李永越，劉潤杭，郝赫，周玉，呂佳奇，馬駿杰

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海 264300）

專業(yè)實驗教學是培養(yǎng)大學生尤其是理工科大學生綜合能力和提高理工科大學生綜合素質(zhì)的最重要手段之一。隨著科技進步和社會發(fā)展，以及學科發(fā)展和專業(yè)調(diào)整，專業(yè)知識更新較快、專業(yè)教學內(nèi)容變化較大，需不斷創(chuàng)新和解決的問題較多，培養(yǎng)專業(yè)實踐技能的儀器設(shè)備需要不斷更新。高校現(xiàn)行的實驗教學管理運行機制和專業(yè)實驗教學儀器設(shè)備等條件，普遍難以滿足專業(yè)實踐綜合動手能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的要求，與高校高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的矛盾日顯突出[1-2]，因此，需自主研制實驗教學儀器設(shè)備來提升專業(yè)實驗教學水平[3-5]。

1 實驗教學平臺設(shè)計

1.1 技術(shù)路線

項目組將采用先進、可行的研究方法和步驟。遵循圖1 所示的技術(shù)路線進行研究。

圖1 技術(shù)路線

1.2 基于Matlab虛擬實驗平臺的搭建

Matlab 作為自動化、電力電子技術(shù)、電機學主要的虛擬仿真環(huán)境，在項目開發(fā)時為工程師節(jié)省了很多時間[6-7]，將虛擬環(huán)境下的仿真模型無縫地切換到真實的數(shù)字平臺運行是目前研究的重點。不少高校及研究單位已經(jīng)購買了基于F28x 的虛擬仿真環(huán)境，但價格極其昂貴，不具備推廣性，因此，自主開發(fā)一套便于實現(xiàn)和推廣的基于Matlab 虛擬環(huán)境下的數(shù)字化代碼仿真平臺迫在眉睫。

基于正在進行的國家級大創(chuàng)項目《全數(shù)字可視化異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)》（項目號：201910214004）的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化Matlab 虛擬代碼仿真在電力電子數(shù)字化開發(fā)中的應用技術(shù)。利用已搭建的開放式Matlab 虛擬環(huán)境直接仿真DSP 真實代碼，模擬DSP 代碼在硬件中的執(zhí)行情況。優(yōu)化建立CCS 與Matlab 關(guān)于COFF 格式文件間的數(shù)據(jù)傳輸通道及M語言與C 語言之間的邏輯?；驹砣缦拢?/p>

DSP 盒以Matlab 的S-Function Block 為 基礎(chǔ)進行虛擬構(gòu)建，并且加以封裝，使用固化的外部輸入輸出信號作通道，將虛擬DSP 與代碼進行對應。即代碼編譯通過后將可執(zhí)行文件（.out）直接加載到Matlab的模型中進行仿真。這種做法的優(yōu)點很明顯，仿真時只需修改目標代碼，通過后該代碼可直接用于樣機實驗；由于信號已經(jīng)同固化函數(shù)進行對應，數(shù)學模型就像黑盒。

1.3 嵌入式運動控制學習開發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建

嵌入式運動學習開發(fā)系統(tǒng)以DSP 為核心，搭建數(shù)字化控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路采用光耦隔離的分離式結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)器件避免了SCR 等電流控制器件體積大、驅(qū)動電路復雜等缺點，采用高壓、大電流壓控式IGBT，以減少硬件系統(tǒng)的體積，提高硬件系統(tǒng)的功率密度。主電路采用電力電子中主流的交-直-交拓撲結(jié)構(gòu)；加載SPWM、SVPWM、VVVF 等控制算法，通過外部調(diào)頻調(diào)速按鈕，實現(xiàn)三相異步電動機的調(diào)速。

1.3.1 基于IR2110的自舉電路

采用常規(guī)的光電隔離和變壓器隔離驅(qū)動方式時，有一個共同的缺點就是需要輔助電源。當驅(qū)動多個IGBT 或MOSFET 等功率器件時，驅(qū)動電路的設(shè)計主要考慮上橋驅(qū)動電源的浮地問題[8-9]。解決這個問題有兩種方法：一種是多電源驅(qū)動方式，缺點是增加了電源數(shù)量，增加了成本；另一種是采用自舉技術(shù)，如圖2 所示。

圖2 自舉電路

當上管V1關(guān)斷，下管V4導通時，N點電位為＋15 V電源，M 點為＋15 V，若忽略二極管D1的導通壓降，則自舉電容C5的電壓為＋15 V；而當上管V1導通，下管V4關(guān)斷時M 點的電壓為Vdc，而N 點電位由于自舉電容C5電壓不能瞬變，N點瞬時電位為（Vdc＋15）V，則自舉二極管D1承受反壓關(guān)斷，從而保護＋15 V 電源。自舉二極管需采用高耐壓的快速恢復二極管，該例中D1采用FR107（反向耐壓700 V，1 A）。自舉電容C5需采用較大電容值（系統(tǒng)取為100 μF），在載波頻率為20 kHz 的條件下自舉電容的電壓波動不超過100 mV，從而保證上橋功率開關(guān)管能夠安全、可靠地運行[10-12]。

IR2110 的優(yōu)點有以下兩點：

1）自舉懸浮驅(qū)動電源，可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩個開關(guān)器件,可驅(qū)動500 V 主電路系統(tǒng),工作頻率高，能達到500 kHz；

2）驅(qū)動電路簡單，典型應用電路如圖3 所示，圖中采用5～20 V 電源（VDD），用于TTL 和CMOS 邏輯信號輸入，圖中VCC為門極驅(qū)動電源，一般在10～20 V 左右。COM 與VSS的連接使VDD與VCC可共用同一個典型值為＋15 V 的電源，為后者起到了良好的路徑。

圖3 IR2110典型應用電路

在圖2 中，C2是一個自舉電容器，VCC給D1、C2、負載、VT2充電，以確保T1管的柵極通過由C2提供的能量來驅(qū)動，從而實現(xiàn)自舉驅(qū)動。由此可見，T1在周期內(nèi)，每開關(guān)一次，C2就會受到影響，并且會在同周期內(nèi)通過T2開關(guān)充電一次，由此可見，輸入信號HIN、LIN 的PWM 脈沖頻率和脈沖寬度也會通過每個周期的開關(guān)，進而影響自舉電容C2的充電。當PWM 在低頻下工作時，T1導通的脈寬較窄時，很容易滿足自舉電壓8.3 V；反之，則無法實現(xiàn)自舉。因此，必須合理設(shè)置PWM 開關(guān)頻率和占空比的調(diào)整范圍。實際，自舉電容上的電壓僅為電源電壓VCC，電荷以及最長的導通時間會限制電容[13-16]。

1.3.2 簡化SVPWM發(fā)波算法

傳統(tǒng)SVPWM 算法需坐標變化和復雜的運算，經(jīng)研究，提出了一種偏置的SVPWM發(fā)波算法，原理如下：

為了新的發(fā)波算法，首先將偏置電壓voffset(t)與式（1）相電壓結(jié)合，波形如圖4 所示。

圖4 加入偏置電壓所得波形

在三相給定為正弦波的情況下擬合出三次諧波，如圖5 所示。陰影部分就是通過三相平衡正弦波擬合出的偏置電壓。

圖5 voffset(t)的生成

同理，先取三相載波電壓的最大值和最小值，如式（3）所示：

電壓偏置分量如式（4）：

由此，可以得到新穎的偏置型PWM 發(fā)波算法控制框圖，如圖6 所示，仿真模型如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖6 偏置型PWM發(fā)波算法控制框圖

圖7 仿真模型

圖8 仿真結(jié)果

1.4 控制器的小型化、全數(shù)字化、便攜式的研究

在已經(jīng)結(jié)項的國家級創(chuàng)新訓練計劃《虛擬環(huán)境下DSP 真實代碼仿真技術(shù)在三相四橋臂電路中的研究》(項目號：201710214018)的基礎(chǔ)上開發(fā)下一代控制裝置。充分發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)運算能力，通過軟件方式合理高效地利用片上資源，減少硬件設(shè)計成本。除此之外，DSP和FPGA 具有靈活多變的代碼燒錄、軟件升級方式，不僅可以現(xiàn)場升級代碼，還可以在異地通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式進行升級，為系統(tǒng)提供了多種保障。

1.5 實驗教學平臺

實驗教學平臺實物圖如圖9 所示。

圖9 實驗教學平臺實物圖

2 實驗教學平臺優(yōu)勢

2.1 優(yōu)化電路布局

將信號級與功率級電路進行優(yōu)化布局，并將DSP 最小系統(tǒng)與主控板設(shè)計成可插拔結(jié)構(gòu)，推出了適合主控板的F28335 產(chǎn)品和F28004 產(chǎn)品。

2.2 加強系統(tǒng)集成

實驗教學平臺在硬件電路的設(shè)計中采用集成化、口袋化設(shè)計，例如采用“自舉電路”設(shè)計，將前兩代產(chǎn)品中所需的體積龐大的IGBT 驅(qū)動電源進行了集成。在整套系統(tǒng)尺寸大小不足B5 紙的情況下依舊滿足實驗要求，電機調(diào)速功率達到2 kW。

2.3 采用虛擬仿真技術(shù)提升效率

為加速軟件開發(fā)，該系統(tǒng)配套開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DSP 真實代碼仿真技術(shù)。通過在Matlab中建立的C28x 內(nèi)核，直接模擬DSP 代碼在硬件中輸出波形，通過Matlab 觀測波形，進而使DSP 中的程序得到可觀的驗證。

2.4 打造開放式系統(tǒng)

該系統(tǒng)提供多套控制代碼，在硬件上預留了可選通逆變器、LC 濾波器及傳感器的接口，為用戶提供了并網(wǎng)逆變器控制的硬件平臺。此外該系統(tǒng)還支持多類型電機接口、并引出DSP 片上所有的88 路GPIO 信號，為用戶提供了二次開發(fā)的可能。

2.5 更利于進行實驗設(shè)計

實驗教學平臺的實驗開發(fā)板是“三合一教學板”，既可以滿足基本DSP 教學實驗，例如，GPIO 實驗、串口實驗、CAN 收發(fā)實驗、ADC 實驗、SPWM 算法以及按鍵輸入實驗，也能進行三相逆變實驗、異步電機調(diào)速實驗。

3 結(jié)束語

實驗教學平臺的設(shè)計能夠讓實驗和教學平臺得到融合，使學生對實驗的理解更加深入，讓教學內(nèi)容更加豐富。自制嵌入式運動控制系統(tǒng)的設(shè)計，既可以滿足現(xiàn)代教學發(fā)展的需要，又能融合到現(xiàn)代的實驗中，能讓學生體驗到設(shè)計專業(yè)實驗方案，親自動手解決問題，能夠讓學習更加具有系統(tǒng)性。利用專業(yè)所學，在實踐中務(wù)實理論知識，提高專業(yè)素質(zhì)，為今后的學習和工作沉淀經(jīng)驗。因此，根據(jù)自身需要研制出開放、靈活的教學儀器供學生使用，更有利于人才的培養(yǎng)。

該項目以自制實驗教學儀器為背景，通過搭建開放式Matlab 虛擬環(huán)境DSP 真實代碼仿真平臺，利用新穎的SVPWM 發(fā)波算法，以主流DSP 為核心構(gòu)建嵌入式運動學習開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了基于IR2110 的“自舉電路”，解決了橋驅(qū)動電源的浮地問題，并且具有小型化、全數(shù)字化、可視化、便攜式的優(yōu)點，有利于學生在實踐探索中進行自主學習。且該嵌入式運動學習開發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)用于我校電氣工程專業(yè)《運動控制系統(tǒng)》課程的實驗教學環(huán)節(jié)，性能穩(wěn)定且反饋良好。該系統(tǒng)還可用于《電力電子技術(shù)》、《電源變換技術(shù)》、《DSP 原理與應用》、《電動汽車新技術(shù)》等多門課程的實驗教學環(huán)節(jié)，能夠更好地實現(xiàn)教學儀器和專業(yè)實驗教學內(nèi)容的有機結(jié)合，值得推廣。