彭 飛， 金家東， 黃允凱， 徐志科， 顧 偉

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 南京 210096)

電機控制類課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程，其教學(xué)目的是使學(xué)生了解電機控制技術(shù)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、模型，掌握直流電機、交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)典控制方法。

有刷直流電機具有良好的起動、調(diào)速和制動性能，在許多需要大范圍調(diào)速或正反轉(zhuǎn)頻繁切換的場合中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。直流調(diào)速簡單易學(xué)，是將自動控制原理與實踐相結(jié)合的最佳切入點，也是學(xué)習(xí)交流調(diào)速的基礎(chǔ)。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁無刷電機以其體積小、損耗低等特點，逐步取代有刷直流電機和交流異步電機，成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。根據(jù)控制方式，永磁無刷電機可以分為模仿直流電機調(diào)壓調(diào)速的永磁無刷直流電機BLDC(Brushless DC Motor)，和按交流電機調(diào)頻調(diào)速的永磁無刷交流電機BLAC(Brushless AC Motor)，也稱永磁同步電機PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)。在掌握直流調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)永磁無刷電機的調(diào)速技術(shù)，特別是交流調(diào)速技術(shù)，是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的實際需求。

為幫助學(xué)生更好地理解直流調(diào)速和交流調(diào)速的相關(guān)知識，電機控制仿真平臺被引入到教學(xué)中來[2-4]。仿真平臺雖然操作簡單，但較為抽象和理想化，與實際的電機控制系統(tǒng)存在一定差距，對學(xué)生理解知識提供的幫助有限。而實驗教學(xué)可以清晰地展示直流調(diào)速及交流調(diào)速的知識體系，更貼合實際應(yīng)用，所以構(gòu)建電機控制教學(xué)實驗平臺具有更重要意義[5]。

本文基于Matlab/Simulink及TI的C2000系列微控制器，構(gòu)建了交直流電機控制線上線下混合教學(xué)實驗平臺，可實現(xiàn)有刷直流電機、BLDC和PMSM的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制類實驗，也可實現(xiàn)高階的無位置傳感器控制、參數(shù)估計等類型實驗，稍加改動，也可以用于其他類型電機的控制實驗。下面將詳述實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)。

1 硬件配置

教學(xué)實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，主要包括電機臺架、雙電機驅(qū)動器、直流電源、上位機、攝像頭及示波器等，圖1(b)為所搭建的教學(xué)實驗平臺的實物照片。電機臺架由一臺有刷直流電機和一臺永磁無刷電機同軸相連組成，永磁無刷電機的轉(zhuǎn)子上安裝了光電編碼器，用于感知兩臺電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。雙電機驅(qū)動器由控制單元、功率模塊以及必要的外圍電路組成，接收來自上位機的指令，然后采集兩臺電機運行過程中的電流、直流電壓和編碼器提供的位置信息，通過一定的算法，控制兩臺電機。直流電源為雙電機驅(qū)動器供電。攝像頭連接在上位機上，用于觀察電機臺架的運行狀態(tài)，示波器通過網(wǎng)線與上位機相連，利用示波器控制軟件可以在上位機上觀察示波器顯示的波形，并對示波器進行在線操作。學(xué)生做實驗時，可以選擇在上位機上實際操作，也可以通過遠(yuǎn)程桌面連接到上位機上，使用上位機的屏幕，從而實現(xiàn)線上線下混合實驗教學(xué)。

(a)電機教學(xué)實驗平臺

上位機上的實驗界面如圖2所示。右上角為攝像頭拍攝的實驗平臺實時畫面，右下角為示波器的顯示的波形。左下角為實驗用到的Matlab/Simulink模型，左上角為Simulink模型中的scope模塊顯示的實時實驗數(shù)據(jù)。

電機臺架上的有刷直流電機與永磁無刷電機同軸連接，實驗時，一臺電機作為電動機，另一臺作為負(fù)載，工作在發(fā)電機狀態(tài)。比如，在進行PMSM的轉(zhuǎn)速控制實驗時，有刷直流電機作為負(fù)載，對其進行電流控制，就可以控制其轉(zhuǎn)矩，完成對PMSM的加載。在進行PMSM的轉(zhuǎn)矩控制實驗時，有刷直流電機可以通過轉(zhuǎn)速控制使PMSM的轉(zhuǎn)速保持在設(shè)定值。在進行有刷直流電機的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩控制實驗時，PMSM作為負(fù)載，控制方法與上述類似。

圖2 上位機實驗界面

雙電機驅(qū)動器為兩臺電機供電，并共用直流母線。因此，負(fù)載電機發(fā)出的電能可以回饋到直流母線上，與電源一起向電動機供電。這種設(shè)計相比于傳統(tǒng)磁粉制動器，或能耗電阻的加載方式，更加節(jié)能且靈活，對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制也更準(zhǔn)確，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，特別適用于小功率電機實驗室臺。

雙電機驅(qū)動器選用TI的LAUNCHXL-F28069M評估板作為控制單元。評估板配置的TMS320F28069型32位MCU，主頻90 MHz，支持浮點運算，計算速度快，存儲容量充裕，有8路PWM輸出、16路12位ADC通道、異步串行通信模塊以及QEP模塊，完全滿足教學(xué)實驗平臺的需求。評估板板載XDS100v2 JTAG調(diào)試器，可以開展靈活多樣的實驗內(nèi)容。功率模塊采用兩塊TI的DRV8301評估板，分別為兩個電機供電。該模塊包含三相六橋臂逆變器、電流電壓采樣電路，可直接對直流母線電壓、直流電機電樞電流及永磁無刷電機三相電流進行采樣，無需另外制作電流電壓采樣電路。

2 功能實現(xiàn)

2.1 控制理論類實驗

電機控制類課程通常安排在“電機學(xué)”、“自動控制原理”課程之后，初學(xué)時學(xué)生學(xué)習(xí)的重點在于控制理論和方法的應(yīng)用與實踐。例如經(jīng)典的PID控制，學(xué)習(xí)的難點是PID參數(shù)的整定，常用的整定方法有零極點對消法、極點配置法、Ziegler-Nichols頻域響應(yīng)法、響應(yīng)曲線法等。學(xué)生依據(jù)實驗平臺電機參數(shù)可采用上述方法來整定PID參數(shù)，雖然通過仿真也可以比較不同PID參數(shù)的控制效果，但理論計算和仿真會不會和實際系統(tǒng)一致呢？本實驗平臺基于Matlab的Matlab/Simulink Desktop Real-Time功能設(shè)計了控制理論類實驗，通過MCU中預(yù)先存儲的電機控制程序與上位機程序配合，實時觀察不同控制參數(shù)對電機轉(zhuǎn)速和電流響應(yīng)的影響，體會控制參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響，對比理論分析、仿真計算和實驗結(jié)果的差異，提升課程學(xué)習(xí)效果。

MCU中電機控制程序流程如圖3所示，在完成各模塊初始化和電機初始定位后，主函數(shù)負(fù)責(zé)與上位機進行通信，接收控制指令和參數(shù)修改指令，并將MCU采樣的實驗數(shù)據(jù)上傳到上位機。ADC采樣完成的中斷服務(wù)程序則利用采樣的電流、電壓值以及計算得到的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速值，通過PWM模塊，驅(qū)動功率模塊對電機進行控制。

(a)主函數(shù)流程圖 (b)中斷服務(wù)函數(shù)流程圖圖3 控制程序流程圖

上位機程序利用Simulink-DesktopReal-Time的I/O驅(qū)動庫，通過串行接口與雙電機驅(qū)動器通信，實現(xiàn)控制指令下發(fā)和采樣數(shù)據(jù)的回傳。以采用磁場定向控制方法的PMSM實驗為例，設(shè)計的上位機程序界面如圖4所示，主要分為指令下發(fā)和數(shù)據(jù)回傳兩部分。修改對應(yīng)的參數(shù)選項框或者撥動開關(guān)，對應(yīng)的指令即可下發(fā)至MCU，并修改控制程序中對應(yīng)的參數(shù)，實現(xiàn)對電機的控制。數(shù)據(jù)回傳部分用于接收MCU上傳的采樣數(shù)據(jù)，其波形可在scope中實時顯示。為保證實驗安全，設(shè)置了狀態(tài)指示燈，用于指示參數(shù)給定溢出以及未停機時更改電動機選項等錯誤操作。

圖4 控制理論類實驗上位機控制模型

學(xué)生實驗時，選擇不同的方法設(shè)計控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，通過上位機程序改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察實驗波形，分析比較不同調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。例如，給定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，負(fù)載電流2 A，記錄不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI參數(shù)情況下電機轉(zhuǎn)速的變化過程，結(jié)果如圖5所示。與此類似的，本平臺還可提供滯環(huán)控制、滑?？刂频确椒ㄖ锌刂茀?shù)設(shè)置的實驗。

(a)P參數(shù)不同

2.2 電機控制方法類實驗

在對控制理論有了進一步認(rèn)識之后，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點轉(zhuǎn)入到對電機控制方法的研究上，如恒壓頻比控制、磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等?？紤]大多數(shù)學(xué)生的硬件設(shè)計和編程基礎(chǔ)較弱，本實驗平臺基于Matlab的Simulink Support Package實現(xiàn)Simulink仿真模型直接下載到MCU進行控制實驗，無需額外編程。以PMSM轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)為例，基于C2000硬件支持包，在Simulink環(huán)境下選擇并配置相應(yīng)的模塊，可搭建控制模型如圖6所示。根據(jù)使用的MCU，設(shè)置好仿真目標(biāo)文件后，運行Simulink模型即可自動編譯生成代碼下載到MCU中運行，實現(xiàn)對電機的控制。這種方法，模塊化的搭建過程操作簡單，且其相對于仿真模型又更貼合實際應(yīng)用，能夠幫助學(xué)生更深入理解電機控制，取得更好的教學(xué)成果。

圖6 PMSM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

學(xué)生無需額外花費精力學(xué)習(xí)MCU編程，在Simulink環(huán)境下即可自主進行各種控制算法的電機實驗，例如修改位置估計算法或調(diào)節(jié)器形式等，因此本平臺不僅可用于課程教學(xué)，還可用于學(xué)生課外科研訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。

2.3 遠(yuǎn)程控制

為實現(xiàn)對實驗平臺的線上遠(yuǎn)程控制，在上位機中需安裝相應(yīng)軟件，主要有遠(yuǎn)程控制軟件、示波器軟件、攝像頭監(jiān)視程序等。

學(xué)生通過實驗室管理平臺進行預(yù)約，獲得上位機IP后，在校園網(wǎng)內(nèi)可直接通過遠(yuǎn)程控制軟件登錄實驗室上位機。如果在公網(wǎng)，需先通過學(xué)校VPN連接到校園網(wǎng)，確保網(wǎng)絡(luò)安全。示波器通過網(wǎng)線與上位機連接，上位機軟件可對示波器進行在線操作，包括幅值、時基調(diào)節(jié)、測量、數(shù)學(xué)運算以及波形保存等功能。攝像頭通過USB與上位機連接，通過軟件可實時觀察實驗平臺運行情況，監(jiān)視實驗進程。

3 結(jié)語

本文針對電機控制課程設(shè)計并開發(fā)了一套交直流電機控制線上線下混合教學(xué)實驗平臺。該平臺可實現(xiàn)有刷直流電機、BLDC和PMSM的從低階到高階的各類實驗，適合課程教學(xué)、學(xué)生課外科研訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計等使用。針對課程學(xué)習(xí)進度，該平臺提供了由淺入深的學(xué)習(xí)路徑，可滿足從控制理論實踐到電機控制算法開發(fā)等不同學(xué)習(xí)目標(biāo)。此外，該平臺還實現(xiàn)了線上線下混合教學(xué)，學(xué)生既可以線下實際動手操作，也可以線上遠(yuǎn)程控制實驗裝置，不受疫情、地域和時間上的限制，提高了實驗裝置的利用率，有助于提高實踐教學(xué)的效果。