數(shù)控式異步電動(dòng)機(jī)電氣控制實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

馮興田，張加勝，仉志華

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266580)

為加強(qiáng)電氣工程專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提供更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，我們?cè)O(shè)計(jì)與開發(fā)了數(shù)控式異步電動(dòng)機(jī)電氣控制實(shí)踐平臺(tái)［1，2］。該平臺(tái)融合“”電力電子技術(shù)“”、“電機(jī)學(xué)”、“數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”和“C語言”等多門基礎(chǔ)與專業(yè)課程知識(shí)［3］。在該實(shí)踐平臺(tái)上，既能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研“三位一體”教學(xué)科研模式，又能提升學(xué)生的分析、實(shí)踐和協(xié)作能力。

1 實(shí)踐平臺(tái)硬件部分設(shè)計(jì)

數(shù)控式異步電動(dòng)機(jī)電氣控制實(shí)踐平臺(tái)以三相異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象、以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心、以電機(jī)起停及節(jié)能運(yùn)行為控制目標(biāo)，硬件部分主要包括主電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和控制電路五大電路模塊，圖1所示為實(shí)踐平臺(tái)硬件部分的原理框圖。

圖1 實(shí)踐平臺(tái)硬件部分的原理框圖

主電路基于三相交流調(diào)壓原理，以功率器件晶閘管為核心構(gòu)成，通過控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)電機(jī)負(fù)載上的電壓有效值。三相電路分別由三組反并聯(lián)的晶閘管控制導(dǎo)通關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立相位控制，便于學(xué)生分組調(diào)試;晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收電路，用以限制電壓變化率和電流變化率過大帶來的沖擊，保護(hù)晶閘管。

檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)三相電壓相位、相序、有效值和同步信號(hào)的檢測(cè)，為三相電路的相位控制方式提供數(shù)據(jù)信息，以電壓比較器為核心器件構(gòu)建模擬電路來設(shè)計(jì)檢測(cè)電路。

驅(qū)動(dòng)電路用以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離以及晶閘管的驅(qū)動(dòng)，主要構(gòu)成元件為脈沖變壓器和驅(qū)動(dòng)光耦［4］。

控制電路以DSP28335為核心構(gòu)成，主要應(yīng)用其普通I/O口和特殊功能口，實(shí)現(xiàn)功能主要包括同步信號(hào)、相序檢測(cè)信號(hào)、按鍵數(shù)字輸入信號(hào)和模擬輸入信號(hào)的處理，LED顯示控制以及晶閘管所需的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。其中，LED顯示電路也可用簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管電路或者復(fù)雜的LCD顯示電路來實(shí)現(xiàn)，按鍵可以采用普通按鈕或者數(shù)字鍵盤實(shí)現(xiàn)，模擬輸入可采用模擬電位器或者數(shù)字鍵盤實(shí)現(xiàn)。

實(shí)踐平臺(tái)硬件電路系統(tǒng)的每一模塊電路自成單元，有硬件連接的電路之間配有接口，即插即用，便于調(diào)試和替換。學(xué)生在實(shí)踐時(shí)，2～3人分為一組，分工合作;我們提供部分電路，其余部分由學(xué)生自己設(shè)計(jì)、焊接和調(diào)試完成，也可全部由學(xué)生自行設(shè)計(jì)和搭建，最終聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能，讓學(xué)生充分得到硬件設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三相異步電機(jī)的軟起動(dòng)、調(diào)壓運(yùn)行、軟停車等基本電氣控制功能。

實(shí)踐平臺(tái)硬件電路系統(tǒng)的基本工作原理和工作過程如下:檢測(cè)電路采集三相電壓信號(hào)，DSP28335控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷處理，根據(jù)按鍵輸入的調(diào)節(jié)模式和模擬輸入的電壓值，確定晶閘管的觸發(fā)角，從而控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)并由驅(qū)動(dòng)電路輸出晶閘管所需的觸發(fā)脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)上的三相定子電壓有效值，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、調(diào)壓運(yùn)行和軟停車等控制，同時(shí)通過LED顯示電動(dòng)機(jī)的工作模式、工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)運(yùn)行電壓以及晶閘管的相位角度等參數(shù)。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角從大到小變化，使電動(dòng)機(jī)定子電壓從小到大變化實(shí)現(xiàn);電動(dòng)機(jī)軟停車通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角從小到大變化，使電動(dòng)機(jī)定子電壓從大到小變化實(shí)現(xiàn);電動(dòng)機(jī)調(diào)壓運(yùn)行則根據(jù)模擬輸入的要求，通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，使電動(dòng)機(jī)在不同電壓下工作來實(shí)現(xiàn)。

2 實(shí)踐平臺(tái)軟件部分開發(fā)

實(shí)踐平臺(tái)的軟件部分采用CCStudio開發(fā)系統(tǒng)，針對(duì)DSP28335芯片進(jìn)行C語言編程設(shè)計(jì)。其總體程序主要包括:按鍵及模擬量掃描程序、LED顯示程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、eCAP捕捉程序和ePWM產(chǎn)生程序五個(gè)子程序。

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、中斷控制、時(shí)間控制和循環(huán)掃描［5］。

按鍵及模擬量掃描程序用來完成電機(jī)軟起動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行方式、軟停車功能選擇，此外還能完成軟起動(dòng)時(shí)間、軟停車時(shí)間、電壓控制模式以及節(jié)能運(yùn)行時(shí)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

LED顯示程序用來動(dòng)態(tài)顯示晶閘管觸發(fā)角的變化、電動(dòng)機(jī)負(fù)載的實(shí)時(shí)電壓有效值等參數(shù)。

A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)三相電壓的采樣、數(shù)據(jù)處理和有效值計(jì)算;

eCAP中斷程序主要用于電壓信號(hào)檢測(cè)，用來檢測(cè)三相電壓的上升觸發(fā)沿，以確定相電壓的過零點(diǎn)和三相電壓相序。

ePWM產(chǎn)生程序用來輸出三相觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)角調(diào)節(jié)，控制電機(jī)負(fù)載的定子電壓。

學(xué)生首先應(yīng)用仿真器，結(jié)合控制系統(tǒng)板，學(xué)習(xí)CCStudio開發(fā)系統(tǒng)，熟練掌握DSP28335的C語言編程;然后針對(duì)實(shí)踐平臺(tái)軟件系統(tǒng)的每一部分子程序逐個(gè)進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試;各個(gè)單元程序調(diào)試成功之后，再進(jìn)行程序的聯(lián)調(diào)，逐次實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車和調(diào)壓運(yùn)行等功能;最后實(shí)現(xiàn)程序的優(yōu)化，簡(jiǎn)化程序，提高程序運(yùn)行效率。通過該程序的編寫，可以鍛煉學(xué)生的軟件設(shè)計(jì)及編程能力。

3 實(shí)踐平臺(tái)實(shí)施效果

通過有效利用該實(shí)踐平臺(tái)，可以讓學(xué)生得到多方面的鍛煉，包括原理的分析、電路的設(shè)計(jì)、電路的仿真分析、PCB板的繪制、電路板的制作、脈沖變壓器的匝數(shù)計(jì)算與繞制、電路的焊接調(diào)試、軟件的編程以及系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)等各個(gè)環(huán)節(jié)，從而提高了學(xué)生分析、實(shí)踐、創(chuàng)新和協(xié)作等多方面能力。例如電氣工程及其自動(dòng)化2011級(jí)學(xué)生，應(yīng)用該實(shí)踐平臺(tái)，開展了電力拖動(dòng)方向綜合實(shí)踐訓(xùn)練達(dá)到了以下效果:

(1)提高了學(xué)生電路分析與設(shè)計(jì)能力。我們采用基于項(xiàng)目的形式，通過學(xué)生自己設(shè)計(jì)部分電路或全部電路，不但掌握了相應(yīng)電路的工作原理，還理清了設(shè)計(jì)電路、仿真選型、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法和思路。

(2)增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。學(xué)生通過實(shí)際的電路焊接、變壓器的繞制、波形的測(cè)試、系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)和程序的編寫等一系列的環(huán)節(jié)，得到了鍛煉，積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了從事電氣工程領(lǐng)域工作的基礎(chǔ)。

(3)激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。我們重視實(shí)踐過程的考核，學(xué)生集中2周時(shí)間實(shí)踐，教師全程參與指導(dǎo)和考核。根據(jù)學(xué)生分析解決問題的能力、在小組中參與的程度和發(fā)揮的作用、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)達(dá)到的效果進(jìn)行綜合考核，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐過程中分工合作、協(xié)調(diào)配合并共同完成任務(wù)。

(4)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的分類和個(gè)性化培養(yǎng)。我們把實(shí)踐內(nèi)容分解成多個(gè)子任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自己實(shí)際具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力水平自由選擇，自由結(jié)組，在小組中充分施展自己的強(qiáng)項(xiàng);同時(shí)，各部分任務(wù)又有一定的聯(lián)系，每個(gè)學(xué)生需要了解整個(gè)系統(tǒng)的框架和內(nèi)容，兼顧了自主能力的培養(yǎng)和整體系統(tǒng)知識(shí)的掌握。

［1］ 蘇澤光，朱榮輝，肖金風(fēng).構(gòu)建電氣工程專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新能力的實(shí)踐教學(xué)體系［J］.天津:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，l4(5):73-76.

［2］ 董國(guó)強(qiáng).實(shí)驗(yàn)室管理模式的研究與探索［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(6):93-99.

［3］ 馮興田，王平，胡慧慧.“直流調(diào)速系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(1):18-19.

［4］ 張加勝，張磊.電力電子技術(shù)［M］.青島:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007.

［5］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.