解決方案
SOLUTION
方案介紹
基于快速原型控制的電機對拖測試系統(tǒng)采用交流回饋，其交流母線可以由配電箱380V三相引出，對于其他電壓等級可以考慮變壓器等方案，驅(qū)動電機與負載電機的變流器，采用兩個三相兩電平背靠背變流器組，相當于整個系統(tǒng)中有四個三相兩電平功率硬件，其變流器組封裝形式根據(jù)用戶需求進行相關(guān)定制，變流器組的控制器支持DSP核心板（CCS編程）或者yxspace快速原型控制器（代碼自動生成）進行控制，提供DSP測試算法例程與快速原型控制器生成代碼的模型，負載端有單獨加載控制軟件，可以進行加載方式控制。
系統(tǒng)拓撲如下所示
圖1 交流回饋電機控制測試系統(tǒng)
系統(tǒng)特點
1、系統(tǒng)采用對拖機組回饋方案，相比耗能加載方式，系統(tǒng)為節(jié)能測試方式，系統(tǒng)損耗為變流器組與電機本身損耗，負載損耗很小。
2、系統(tǒng)交流母線回饋，負載端可以考慮采用成品四象限變頻器。
3、系統(tǒng)采用對拖機組回饋，可以實現(xiàn)較小容量的配電系統(tǒng)來測試較大容量的機組。
4、系統(tǒng)采用YXPHM開放式功率硬件，硬件系統(tǒng)開發(fā)，可靠，可支持YXDSP核心板變成控制與YXSPACE快速原型控制器自動代碼生成控制。
5、系統(tǒng)提供算法樣例供快速評估或者迭代。
系統(tǒng)典型配置清單
表1 系統(tǒng)典型配置清單
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序號 |
產(chǎn)品名稱 |
備注 |
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1 |
對拖電機機組及臺架 |
1、測試電機與負載電機（陪測電機） 轉(zhuǎn)速、功率 2、可以根據(jù)需求定制不同類型臺架 3、電機按需配置 永磁（內(nèi)置、表貼）、三相、四相、六相永磁，異步，直流有刷，直流無刷，磁阻，雙饋 |
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2 |
測試電機變流器器（背靠背 兩個三相兩電平） |
1、拓撲結(jié)構(gòu)按需配置，典型三相兩電平、三電平 2、功率器件按按需配置，典型IGBT,SIC 3、硬件結(jié)構(gòu)開放，在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化設計，各個模塊方便替換 4、可同時具備TMS320F28335 DSP核心板控制器與RCP控制器接口 5、健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等 6、人機交互：具備LCD顯示屏，可通過顯示屏查看并設置各種參數(shù)，用戶也通過RS485通訊口連接PC機，提供通訊規(guī)約，可以查詢模塊的狀態(tài)信息，實時波形，下發(fā)操作指令。 |
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3 |
負載電機變流器（背靠背 兩個三相兩電平） |
1、可按照需求配置其他品牌四象限變頻器 2、硬件結(jié)構(gòu)開放，在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化設計，各個模塊方便替換 3、同時具備TMS320F28335 DSP核心板控制器與RCP控制器接口 4、健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等。 5、人機交互：具備LCD顯示屏，可通過顯示屏查看并設置各種參數(shù)，用戶也通過RS485通訊口連接PC機，提供通訊規(guī)約，可以查詢模塊的狀態(tài)信息，實時波形，下發(fā)操作指令。 |
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4 |
快速原型控制器 |
1、按需求配置 SP1000\SP2000\SP6000 2 支持Simulink代碼自動生成和基于模型的程序設計；算法的Simulink模型可直接仿真下載到快速原型控制器的過程，能方便地使用Matlab/Simulink進行控制算法設計并在線實時仿真的功能，無需了解軟硬件實現(xiàn)及編程過程，就能進行控制設計和調(diào)試。 3 控制器需采用雙DSP+多組FPGA雙核結(jié)構(gòu)，主控制器采用TMS320F28377，雙核200MHZ*2主頻，超快的運算速度、封裝的底層驅(qū)動，方便進行電力電子、電機驅(qū)動等復雜算法的研究。 4 具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。多種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。 5 用戶可以隨意拖拽即可完成與硬件的連接，同時，配套了組態(tài)式的上位機，可以查看模型中任何的中間變量，可隨時觀測各種關(guān)鍵變量，從而做出相應參數(shù)上的更改。 6 需采用總線擴展方式，采用插卡方式，各個子板卡可進行擴展，不接受單板卡方式。用戶根據(jù)實際功能需求，可以靈活配置板卡種類，基本配置是CPU板卡、模擬采集ADC板卡、模擬輸出DAC板卡、數(shù)字輸出DO板卡、數(shù)組輸入DI板卡、脈寬調(diào)制PWM板卡。 |
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5 |
基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng) |
1、將Simulink模型與快速原型控制器硬件結(jié)合在一起，下載到控制器中執(zhí)行，控制器運行過程中，此軟件可以將Simulink模型中想要查看的各類控制量直觀顯示，也可以隨時修改各類控制參數(shù)，讓控制器實時響應，從而實現(xiàn)了真正的在線仿真。 2、在線仿真運行界面，采用組態(tài)方式，科研者根據(jù)自己需求，可以隨意添加控件，具備實時錄波功能，可完整錄制整體系統(tǒng)運行的波形數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)可以保存為mat和xls格式，波形數(shù)據(jù)可以通過matlab軟件直接打開并查看。 3、軟件具備三類設置，包括通信IP、板卡的數(shù)量設置；PWM設置，主要指示PWM的頻率值，死區(qū)值，以及動作有效值，編碼器精度值等；顯示界面設置，用于最終的數(shù)據(jù)查看以及設置。顯示界面中包括遙控、遙調(diào)、遙信、遙測、示波器控件。 4、組態(tài)化軟件需具備遙控、遙調(diào)、遙信、遙測、示波器控件。 5、系統(tǒng)需具備以下配置功能： 通訊設置，主要設置通信的IP地址； PWM_A設置，對PWM_A板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區(qū)值，倍頻值，互補設置，相位使能等； PWM_B設置，對PWM_B板卡的PWM進行設置，主要設置PWM的頻率值，死區(qū)值，倍頻值，互補設置，相位使能等； DO設置，主要設置DO的控制源，要么由simulink模型控制，要么由rcp軟件控制； QEP設置，主要設置編碼器的精度。 開始通信：表示仿真機與RCP建立通信關(guān)系； 停止通信：表示仿真機與RCP斷開通信關(guān)系； 復位：表示對仿真機整體進行復位操作； 保護：通過保護界面設置值，可以輔助仿真機按照極限值進行保護； 啟動仿真：通知仿真機運行simulink模型； 開始錄播：將仿真機上傳的值保存，以便分析查看。
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6 |
開放式功率硬件開發(fā)系統(tǒng) |
1、生成代碼的模型例程 2、DSP工程 3、系統(tǒng)調(diào)試 |
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7 |
電機測試管理系統(tǒng) |
1、監(jiān)控數(shù)據(jù)管理 轉(zhuǎn)矩、扭矩實時波形顯示、記錄，變流器電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)記錄 2、負載加載可編程控制。可以通過軟件下發(fā)預設加載數(shù)值與加載曲線。 |
系統(tǒng)根據(jù)實際測試或者實驗需求，可進一步考慮的選配件如圖2所示
圖2 典型可選配置
選配件功能列表簡要說明如表2
表2 選配件功能列表
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序號 |
產(chǎn)品名稱 |
功能簡述 |
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1 |
功率分析儀 |
精確效率測試、分析需求時配置 |
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2 |
轉(zhuǎn)矩傳感器 |
需要精確測試轉(zhuǎn)矩情況下配置，例如機械特性曲線測試、齒槽轉(zhuǎn)矩測試等 |
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3 |
振動加速度傳感器 |
需要測試機組振動的場合 |
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4 |
故障電機 |
按照需求例如匝間短路、退磁、轉(zhuǎn)子斷條 |
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5 |
故障軸承 |
按照需求配置，研究故障傳動影響 |
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6 |
慣性輪 |
按照需求配置，有慣性輪情況下，直流回饋方案中直流電源要配置雙向直流電源 |
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7 |
傳動齒輪箱 |
按照需求配置，可以配置故障齒輪以及研究齒輪箱的相關(guān)問題 |
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8 |
高性能示波器 |
按照需求配置 |
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9 |
三維可調(diào)臺架 |
按照需求配置 |
主要設備參考說明
永磁電機對拖平臺
產(chǎn)品參考圖如圖3
圖3 對拖平臺參考圖
測試電機逆變器
380V三相交流電網(wǎng)輸入，交流輸出（驅(qū)動電機），封裝形式可以選擇亞克力開放式封裝，機架式，壁掛式，與柜裝式。下圖為柜裝式參考設計。
圖4 柜子示意圖
背靠背電機驅(qū)動變頻柜包含正側(cè)和背側(cè)兩個三相橋式全控型變流器YXPHM-TP210b-II（三相兩電平），靠近永磁同步電機定子的變流器稱之為機側(cè)變流器，靠近電網(wǎng)的變流器稱之為網(wǎng)側(cè)變流器，二者之間的區(qū)別是機側(cè)變流器未接入濾波的LCL。
YXPHM-TP210b-II采用基于模型設計的理念，脫胎于研旭成熟產(chǎn)品光伏并網(wǎng)逆變器與風機變流器等成熟產(chǎn)品，又結(jié)合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺研發(fā)經(jīng)驗，對該拓撲結(jié)構(gòu)與驅(qū)動電路、傳感器電路、信號處理電路進一步集成。三相橋式全控型變流器在新能源變流器、電機控制、電能質(zhì)量控制等應用中都非常廣泛，其主要由IGBT、二極管、IGBT驅(qū)動電路、CPU信號處理單元、繼電器、熔斷器、傳感器、散熱器、電容等組成。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示
圖5 YXPHM-TP3xb 主電路T型拓撲示意
具體可以參考YXPHM功率硬件模組
負載電機整流器
負載電機變流器通過將對拖機組的負載電機發(fā)的電整流（三相兩電平）再逆變（三相兩電平）回饋到交流母線上，封裝形式可以選擇亞克力開放式封裝，機架式，壁掛式，與柜裝式，根據(jù)實際條件也可以和驅(qū)動側(cè)合并組柜。
下圖為柜裝式參考設計。
圖6 柜子示意圖
快速原型控制器——YXSPACE-SP2000
在產(chǎn)品研發(fā)前期、算法驗證階段，若采用實際控制器進行控制時，存在周期長、可靠性差等問題。若采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping簡稱RCP），那么就可以高效的、便捷的完成了前期算法的驗證。
RCP系統(tǒng)在新能源領(lǐng)域有著巨大的應用潛力，比如光伏變流器、風機變流器、儲能變流器等電力電子變換器。只需在MATLAB的Simulink搭建控制算法模型，下載到Y(jié)XSPACE控制器中，即可實現(xiàn)控制過程。從而開發(fā)者可以不用研究任何控制芯片，以及任何嵌入式編程語言，只需要把所有精力放在核心控制算法的研究上面。
南京研旭電氣科技有限公司，始終致力于新能源各類產(chǎn)品的研究，也與很多科研院所以及高校建立了深厚的合作關(guān)系。多年來積累了很多寶貴的經(jīng)驗，同時也接收很多合作單位的寶貴建議，從而研旭研發(fā)出快速控制原型控制器YXSPACE系列。
YXSPACE-SP2000（以下簡稱SP2000）采用TI公司的C2000系列DSP-F28xx作為核心控制器。研旭選擇此款DSP，正是由于其被廣泛應用與各類新能源產(chǎn)品當中。所以SP2000快速控制原型在滿足控制需求的情況下，更能貼近實際產(chǎn)品，為開發(fā)者提供更為可靠的驗證結(jié)果。SP2000作為SP1000的升級版本，除了在外設資源方面多于SP1000，更是在CPU處理能力上做了提升，為更加復雜的控制場合提供了保障。
實物圖片如圖8、9所示。
圖8 SP2000正面
圖9 SP2000反面
YXSPACE獨特優(yōu)點
（1）采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結(jié)果針對實際研究更具有參考性；
（2）在Matlab中設計的控制算法自動生成代碼，自動加載到實時目標機中運行，避免了繁瑣的編程和Debug工作
（3）使用門檻低，會Matlab仿真即可完成實驗測試工作，所有測試工作只需一人即可完成
（4）模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件各類細節(jié)，免去一切不必要的麻煩；
（5）性價比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低。
（6）具備自主編寫的驅(qū)動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件，可適用于各種工程調(diào)試需求。
（7）模型轉(zhuǎn)換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉(zhuǎn)換后的源碼
研旭SP2000采用外擴插卡式結(jié)構(gòu)，簡潔輕便，板卡資源如下表4.1所示：
研旭電氣專門為SP2000研發(fā)了一套上位機監(jiān)控軟件VIEW2000軟件。VIEW2000軟件主要參考下節(jié)基于模型開發(fā)快速原型監(jiān)控系統(tǒng)。
VIEW2000軟件簡介
研旭電氣專門為SP2000研發(fā)了一套上位機監(jiān)控軟件VIEW2000軟件。
VIEW2000軟件中包含控制器設置以及組態(tài)區(qū)。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。如圖4.14所示。
圖4.14 View2000軟件示意
在實際使用中，用戶只需用鼠標拖動各類控件，移至工作區(qū)當中，位置根據(jù)需求隨意放置。雙擊控件即可設置控件的地址號，這樣可完成控件與模型或者硬件的建立關(guān)系，操作極其簡便。
SP2000驅(qū)動庫
研旭自行開發(fā)了Simulink驅(qū)動庫，如下圖所示：
圖4.15 研旭驅(qū)動庫
電機測試管理系統(tǒng)
電機測試管理系統(tǒng)，主要實現(xiàn)加載機組的監(jiān)控管理，其主要功能讀取轉(zhuǎn)矩傳感器、加載電機變流器等相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩實時波形，電壓、電流、功率等監(jiān)控數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以錄波，并進行導出。
通過與變流器通信，可實現(xiàn)負載可編程，可以按照指定曲線進行加載。進而可以實現(xiàn)加載系統(tǒng)的自動化。例如可以進行進行突加載、突減載等相關(guān)測試。
其界面如圖所示
圖4.26 電機測試管理系統(tǒng)
微信公眾號
