王穎杰

摘要 為滿足“運動控制系統(tǒng)”與“電力電子技術”等課程工程性、開放性、創(chuàng)新性實驗教學發(fā)展需求，培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力，同時適于班級教學，設計并開發(fā)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(fā)環(huán)境為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，以NI公司生產的CompactRIO控制器為系統(tǒng)控制核心。結合三相全橋智能功率模塊等，根據(jù)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(tǒng)，軟件系統(tǒng)，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(yōu)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(xiàn)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(yè)不可缺少的核心專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)該專業(yè)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(yè)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(xiàn)代電力電子及電氣傳動創(chuàng)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(tǒng)都是封閉的。在這種常規(guī)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(shù)據(jù)，記錄實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)異?，F(xiàn)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(xù)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(tǒng)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(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力，同時適于班級教學，開發(fā)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(jié)、測量及保護電路，實現(xiàn)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(yè)知識的應用、創(chuàng)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(chuàng)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(tǒng)

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(shù)據(jù)采集顯示，通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，運行程序并發(fā)出控制電機信號，同時CompactRIO控制器可將采集到的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)

LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，它是美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS，簡稱NI）的創(chuàng)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(fā)環(huán)境中，Labview提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)開發(fā)案例

本實驗平臺可完成單閉環(huán)、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)、基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電機變壓變頻調速、基于動態(tài)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(chuàng)新性實驗、課程設計、畢業(yè)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(huán)境中創(chuàng)建一個項目，接著在創(chuàng)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(fā)環(huán)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(yōu)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。