基于NlCompactRIO的電力電子與電機控制教學實驗平臺的研制

王穎杰

摘要 為滿足“運動控制系統”與“電力電子技術”等課程工程性、開放性、創新性實驗教學發展需求，培養學生實踐能力和創新能力，同時適于班級教學，設計并開發了一種基于NI CompactRIO的電力電子與電機控制教學實驗平臺。實驗臺以NI公司的Labview圖形化軟件開發環境為系統軟件開發平臺，以NI公司生產的CompactRIO控制器為系統控制核心。結合三相全橋智能功率模塊等，根據不同實驗對象，可以開展多種電力電子實驗和電機控制實驗。本文介紹了該實驗平臺的硬件系統，軟件系統，并給出了實驗設計實例。該實驗裝置具有操作簡便，擴展性強的優點，在實驗教學中取得了良好的教學效果。

關鍵詞 Labview 可圖形化編程 電力電子 電機控制

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.05.022

0概述

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT、SiC等）對電能進行變換和控制的技術。而運動控制技術以電力電子技術為基礎，以電機為控制對象，實現精確位置、速度、轉矩等控制的技術。這兩項技術相互依存，密不可分，已成為電氣工程及其自動化專業不可缺少的核心專業基礎課，在培養該專業人才中占有重要地位。

相關的實驗教學由于基于相同的控制理論和控制技術、檢測技術等，更是經常采用同一實驗平臺，如浙江天煌科技實業有限公司的“DJDK-1型電力電子技術及電機控制實驗裝置”、浙江求是科技設備有限公司的“CXMCL-II型現代電力電子及電氣傳動創新平臺”等。目前這類實驗裝置一般用掛件結構或實驗箱，幾乎所有的電路和系統都是封閉的。在這種常規的實驗過程中，學生幾乎是在老師或實驗指導書的指導下機械式連線、讀取實驗數據，記錄實驗數據和波形，即使不了解電路的工作原理，只要在連線正確、實驗儀器完好的情況下也能完成實驗。但是，只要設備稍有問題或連線稍有問題，實驗結果與理論分析不符或者出現異常現象，學生就可能會不假思索地詢問老師，而不能獨立分析解決問題。另外，實驗所涉及的大多是功率器件，需要大量不同的控制電路，設備通用性差，并且電壓等級高，危險性大，導致學生懼怕硬件，動手能力差。

近幾年，國內著名高校開始陸續引進基于微處理器的實驗平臺。該類平臺包含了本科電機控制實驗所需的PWM逆變電路模塊、直流電機調速模塊、無刷直流電機調速模塊、三相永磁電機調速模塊，已很好地解決傳統實驗平臺擴展掛箱組件笨重且價格昂貴、缺乏靈活性、限制學生的自主設計等問題。但是該實驗平臺沒有人機交互界面，學生無法直觀地觀察實驗的過程。同時DSP編程需要設置大量的寄存器和底層軟件編寫，較為繁瑣，學生在自主設計控制算法時必須提前熟練掌握DSP的使用，并且容易編程出錯，錯誤也不易查找，使得學生在調試程序時必須不斷地啟停程序，浪費大量時間，也容易轉移學習重點。

為了培養學生實踐能力和創新能力，同時適于班級教學，開發了一種基于NI CompactRIO的電力電子與電機控制教學實驗平臺。該實驗平臺以NI公司控制器及軟件為核心，以智能功率模塊為電機驅動器，配合外圍調節、測量及保護電路，實現圖形化編程和在線測量調試，使學生從文本編程和底層調試中解放出來，集中于電力電子與運動控制專業知識的應用、創新設計，可滿足各種交直流調速控制及部分電力電子技術驗證性或創新性實驗需求。

1基于NI CompactRIO的電力電子與電機控制教學實驗平臺的構成

1.1硬件系統

該實驗裝置包括上位機、PEP-1實驗箱、實驗電機組成，如圖1所示。上位機負責軟件編程、在線調試和實驗數據采集顯示，通過數據線下傳控制程序和控制指令到Nl CompactRIO控制器中，CompactRIO控制器采集實驗數據，運行程序并發出控制電機信號，同時CompactRIO控制器可將采集到的數據上傳，并在上位機上實時顯示。CompactRIO控制器放置在PEP-1實驗箱中，該實驗箱還包括電表模塊、電機供電模塊、信號調理模塊、保護電路、RLC負載等。通過位于實驗裝置前面板上的電表模塊，實時觀測主電路中電壓電流值；電機供電模塊采用三菱公司的智能功率模塊IPM模塊，如圖2所示。該模塊使用內部封裝的6單元IGBT作為功率開關元件，可提供三相可調電源，實現0～300V，0～50A輸出能力，作為直流電機、交流電機供電電源；控制電機放置在對拖平臺上，實現電機負載模擬和電機轉速檢測。PEP-1實驗箱采用調壓器加隔離變壓器連接單相市電，實現變壓隔離，信號調理模塊內部含有光耦隔離和信號調理電路，并設有過流、欠壓以及漏電保護電路和故障保護控制程序，可切實保護操作者人生安全和設備安全可靠運行。

1.2軟件系統

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環境的簡稱，它是美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS，簡稱NI）的創新軟件產品。利用LabVIEW編寫的圖形化應用程序被稱為是Virtual/nstnmaent（簡稱VI）。本實驗臺運行在Labview圖形化開發環境中，Labview提供了很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在Labview中被稱為前面板，使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制，這就是圖形化的程序框圖代碼，因此相比于傳統的程序代碼，其簡單、直觀與可視性強的編程語言及用戶編程界面，都讓編程及使用過程變得生動有趣，減少了實驗中學生在編程與調試程序時面臨的困難，增強了實驗的趣味性。NICom-pactRIO控制器還將串行實時控制器（RT）與并行現場可編程門陣列（FPGA）相結合，運算速度快，適用于電力電子和運動控制微秒級控制周期的要求，還可在線實時調試。

2系統開發案例

本實驗平臺可完成單閉環、雙閉環直流調速系統、基于穩態模型的交流電機變壓變頻調速、基于動態模型的交流電機矢量控制和直接轉矩控制、以及無速度傳感器控制、基于智能算法電機控制等運動控制相關實驗，也可完成Boost、Buck降壓電路，單相半橋、單相全橋逆變實驗和三相全橋逆變等全控型器件電力電子技術實驗，加之開放性的I/O接口和模擬信號輸入輸出接口，可以滿足綜合創新性實驗、課程設計、畢業設計乃至科研活動等多方面的需要。

程序編寫操作過程如下：

（1）在實驗中，首先在PC機上的LabVIEW軟件環境中創建一個項目，接著在創建的項目中添加主控制器CompactRIO，然后在主控制器CompactRIO的子工程下添加底層控制器FPGA。

（2）開始編寫軟件，需要對主控制器和底層控制器分別編程，分別建立主Ⅵ和FPGA VI，如電機變壓變頻調速實驗主Ⅵ如圖（3）。最后編譯合成項目程序。

（3）開始實驗時，將PC機在Labview開發環境中連接控制器，然后對主電路上電，接著將編寫好的程序下載到控制器中進行在線調試與實驗。實驗裝置操作步驟如圖4。圖5為學生實際操作圖。

3結束語

該基于NI compactRIo的電力電子與電機控制教學實驗平臺，體積小，便于放置和操作，成本適中，同時本平臺利用Labview圖形化編程語言具有簡單直觀、易學易用，可擴展性強等優點，可以解決目前國內教學設備普遍存在的更新速度慢、價格昂貴、實驗單一、可擴展性差等問題，有助于充分利用實驗室資源，為學生提供綜合性、靈活性的教學實驗內容。