1. 概述

當(dāng)前在本科階段的電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，直流電機(jī)、三相異步電機(jī)等傳統(tǒng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)已相對(duì)完善。近年來，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)中的電機(jī)及電力拖動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新方法、新技術(shù)。特種電機(jī)實(shí)驗(yàn)室旨在拓展學(xué)生的實(shí)踐范圍，在傳統(tǒng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入更多的特種類型電機(jī)，包括：交流永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。通過特種電機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，讓學(xué)生接觸更多不同類型電機(jī)的工作特性，并掌握對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制技術(shù)。

在具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)上，本著將科研與教學(xué)結(jié)合，將之前僅用于研究生實(shí)驗(yàn)的半實(shí)物仿真技術(shù)引入本科教學(xué)環(huán)節(jié)，讓更多的高年級(jí)本科生能在學(xué)校階段接觸更先進(jìn)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)手段，為將來走向工作崗位或繼續(xù)深造拓寬眼界、夯實(shí)基礎(chǔ)。

2 .伺服電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例特征優(yōu)勢

?支持RCP快速原型設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)用戶的MATLAB/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；

?實(shí)時(shí)性能：實(shí)時(shí)仿真機(jī)底層采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，周期定時(shí)抖動(dòng)小于20us，可實(shí)現(xiàn)控制周期50us~100us的電機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真驗(yàn)證；

?平臺(tái)應(yīng)用：基于本平臺(tái)，用戶可進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)調(diào)制方法研究（SVPWM）、控制算法研究（傳統(tǒng)PI控制、分?jǐn)?shù)階控制、控自抗擾控制、滑模變結(jié)構(gòu)制、反步控制等），參數(shù)辨識(shí)（最小二乘、相關(guān)辨識(shí)等）和自整定技術(shù)研究及其應(yīng)用，以及無位置傳感器控制技術(shù)研究及應(yīng)用等；

?適用電機(jī)種類：交流永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)；

?硬件資源：平臺(tái)集成了實(shí)時(shí)仿真機(jī)（控制原型）、功率驅(qū)動(dòng)模塊、多電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)等；

?DSP自動(dòng)代碼生成：支持Simulink模型轉(zhuǎn)C語言源碼的DSP代碼自動(dòng)生成功能；

?安全性：平臺(tái)集成了過壓、過流、剎車制動(dòng)等硬件保護(hù)功能，以及PWM死區(qū)時(shí)間設(shè)置錯(cuò)誤等軟件保護(hù)功能，確保用戶設(shè)備安全。

3.實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

特種電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃布置15套小功率+2套中功率多電機(jī)控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，每套設(shè)備可滿足2~3人完成電機(jī)控制率設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。下圖是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備整體規(guī)劃布局：

圖1 實(shí)驗(yàn)室布局圖

實(shí)驗(yàn)室布局說明（具體可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）：

房間：15*7m，門*2，窗戶*4，層高：2.4 m（正常辦公室層高即可）

實(shí)驗(yàn)桌*17：1.5*0.8m，擺放電腦*17

講臺(tái)*1：2.0*1.0m，擺放電腦*1，其他設(shè)備若干

供電：單相交流220V，50Hz，20kW；

4.伺服電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成

4.1小功率多電機(jī)控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

小功率多電機(jī)控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由開發(fā)主機(jī)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)和多電機(jī)實(shí)驗(yàn)箱組成，系統(tǒng)的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發(fā)主機(jī)端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機(jī)控制系統(tǒng)建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行；

2）實(shí)時(shí)仿真機(jī)運(yùn)行電機(jī)控制模型實(shí)時(shí)代碼，并通過I/O接口與多電機(jī)實(shí)驗(yàn)箱連接，采集驅(qū)動(dòng)模塊的相電流、電壓信號(hào)，以及霍爾、編碼器等電機(jī)信號(hào)，同時(shí)輸出AO、PWM、DO等控制信號(hào)；

3）多電機(jī)實(shí)驗(yàn)箱中的4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，接收實(shí)時(shí)仿真機(jī)控制信號(hào)，最終輸出驅(qū)動(dòng)電流帶動(dòng)4臺(tái)電機(jī)工作。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖所示：

4.1中功率多電機(jī)控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中功率多電機(jī)控制半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由開發(fā)主機(jī)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)、電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)組成，系統(tǒng)的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發(fā)主機(jī)端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機(jī)控制系統(tǒng)建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行；

2）實(shí)時(shí)仿真機(jī)運(yùn)行控制模型實(shí)時(shí)代碼，并通過多功能采集卡與研發(fā)型驅(qū)動(dòng)器連接，采集驅(qū)動(dòng)器的相電流、母線電壓、編碼器信號(hào)，輸出3組（6路）互補(bǔ)型PWM信號(hào)直接控制研發(fā)型驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)側(cè)）中三相逆變橋的IGBT導(dǎo)通或截止，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制；

3）同時(shí)，實(shí)時(shí)仿真機(jī)通過模擬量控制商業(yè)型驅(qū)動(dòng)器（負(fù)載側(cè)），使負(fù)載電機(jī)向同軸連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加期望的反向轉(zhuǎn)矩，并采集扭矩傳感器信號(hào)，以此檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在恒定或變負(fù)載的下控制效果。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖所示：