基于PXI的永磁同步电机RCP教学实验平台设计
发布时间：2020-01-19
摘 要：设计了一种基于 PXI的永磁同步电机快速控制原型教学实验平台，阐述了实验平台的整体硬件结构和软件应用进。采用 Matlab/Simulink实现永磁同步电机控制算法自动代码快速生成，快速验证算法的可行性。采用 LabVIEW 图形化编程实现对 FPGA 板卡资源分配，再通过 Veristand实现控制算法与硬件资源对接，并且快速实现上位机的设计。利用上位机监控系统控制永磁同步电机运行状况，实现永磁同步电机瞬时波形实时观测。该平台功能完善、安全可靠、操作简单，可完成永磁同步电机先进控制算法快速验证。
关键词：永磁同步电机;实验平台;快速控制原型
快速控制原形(RCP)技术近些年快速发展，被广泛应用在航空航天、汽车测试领域，不仅加快了产品的快速研发，而且在复杂环境下开始验证控制算法，减少了实验测试中的故障发生概率，加快先进控制算法在产品中的应用[1-4]。
文献[5-6]采用dSPACE 实时仿真设备设计对永磁无刷直流电机进行了 RCP设计。文献[7]基于 PXI和 RT_LAB实现永磁同步电机快速原形设计，但是使用设备多，增加了系统复杂度，同样也增加了系统成本。文献[8]基于 RT_LAB 设计了三电平 H 桥 RCP实验平台。文献[9]采用 dSPACE 设计了基于 RCP的混合动力控制系统，验证了采用 RCP控制符合实际系统工作需求。文献[10]采用 TI公司 DSP2812实现快速控制原形控制器，采用 Simulink自动代码生成，但是其资源有限，并且只能采用定点运算，制约了它在Simulink中的图形化编程。文献[11]将基于 NIPXI的快速控制原形技术应用在微电网仿真控制中，参与微电网协调控制。
在高校电气工程专业，为培养并提高学生将永磁同步电机控制技术理论与实践快速结合的能力，都很重视快 速 RCP 技 术。但 是 当 前 相 关 永 磁 同 步 电 机RCP技术教学平台的研发却相对较少。为此，本文研制了基于 PXI的永磁同步电机 RCP 教学实验平台。该平台采用 NI控制器+永磁同步电机变频驱动电路结构，其中 NI控制器负责运行控制算法，变频电路负责驱动实际的永磁同步电机。采用 Simulink自动代码生成技术将仿真算法快速生成可执行控制代码，利用 NI-VeriStand软件将生成的永磁同步电机控制算法加载到 NI控制器进行驱动电机运行，无需对控制算法进行二次编程，减少算法验证时间，提高先进算法在永磁同步电机控制应用中的进度与效率，方便学生快速设计并且实现先进的电机控制算法。
1 永磁同步电机 RCP平台设计
1.1 平台硬件组成
如图1所示，实验平台由上位机(PC机)、控制器、变频驱动电路、永磁同步电机组成。
上 位 机 操 作 的 软 件 有 Matlab/Simulink、Lab-VIEW 和 NI-VeriStand，主要负责打包控制程序，然后下载到控制器中，并且监控控制状态。
控制器 主 要 由 NI-PXI控 制 器 和 NI-PXI-FPGA板卡组成。控制器的作用是运行永磁同步电机控制算法，FPGA 板卡首先负责把变频驱动电路传感器采集到的电压/电流模拟信号转换成数字信号，以及采集编码器脉冲并计算电机转速信号，最后将信号传递到控制器中 参 与 运 算;其 次 利 用 其 高 速 并 行 特 性，输 出PWM 脉冲信号驱动变频驱动电路，达到控制实际电机效果。
变频驱动电路与永磁电机组成被控对象，变频驱动电路主要负责功率变换，将直流电变换成交流电驱动永磁同步电机运行。通过磁粉制动器可为永磁同步电机加载，模拟不同工况下的负载变化情况。
1.2 平台软件结构
软件实现方式采用模块化独立编程思想，使学生对整个控制思想和控制流程的理解更加直观方便。采用3种软件(Simulink、LabVIEW 和 VeriStand)对永磁同步电机模块化编程。Simulink主要负责永磁同步电机的控制算法，LabVIEW 主要负责软 FPGA 硬件IO 配置及对应关系，以及PWM 信号产生与高速信号采集的编程，VeriStand主要负责软件集成及下载运行和上位机监控系统的快速实现，实现过程如图2所示。
在 Matlab/Simulink环境下进行永磁同步电机算法仿真以及仿真算法的自动代码生成，快速形成控制器可执行控制代码，能够快速实现算法的验证以及与其他算法对比分析，加快算法的优化速度。
LabVIEW 软件通过对 FPGA 编程，实现实际硬件IO 的不同配置，对高速信号进行快速实时处理。
NI-VeriStand环境的作用主要有2个方面，一是将Simulink自动生成的控制代码和 LabVIEW 生成的IO 配置文件下载到控制器，然后进行相关的配置，实现对永磁同步电机的控制;二是通过 VeriStand软件快速实现对控制电机监控上位机的设计，上位机与控制器通过以太网进行通信，实现对电机实际电压电流瞬时波形的实时监测。
2 实验平台搭建与实验
2.1 永磁同步电机 RCP实验平台搭建实验平台的外观如图3所示。PXI控制器由 NIPXI1071机箱、NIPXI8840控制器和 NIPXI7846RFPGA 板 卡 组 成。VeriStand 软 件 通 过 以 太 网 线 与PXI控制器通信，利用 VeriStand为控制器下载永磁同步电机控制算法并且监控电机状态。
电机驱动电路额定功率为10kW，直流输入电压为560V，交流输出电压为380V。电机驱动电路通过并行数据线与 PXI控制器相连，利用上位机控制并检测电机驱动电路工作状态。
隔离 变 压 器 额 定 容 量 为 10kVA，接 线 方 式 为Yd11，变压器变比为400V∶400V，副边侧与逆变器连接，原边侧与电网连接。
永磁同步电机额定容量为10kVA，额定电压为260V，额定转速为1500r/min，额定电流为22A，转速范围为0～2000r/min，极对数为4。
磁粉制动器加载转矩范围为0～230N·m，永磁电机额定转矩为63N，所以将磁粉制动器转矩限制电机额定转矩范围内。
2.2 永磁同步电机 RCP实验平台监控上位机
RCP技术快速缩短了产品开发周期，同时在教学过程中也增加了学生做实验的快速性与安全性。本文利用 VeriStand软件快速搭建永磁同步电机 RCP 实验平台监控上位机，监控界面如图4所示。主要由平台控制区，平台主要参数监测区和示波区组成。
平台控制区由7个布尔控件，1个速度输入，1个故障指示灯和1个故障代码显示组成。其中7个布尔控件分别是复位、机箱风扇开关、永磁电机风扇开关、预充电继电器开关、运行继电器开关、永磁电机初始角度定位开关和速度启动开关组成。
平台主要参数监测区由直流母线电压监测值 Udc_real、永磁电机有功功率P、永磁电机电磁转矩r_Tn、电机定子三相电流有效值Iu_rms、Iv_rms、Iw_rms、电机转速speed、变流器温度组成。
平台示波区可以观察电机定子电流实时波形详细情况、电机转速r_speed、实验平台直流母线电压 Udc_real和电机功率P 等。通过示波器下方的工具，可以对波形进行拉宽、放大、缩小等操作。
2.4 永磁同步电机运行实验
给定转速为1000r/min空载启动，结果见图6。由图6可知：电机转速r_speed缓慢爬升，当转速稳定后r_speed为1000r/min;空载时永磁同步电机定子电流很小。
图7为电机运行在转速1000r/min下的输出功率为2.25kW 的波形图。由图7可知，电机转速稳定在1000r/min，永磁电机定子电流正弦性能良好。
图8为初始给定转速600r/min时控制磁粉制动器为电机加载，控制负载转矩不变，电机转速指令值由600r/min变为1000r/min的波形图。由图8可知，通过控制，电机转速逐渐稳定在1000r/min，电机定子电流缓慢变化，没有瞬态冲击，说明电机的恒载变速过程控制良好。
图9为带载正反转切换过程，转速由+700r/min变为-700r/min，运转正常。
3 结语为提高永磁同步电机控制教学实验与科研实验的效果，设计了基于 PXI永磁同步电机 RCP 教学实验平台，利用 PXI控制器的丰富资源既可模拟实际控制器，又可快速实现上位机图形化编程，方便学生理解控制原理，控制自动代码生成，易于新控制算法的快速实施与验证。
基于PXI的永磁同步电机RCP教学实验平台设计相关期刊推荐：《实验技术与管理》(月刊)创刊于1963年，是教育部委托清华大学承办的、面向全国各级各类高等学校的、含有社会科学和自然科学的综合技术性期刊。主要栏目：实验室创新栏、实验发展栏、现代教育技术栏、实验技术栏、著名实验、实验室介绍栏、实验室建设与管理栏。还有计算机(网络)技术栏、实验课程改革栏、 实验教学改革与研究栏、教学科研器材供应与管理栏、实验室人物栏及交流与讨论栏等等。
