过程，建立闭环仿真模型，能够将伺服电机处理结构实时反馈到伺服系统，实现实际在环试验；所有控制信号直接由实时控制单元实时发出，所有要采集的数据由实时控制单元实时采集；所以本系统是一种硬件在环实时系统，具有搭建控制模型快速、高效、方便的优点。
本发明的有益效果包括：
1、本发明能够实现、交流伺服系统实验和SVPWM实验、单相可控整流电路、三相晶闸管整流实验、直流斩波实验、三相调压实验、单相交流调压实验、SPWM控制单相交直交变频电路试验，实现试验的综合性和开发性，具有搭建模型快速、方便等优点，相对于专用DSP芯片的控制系统要简单且节省时间；本发明方便被测交流伺服电机快速接入，并建立闭环仿真模型，能够将伺服电机处理结构实时反馈到伺服系统，实现实际在环试验；
2、电机控制的所有算法直接在实时控制单元中以matlab/Simulink语言实现，所有控制信号直接由实时控制单元实时发出，所有要采集的数据由实时控制单元实时采集；所以本系统是一种硬件在环实时系统，具有搭建控制模型快速、高效、方便的优点，
3、在实时控制单元的控制下，负载控制器可以控制可调负载单元产生高精度、任意形式的可调负载。
4、该系统运行时，电机以及负载单元的所有运行参数、中间计算数据均 可由实时控制单元实时采集，且以图形的形式显示；
5、相对于基于专用DSP芯片等的控制系统，本发明要简单且节省时间，可以实时在线修改算法参数，为参数寻优、各种算法的性能比较，以及控制算法的参数调节提供了方便。
5、进行实验时所有控制信号由实时控制单元(PC机+Quanser平台+数据采集卡)发出，经过隔离模块和保护模块送给具体的被控模块，所有的过程参数由实时控制单元采集，并以图形、数据等形式显示，所有的控制算法在Matlab/Simulink中实现，快速、高效，是真正数字化的实验装置。
附图说明
图1是本发明的数字化电力电子实验装置结构框图；
图2是本发明的交流伺服电机硬件在环模块的结构框图；
图3是工作电机驱动控制器的结构框图；
图4是工作电机驱动控制器的高压供电模块的结构示意图；
图5是工作电机驱动控制器的光电隔离模块的结构示意图；
图6是工作电机驱动控制器的功率芯片供电模块的结构示意图；
图7是工作电机驱动控制器的编码器模块的结构示意图；
图8是工作电机驱动控制器的电流传感器的结构示意图；
图9是工作电机驱动控制器的电压传感器的结构示意图；
图10是工作电机驱动控制器的工作电机电源模块的结构示意图；
图11是工作电机驱动控制器的保护电路模块的结构示意图；
图12为实时控制单元针对交流伺服电机硬件在环实验的控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以 使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
为便于理解本发明，下面将结合附图进行阐述。
如图1所示，一种数字化电力电子实验装置，包括实时控制单元1、信号保护模块2和挂件区，挂件区插接实验用模块组件；试验用模块组件均与信号保护模块2相连接，信号保护模块2与实时控制单元1相连接。
挂件区插接的实验模块组件为独立组件结构，包括交流伺服电机硬件在环模块3、单相桥式半控整流模块4、三相交流调压模块5、单相交流调压模块6、三相晶闸管全/半控桥(零)式整流模块7、SPWM控制单相交直交变频模块8、IGBT直流斩波电路9。
交流伺服电机硬件在环模块3可完成交流伺服系统实验和SVPWM实验和各种算法的验证试验；单相桥式半控整流模块4可完成单相可控整流电路实验；三相交流调压模块5可完成三相调压实验；单相交流调压模块6可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7可完成三相晶闸 管整流实验；SPWM控制单相交直交变频模块8可完成SPWM控制单相交直交变频电路的研究；IGBT直流斩波模块9可完成直流斩波实验。
如图2所示，的交流伺服电机硬件在环模块3包括工作电机驱动控制器10、交流伺服电机11、扭矩传感器单元12、可调负载单元13、负载控制器14；工作电机驱动控制器10、扭矩传感器单元12、负载控制器14均与信号保护模块2相连接。
试验用交流伺服电机11连接在工作电机驱动控制器10、扭矩传感器单元12之间；可调负载单元13连接在扭矩传感器单元12、负载控制器14之间。
如图3所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，工作电机驱动控制器10包括高压供电模块15、光电隔离模块20、功率芯片供电模块24、功率驱动模块19、编码器模块21、电流传感器22、电压传感器23、工作电机电源模块16、保护电路模块17；
高压供电模块15与工作电机电源模块16相连，光电隔离模块20、功率芯片供电模块24、工作电机电源模块16、保护电路模块17均与功率驱动模 块19相连，功率驱动模块19连接试验用交流伺服电机11；
实时控制单元1通过信号保护模块2、光电隔离模块20连接功率驱动模块19，编码器模块21、电流传感器22、电压传感器23均分别连接信号保护模块2、交流伺服电机11。
实时控制单元1产生六路PWM信号通过信号保护模块2输送到工作电机驱动控制器10，工作电机驱动控制器10和试验用交流伺服电机11通过三相电源线、信号线相连，工作电机驱动控制器10控制交流伺服电机11的运行，并获得试验用交流伺服电机11的位置和速度信息；
工作电机驱动控制器10采集到的交流伺服电机11的实时数据通过信号保护模块2传送给实时控制单元1；
实时控制单元1上设置的负载力矩参数传送给负载控制器14，负载控制器14控制可调负载单元13产生变化的负载力矩，同时实时控制单元1对扭矩传感器单元12的输出信号通过信号保护模块2实时采集；
可调负载单元13、扭矩传感器单元12和交流伺服电机11同轴相连。可 调负载单元给工作电机加载不同的负载，同时，扭矩传感器单元能够采集可调负载单元和交流伺服电机的相对扭矩。
可调负载单元13为负载电机。
本实施例中，实时控制单元1上安装了Quanser公司出品的QuaRC实时软件和Matlab软件，Matlab与QuaRC软件包括电机控制算法的实现与参数设置部分、负载力矩设置部分和动态性能参数显示部分；电机控制算法的实现与参数设置部分用于调制控制信号PWM波形，并通过实时控制软件输送到工作电机驱动控制器10；负载力矩设置部分用于控制可调负载单元13，产生可调的负载；动态性能参数显示部分用于显示工作电机驱动控制器10传送过来的电机运行动态数据，用于观察整个系统的运行状况。
进行实验时所有控制信号由实时控制单元(PC机+Quanser平台+数据采集卡)发出，经过隔离模块和保护模块送给具体的被控模块，所有的过程参数由实时控制单元采集，并以图形、数据等形式显示，所有的控制算法在Matlab/Simulink中实现，快速、高效，是真正数字化的实验装置。
图4所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，高压供电模块15用于为工作电机电源模块16提供电源，包括接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分，接线端子部分、整流桥部分、继电器保护部分依次顺序连接；
接线端子部分每个引线上均设置一个电容，用于滤波；整流桥选用的型号为6RI100G-160,该型号性能稳定，使得交流电转化成直流电；第三部分的继电器采用的是NVF4-3A-Z80b，防止初始上电时电流过大而烧坏电路元器件。
图5所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，光电隔离模块(20)包括六路控制电路，受实时控制单元1经过信号保护模块2输出的PWM信号的控制，光耦在PWM控制信号作用下导通和关断IPM的输入信号。光电隔离模块的控制电路由PWM控制信号控制，光耦在PWM中的控制信号作用下导通和关断IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)的输入信号；每路光耦都是相同的结构，控制六路信号。这里的光耦相当于一个开关，起到隔离电路的作用，避免了相互的干扰。
图6所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，功率芯片供电模块24包括 四路相同的供电电路，供电电路彼此之间相互独立；
每条供电电路包括24V电源和F2415S-2W集成器件，24V电源、F2415S-2W集成器件相连接；具体地，24V的电源电压接F2415S-2W的输入引脚1和引脚2，F2415S-2W的输出引脚7和引脚5接光耦的供电端子，在F2415S-2W的输出引脚7和引脚5之间接一个1K电阻，防止电流过大而烧坏F2415S-2W集成器件。
图7为工作电机驱动控制器的编码器模块21的结构示意图，编码器将输入信号转化为电信号后方便后续处理。
如图8所示，电流传感器22连接±12V直流电源和实时控制单元的QPIDe数据采集卡；
±12V为电流传感器提供电源，在电源和地之间接上电容防止电磁干扰，通过采样电阻获得采样电流，通过QPIDe数据采集卡中的模拟输入通道，将数据传回实时控制单元1的QuaRC中，用于控制算法。
图9为工作电机驱动控制器的电压传感器23的结构示意图，其工作原理 和电流传感器22相同。
图10所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，工作电机电源模块16输出电机工作电源给功率驱动模块19，高压供电模块15的电压转换后输出电压至工作电机电源模块16转换为电机工作电源，同时电机工作电源经过电源转换芯片获得功率芯片供电模块24输出的24V电源，以及为电流传感器22、电压传感器23提供供电的±12V直流电源；
±12V直流电源连接电流传感器22、电压传感器23，为电流传感器22、电压传感器23提供电源。
图11所示，交流伺服电机硬件在环模块3中，保护电路模块17包括母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路和保护控制电路；母线过压欠压保护电路、IPM输出异常保护电路、软启动继电器电路均与保护控制电路相连接。
过压和欠压保护电路包括LM2903和HCPL2631两个芯片构成，LM2903是比较器，输入电压与10V相比，看是否达到过压或欠压报警值，HCPL2631 为光耦，起隔离作用。IPM输出异常和母线电压过压保护电路通过两个光耦进行了隔离，当出现异常信号光耦TLP181关断，停止IPM的输出；当出现母线电压过压信号时，通过光耦HCPL0454对IPM输入相应的控制信号，从而处理过压情况。软启动继电器电路输入信号利用光耦AQW212来控制软启动电阻的旁路继电器APA3312来实现24V电源电路的开通与关断，实现功率板的保护功能。
如图12所示，实时控制单元的控制过程具体包括以下步骤：
S1，实时控制单元1采集电机转子参考速度wref、电机转子实测速度w、电机相电流ia,ib、输入电机转子角度θ；
S2，计算误差e＝wref-w；
S3，进行速度环PI运算，得到控制量输出
S4，根据u,ia,ib,θ进行Park变换、Clark变换、双电流环PI运算，得到中间电压变量Uα,Uβ；
S5，根据中间电压变量Uα,Uβ，进行SVPWM变换，输出PWM控制信号；
S6，PWM控制信号送给工作电机驱动控制器，工作电机驱动控制器控制交流伺服电机运转；
S7，输出扭矩控制量给负载控制器,负载控制器控制可调负载单元输出相应的负载。
步骤S1实时控制单元参数调整时，通过计算机在线操作，在计算机屏幕上以图形的形式，实时动态显示电机转子参考速度、电机转子实测速度、电机相电流、输入电机转子角度和扭矩信息。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。