馮興田,張加勝,仉志華
(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院,山東青島 266580)
為加強電氣工程專業(yè)學生理論聯系實際的能力,提供更多的動手實踐機會,我們設計與開發(fā)了數控式異步電動機電氣控制實踐平臺[1,2]。該平臺融合“”電力電子技術“”、“電機學”、“數字信號處理技術”、“模擬電子技術”、“自動控制原理”和“C語言”等多門基礎與專業(yè)課程知識[3]。在該實踐平臺上,既能真正實現產學研“三位一體”教學科研模式,又能提升學生的分析、實踐和協作能力。
數控式異步電動機電氣控制實踐平臺以三相異步電動機為控制對象、以數字信號處理器為控制核心、以電機起停及節(jié)能運行為控制目標,硬件部分主要包括主電路、檢測電路、驅動電路、電源電路和控制電路五大電路模塊,圖1所示為實踐平臺硬件部分的原理框圖。
圖1 實踐平臺硬件部分的原理框圖
主電路基于三相交流調壓原理,以功率器件晶閘管為核心構成,通過控制晶閘管的導通時間來調節(jié)電機負載上的電壓有效值。三相電路分別由三組反并聯的晶閘管控制導通關斷,實現獨立相位控制,便于學生分組調試;晶閘管兩端并聯阻容吸收電路,用以限制電壓變化率和電流變化率過大帶來的沖擊,保護晶閘管。
檢測電路主要實現三相電壓相位、相序、有效值和同步信號的檢測,為三相電路的相位控制方式提供數據信息,以電壓比較器為核心器件構建模擬電路來設計檢測電路。
驅動電路用以實現強弱電的隔離以及晶閘管的驅動,主要構成元件為脈沖變壓器和驅動光耦[4]。
控制電路以DSP28335為核心構成,主要應用其普通I/O口和特殊功能口,實現功能主要包括同步信號、相序檢測信號、按鍵數字輸入信號和模擬輸入信號的處理,LED顯示控制以及晶閘管所需的PWM驅動信號輸出。其中,LED顯示電路也可用簡單的發(fā)光二極管電路或者復雜的LCD顯示電路來實現,按鍵可以采用普通按鈕或者數字鍵盤實現,模擬輸入可采用模擬電位器或者數字鍵盤實現。
實踐平臺硬件電路系統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,便于調試和替換。學生在實踐時,2~3人分為一組,分工合作;我們提供部分電路,其余部分由學生自己設計、焊接和調試完成,也可全部由學生自行設計和搭建,最終聯調實現系統要求的功能,讓學生充分得到硬件設計的訓練。該系統能夠實現三相異步電機的軟起動、調壓運行、軟停車等基本電氣控制功能。
實踐平臺硬件電路系統的基本工作原理和工作過程如下:檢測電路采集三相電壓信號,DSP28335控制系統進行判斷處理,根據按鍵輸入的調節(jié)模式和模擬輸入的電壓值,確定晶閘管的觸發(fā)角,從而控制系統輸出相應的PWM信號并由驅動電路輸出晶閘管所需的觸發(fā)脈沖信號,調節(jié)三相異步電動機上的三相定子電壓有效值,從而實現電動機的軟起動、調壓運行和軟停車等控制,同時通過LED顯示電動機的工作模式、工作狀態(tài)和實時運行電壓以及晶閘管的相位角度等參數。電動機軟起動通過調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角從大到小變化,使電動機定子電壓從小到大變化實現;電動機軟停車通過調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角從小到大變化,使電動機定子電壓從大到小變化實現;電動機調壓運行則根據模擬輸入的要求,通過調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角,使電動機在不同電壓下工作來實現。
實踐平臺的軟件部分采用CCStudio開發(fā)系統,針對DSP28335芯片進行C語言編程設計。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轉換程序、eCAP捕捉程序和ePWM產生程序五個子程序。
主程序主要完成系統的初始化、中斷控制、時間控制和循環(huán)掃描[5]。
按鍵及模擬量掃描程序用來完成電機軟起動、節(jié)能運行方式、軟停車功能選擇,此外還能完成軟起動時間、軟停車時間、電壓控制模式以及節(jié)能運行時輸出電壓的調節(jié)。
LED顯示程序用來動態(tài)顯示晶閘管觸發(fā)角的變化、電動機負載的實時電壓有效值等參數。
A/D轉換程序實現三相電壓的采樣、數據處理和有效值計算;
eCAP中斷程序主要用于電壓信號檢測,用來檢測三相電壓的上升觸發(fā)沿,以確定相電壓的過零點和三相電壓相序。
ePWM產生程序用來輸出三相觸發(fā)脈沖,實現晶閘管的觸發(fā)角調節(jié),控制電機負載的定子電壓。
學生首先應用仿真器,結合控制系統板,學習CCStudio開發(fā)系統,熟練掌握DSP28335的C語言編程;然后針對實踐平臺軟件系統的每一部分子程序逐個進行開發(fā)和調試;各個單元程序調試成功之后,再進行程序的聯調,逐次實現電機的軟起動、軟停車和調壓運行等功能;最后實現程序的優(yōu)化,簡化程序,提高程序運行效率。通過該程序的編寫,可以鍛煉學生的軟件設計及編程能力。
通過有效利用該實踐平臺,可以讓學生得到多方面的鍛煉,包括原理的分析、電路的設計、電路的仿真分析、PCB板的繪制、電路板的制作、脈沖變壓器的匝數計算與繞制、電路的焊接調試、軟件的編程以及系統的聯調等各個環(huán)節(jié),從而提高了學生分析、實踐、創(chuàng)新和協作等多方面能力。例如電氣工程及其自動化2011級學生,應用該實踐平臺,開展了電力拖動方向綜合實踐訓練達到了以下效果:
(1)提高了學生電路分析與設計能力。我們采用基于項目的形式,通過學生自己設計部分電路或全部電路,不但掌握了相應電路的工作原理,還理清了設計電路、仿真選型、實驗驗證的方法和思路。
(2)增強了學生的動手實踐能力。學生通過實際的電路焊接、變壓器的繞制、波形的測試、系統的聯調和程序的編寫等一系列的環(huán)節(jié),得到了鍛煉,積累了經驗,奠定了從事電氣工程領域工作的基礎。
(3)激發(fā)了學生的主觀能動性和團隊協作能力。我們重視實踐過程的考核,學生集中2周時間實踐,教師全程參與指導和考核。根據學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、系統聯調達到的效果進行綜合考核,充分調動了學生自主學習的積極性,促進學生在實踐過程中分工合作、協調配合并共同完成任務。
(4)實現了學生的分類和個性化培養(yǎng)。我們把實踐內容分解成多個子任務,學生根據自己實際具備的知識結構和能力水平自由選擇,自由結組,在小組中充分施展自己的強項;同時,各部分任務又有一定的聯系,每個學生需要了解整個系統的框架和內容,兼顧了自主能力的培養(yǎng)和整體系統知識的掌握。
[1] 蘇澤光,朱榮輝,肖金風.構建電氣工程專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的實踐教學體系[J].天津:電力系統及其自動化學報,2002,l4(5):73-76.
[2] 董國強.實驗室管理模式的研究與探索[J].上海:實驗室研究與探索,2005,24(6):93-99.
[3] 馮興田,王平,胡慧慧.“直流調速系統”課程的教學改革[J].南京:電氣電子教學學報,2014,36(1):18-19.
[4] 張加勝,張磊.電力電子技術[M].青島:中國石油大學出版社,2007.
[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.