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基于模型控制電力電子實(shí)驗(yàn)箱--YXMBD-EPBOX10
關(guān)鍵詞：
基于模型設(shè)計(jì)
電力電子仿真
電力電子實(shí)驗(yàn)箱
Simulink
YXMBD
所屬分類(lèi)：
DSP實(shí)驗(yàn)箱
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產(chǎn)品描述
現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展闡述
電力電子技術(shù)作為門(mén)新興的交叉學(xué)科，在能源革命中扮演著重要角色，電力電子技術(shù)的應(yīng)用必須要進(jìn)行相應(yīng)的充分準(zhǔn)備才能將其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，否則該技術(shù)的潛能不能得到工程技術(shù)人員的深刻認(rèn)識(shí)，或者預(yù)期的節(jié)能效果也可能會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電氣工程技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)提出越來(lái)越高的要求，電力電子專(zhuān)業(yè)人員不僅要具備扎實(shí)的理論知識(shí)、全面的計(jì)劃能力，還要掌握接線和參數(shù)設(shè)置等實(shí)踐技能。因此，面向技術(shù)應(yīng)用的高等工程必須要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐導(dǎo)向。
研旭驅(qū)動(dòng)控制器可通過(guò)編程接口實(shí)現(xiàn)自由編程。借助YXSPACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在Matlab®/Simulink®中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變速驅(qū)動(dòng)的快速仿真，然后將生成的代碼程序?qū)懭腧?qū)動(dòng)控制器中。在可變負(fù)載條件下，學(xué)生還可以使用拓展工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜分析。Matlab®/Simulink®是高等院校廣泛使用的實(shí)驗(yàn)和科研軟件，研旭電力電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)與該軟件的實(shí)時(shí)互動(dòng)操作，為電力電子和驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研提供了一種新方式。
一、YXMBD系列簡(jiǎn)介
為了支持高校電力電子和半實(shí)物仿真的教學(xué)，南京研旭特推出了基于模型設(shè)計(jì)的電力電子和運(yùn)動(dòng)控制系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品可以滿足電氣工程、電力電子、自動(dòng)化和控制科學(xué)等工科學(xué)科相關(guān)的教學(xué)與科研需求。
系統(tǒng)提供給學(xué)生從電路原理，電路構(gòu)建，到Simunlnk模型設(shè)計(jì)以及仿真，直至最后實(shí)際功率電路驗(yàn)證等一整套學(xué)習(xí)過(guò)程。這樣學(xué)生可以首先了解理論層，然后通過(guò)離線仿真對(duì)理論層加深理解，進(jìn)而再對(duì)實(shí)際硬件進(jìn)行控制，獲得真實(shí)的控制數(shù)據(jù)。讓學(xué)生更加清晰的了解理論、仿真與實(shí)際硬件控制的關(guān)系。
針對(duì)基礎(chǔ)教學(xué)方面，YXMBD-EPBOX10提供了豐富的實(shí)驗(yàn)例程，可以完成《電力電子技術(shù)》、《自動(dòng)控制原理》等課程的相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)例程從基礎(chǔ)的電路原理介紹、Simulink搭建仿真模型、實(shí)際硬件控制等層次入手，由淺入深，循序漸進(jìn)的指導(dǎo)學(xué)生。
二、系統(tǒng)組成
YXMBD-EPBOX10基于模型設(shè)計(jì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含SP1000快速原型控制器、電力電子功率板及可調(diào)直流電源。每個(gè)平臺(tái)都有獨(dú)立的接口，方便拆卸，同時(shí)配備獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教程及實(shí)例介紹，平臺(tái)資源豐富，資源齊全。
圖1 系統(tǒng)實(shí)物圖
圖2 系統(tǒng)組成圖
系統(tǒng)組成介紹：
?SP1000快速原型控制器：系統(tǒng)核心控制器，DSP+FPGA雙核架構(gòu)，Simulink模型一鍵下載，加載后可與VIEW1000上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)跟蹤，波形監(jiān)控或者在線調(diào)參。
?電力電子實(shí)驗(yàn)箱：實(shí)驗(yàn)箱包含BUCK、BOOST以及全橋電路，可以實(shí)現(xiàn)直流的升降壓和交直流的整流及逆變，且功率板有成熟的硬件保護(hù)電路，當(dāng)電壓或電流超過(guò)保護(hù)值時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷電源的輸入。
?可調(diào)直流穩(wěn)壓電源：小體積的直流穩(wěn)壓源，支持電壓0~60V,電流0~6A的直流輸出，完全滿足電力電子實(shí)驗(yàn)箱的電源需求。
?Matlab：Simulink 是 MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，模型搭建完成后，可以一鍵下載到控制器中，省去復(fù)雜的設(shè)置過(guò)程。
?VIEW1000：研旭自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，采用以太網(wǎng)通訊，用于實(shí)現(xiàn)與SP1000的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，方便客戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，波形監(jiān)控及在線調(diào)參等功能。
三 : 產(chǎn)品核心設(shè)備介紹
3.1 SP1000快速原型控制器
RCP控制器特點(diǎn)
研旭公司推出的YXSPACE產(chǎn)品系列，能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的圖形化的高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實(shí)際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：
控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅(qū)動(dòng)接口綁定后，再結(jié)合TI公司的CCS編譯工具產(chǎn)生可執(zhí)行文件，下載至YXSPACE控制器中運(yùn)行。
研旭YXSPACE-VIEW1000軟件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制過(guò)程中的各類(lèi)運(yùn)行量，包括采集量、中間控制變量等。YXSPACE-VIEW1000包括了6類(lèi)監(jiān)控功能，分別為功能按鈕、通用DO按鈕、通用DI指示燈、波形顯示、設(shè)定數(shù)值、回顯數(shù)值等。用戶可以借助這些功能，直觀、方便的了解控制器內(nèi)部運(yùn)行的詳細(xì)信息。
控制器資源
3.2 實(shí)驗(yàn)功率板
3.3 實(shí)驗(yàn)管理及課程培訓(xùn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)主界面
? 創(chuàng)新的交互式實(shí)驗(yàn)課程軟件，提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的各種支持。它不僅提供實(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)，還提供相關(guān)理論知識(shí)講解介紹，記錄測(cè)量結(jié)果，并可導(dǎo)出各類(lèi)數(shù)據(jù)。
? 實(shí)驗(yàn)課程軟件需集成所有的實(shí)驗(yàn)例程，統(tǒng)一在一個(gè)軟件中運(yùn)行，可一鍵打開(kāi)，自動(dòng)完成程序的下載、仿真以及數(shù)據(jù)的在線觀測(cè)。
? 實(shí)驗(yàn)課程軟件需提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的各種支持。包括但不限于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，相關(guān)理論知識(shí)講解、自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，導(dǎo)出各類(lèi)數(shù)據(jù)。
? 支持Matlab運(yùn)行環(huán)境及Simulink實(shí)驗(yàn)仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程，可直接一鍵打開(kāi)模型并自動(dòng)搭建UI界面，提供離線模式和在線模型，可直接進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
? 每一個(gè)例程都提供離線仿真模型和實(shí)物控制模型，學(xué)生導(dǎo)入模型，進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)物控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
? 原理理論學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論內(nèi)容與輔助教學(xué)視頻，可由教師機(jī)進(jìn)行管理。
獨(dú)立例程說(shuō)明書(shū)集成可直接打開(kāi)
? 集成所有實(shí)驗(yàn)例程，系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的Simulink控制模型，無(wú)需打開(kāi)其他軟件。
? 可導(dǎo)入預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)控制界面，集成章節(jié)化的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明手冊(cè)，在實(shí)驗(yàn)工程文件基礎(chǔ)上按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行控制操。
離線matlab模型集成調(diào)用
在線matlab模型集成調(diào)用
? 可自動(dòng)抓取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，若有其他開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，可自己建立相關(guān)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
? 可自動(dòng)保存實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，支持自主導(dǎo)入控制模型，進(jìn)行快速原型控制器的程序一鍵生成與燒寫(xiě)。
實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板
Mat錄波數(shù)據(jù)顯示
? 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并具備錄波功能，波形數(shù)據(jù)可直接在matlab或第三方軟件中打開(kāi)并查看。
四 : 實(shí)驗(yàn)例程
1、基礎(chǔ)操作實(shí)驗(yàn)
1.1 基于模型開(kāi)發(fā)（MBD）理念介紹
1.2 快速原型控制器（RCP）介紹
1.3 RCP控制器與matlab對(duì)接操作
1.4 Simulink離線模型的分割與硬件模型庫(kù)的調(diào)用
1.5 RCP實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控系統(tǒng)界面的搭建
2、開(kāi)環(huán)控制實(shí)驗(yàn)
2.1 PWM、SPWM調(diào)制原理及Simulink實(shí)現(xiàn)
2.1 Boost升壓DC-DC直流-直流變換實(shí)驗(yàn)-開(kāi)環(huán)（離線模型+在線模型）；
2.2 Buck降壓DC-DC直流-直流變換實(shí)驗(yàn)-開(kāi)環(huán)（離線模型+在線模型）；
2.3 離網(wǎng)逆變DC-AC直流-交流變換實(shí)驗(yàn)-閉環(huán)（離線模型+在線模型）；
3、閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)
3.1 Boost升壓DC-DC直流-直流變換實(shí)驗(yàn)-閉環(huán)（離線模型+在線模型）；
3.2 Buck降壓DC-DC直流-直流變換實(shí)驗(yàn)-閉環(huán)（離線模型+在線模型）；
3.3 交流整流AC-DC交流-直流變換實(shí)驗(yàn)（離線模型+在線模型）；
3.4 離網(wǎng)逆變DC-AC直流-交流變換實(shí)驗(yàn)-閉環(huán)（離線模型+在線模型）；
3.5 并網(wǎng)逆變DC-AC直流-交流變換實(shí)驗(yàn)（離線模型+在線模型）；
4、進(jìn)階創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)
4.1 光伏離網(wǎng)逆變DC-DC-AC直流-直流-交流兩級(jí)變換實(shí)驗(yàn)（離線模型+在線模型）；
4.2 光伏并網(wǎng)逆變DC-DC-AC直流-直流-交流兩級(jí)變換實(shí)驗(yàn)（離線模型+在線模型）；
4.3 交流整流AC-DC-DC交流-直流-直流兩級(jí)變換實(shí)驗(yàn)（離線模型+在線模型）；
五 : 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂刂剖纠?/strong>
5.1 離線仿真：打開(kāi)并網(wǎng)逆變DC-DC-AC示例Simulink離線模型。
標(biāo)注1和2為BOOST升壓的電路和控制算法部分；
標(biāo)注3和4是并網(wǎng)逆變的電路和控制算法部分；
圖5.1.1 為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流
圖5.1.2 仿真模型電壓與電流圖
5.2 實(shí)物仿真：
雙擊打開(kāi)MBD1000軟件，在工具欄中單擊“實(shí)驗(yàn)”，然后點(diǎn)擊“綜合實(shí)驗(yàn)”并選擇實(shí)驗(yàn)八：光伏并網(wǎng)逆變DC-DC-AC直流-直流-交流兩級(jí)變換實(shí)驗(yàn)。
打開(kāi)已搭建好模型“Boost_GRID.slx”
圖中紅色標(biāo)注：
1、ADC 采集模塊；
2、開(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)置；
3、實(shí)際控制部分；
4、硬件部分的使能與繼電器開(kāi)關(guān)；
第3部分打開(kāi)后如下圖所示：
（1）延時(shí)2S后給出使能信號(hào)；
（2）逆變實(shí)際控制部分的模型；
（3）升壓實(shí)際控制部分的模型；
第（2）部分展開(kāi)：
1)計(jì)算出實(shí)際采到的交流電壓有效值；
2)將設(shè)定的逆變電壓有效值參考值與實(shí)際交流電壓有效值的差值進(jìn)行PI計(jì)算
3)將占空比與參考波乘積得到逆變占空比；
4)占空比傳輸模塊：將計(jì)算得到的占空比，通過(guò) PWM1A_DUTY 模塊傳輸?shù)絇WM模塊進(jìn)行 PWM 信號(hào)的輸出；
第（3）部分展開(kāi)：
1)將GetData_ch2設(shè)定的升壓電壓值與高壓端電壓做差值代入PI環(huán)即電壓外環(huán)得到基準(zhǔn)電流；
2)將基準(zhǔn)電流與實(shí)際高壓端電流值作比較得到的差值代入PI環(huán)即電流內(nèi)環(huán)中計(jì)算占空比；
3)在仿真開(kāi)始階段根據(jù)高壓端和低壓端電壓給出一個(gè)初始占空比；
4)占空比傳輸模塊：將計(jì)算得到的占空比，通過(guò) PWM1A_DUTY 模塊傳輸?shù)?PWM模塊進(jìn)行 PWM 信號(hào)的輸出
5.3 控制界面：
模型運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)上位機(jī)界面查看控制效果，運(yùn)行結(jié)果如下圖5.3.1所示，同時(shí)可以點(diǎn)擊“錄波”按鈕，以備后期分析數(shù)據(jù)；
圖5.3.1 運(yùn)行結(jié)果
可將保存的數(shù)據(jù)xx.mat放入MATLAB查看，采用Matlab的繪圖工具對(duì)波形進(jìn)行分析
下圖5.3.2為交流電壓波形圖；
圖5.3.2 交流電壓波形
交流電流在不同的有功電流限制下的波形如下圖5.3.3 所示；
圖5.3.3 交流電流波形
可以看出，隨著有功電流的增加，交流電流也隨著變大。
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