基于NlCompactRIO的电力电子与电机控制教学实验平台的研制

王颖杰

摘要 为满足“运动控制系统”与“电力电子技术”等课程工程性、开放性、创新性实验教学发展需求，培养学生实践能力和创新能力，同时适于班级教学，设计并开发了一种基于NI CompactRIO的电力电子与电机控制教学实验平台。实验台以NI公司的Labview图形化软件开发环境为系统软件开发平台，以NI公司生产的CompactRIO控制器为系统控制核心。结合三相全桥智能功率模块等，根据不同实验对象，可以开展多种电力电子实验和电机控制实验。本文介绍了该实验平台的硬件系统，软件系统，并给出了实验设计实例。该实验装置具有操作简便，扩展性强的优点，在实验教学中取得了良好的教学效果。

关键词 Labview 可图形化编程 电力电子 电机控制

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.05.022

0概述

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT、SiC等）对电能进行变换和控制的技术。而运动控制技术以电力电子技术为基础，以电机为控制对象，实现精确位置、速度、转矩等控制的技术。这两项技术相互依存，密不可分，已成为电气工程及其自动化专业不可缺少的核心专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

相关的实验教学由于基于相同的控制理论和控制技术、检测技术等，更是经常采用同一实验平台，如浙江天煌科技实业有限公司的“DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置”、浙江求是科技设备有限公司的“CXMCL-II型现代电力电子及电气传动创新平台”等。目前这类实验装置一般用挂件结构或实验箱，几乎所有的电路和系统都是封闭的。在这种常规的实验过程中，学生几乎是在老师或实验指导书的指导下机械式连线、读取实验数据，记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，只要在连线正确、实验仪器完好的情况下也能完成实验。但是，只要设备稍有问题或连线稍有问题，实验结果与理论分析不符或者出现异常现象，学生就可能会不假思索地询问老师，而不能独立分析解决问题。另外，实验所涉及的大多是功率器件，需要大量不同的控制电路，设备通用性差，并且电压等级高，危险性大，导致学生惧怕硬件，动手能力差。

近几年，国内著名高校开始陆续引进基于微处理器的实验平台。该类平台包含了本科电机控制实验所需的PWM逆变电路模块、直流电机调速模块、无刷直流电机调速模块、三相永磁电机调速模块，已很好地解决传统实验平台扩展挂箱组件笨重且价格昂贵、缺乏灵活性、限制学生的自主设计等问题。但是该实验平台没有人机交互界面，学生无法直观地观察实验的过程。同时DSP编程需要设置大量的寄存器和底层软件编写，较为繁琐，学生在自主设计控制算法时必须提前熟练掌握DSP的使用，并且容易编程出错，错误也不易查找，使得学生在调试程序时必须不断地启停程序，浪费大量时间，也容易转移学习重点。

为了培养学生实践能力和创新能力，同时适于班级教学，开发了一种基于NI CompactRIO的电力电子与电机控制教学实验平台。该实验平台以NI公司控制器及软件为核心，以智能功率模块为电机驱动器，配合外围调节、测量及保护电路，实现图形化编程和在线测量调试，使学生从文本编程和底层调试中解放出来，集中于电力电子与运动控制专业知识的应用、创新设计，可满足各种交直流调速控制及部分电力电子技术验证性或创新性实验需求。

1基于NI CompactRIO的电力电子与电机控制教学实验平台的构成

1.1硬件系统

该实验装置包括上位机、PEP-1实验箱、实验电机组成，如图1所示。上位机负责软件编程、在线调试和实验数据采集显示，通过数据线下传控制程序和控制指令到Nl CompactRIO控制器中，CompactRIO控制器采集实验数据，运行程序并发出控制电机信号，同时CompactRIO控制器可将采集到的数据上传，并在上位機上实时显示。CompactRIO控制器放置在PEP-1实验箱中，该实验箱还包括电表模块、电机供电模块、信号调理模块、保护电路、RLC负载等。通过位于实验装置前面板上的电表模块，实时观测主电路中电压电流值；电机供电模块采用三菱公司的智能功率模块IPM模块，如图2所示。该模块使用内部封装的6单元IGBT作为功率开关元件，可提供三相可调电源，实现0～300V，0～50A输出能力，作为直流电机、交流电机供电电源；控制电机放置在对拖平台上，实现电机负载模拟和电机转速检测。PEP-1实验箱采用调压器加隔离变压器连接单相市电，实现变压隔离，信号调理模块内部含有光耦隔离和信号调理电路，并设有过流、欠压以及漏电保护电路和故障保护控制程序，可切实保护操作者人生安全和设备安全可靠运行。

1.2软件系统

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，它是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS，简称NI）的创新软件产品。利用LabVIEW编写的图形化应用程序被称为是Virtual/nstnmaent（简称VI）。本实验台运行在Labview图形化开发环境中，Labview提供了很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在Labview中被称为前面板，使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制，这就是图形化的程序框图代码，因此相比于传统的程序代码，其简单、直观与可视性强的编程语言及用户编程界面，都让编程及使用过程变得生动有趣，减少了实验中学生在编程与调试程序时面临的困难，增强了实验的趣味性。NICom-pactRIO控制器还将串行实时控制器（RT）与并行现场可编程门阵列（FPGA）相结合，运算速度快，适用于电力电子和运动控制微秒级控制周期的要求，还可在线实时调试。

2系统开发案例

本实验平台可完成单闭环、双闭环直流调速系统、基于稳态模型的交流电机变压变频调速、基于动态模型的交流电机矢量控制和直接转矩控制、以及无速度传感器控制、基于智能算法电机控制等运动控制相关实验，也可完成Boost、Buck降压电路，单相半桥、单相全桥逆变实验和三相全桥逆变等全控型器件电力电子技术实验，加之开放性的I/O接口和模拟信号输入输出接口，可以满足综合创新性实验、课程设计、毕业设计乃至科研活动等多方面的需要。

程序编写操作过程如下：

（1）在实验中，首先在PC机上的LabVIEW软件环境中创建一个项目，接着在创建的项目中添加主控制器CompactRIO，然后在主控制器CompactRIO的子工程下添加底层控制器FPGA。

（2）开始编写软件，需要对主控制器和底层控制器分别编程，分别建立主Ⅵ和FPGA VI，如电机变压变频调速实验主Ⅵ如图（3）。最后编译合成项目程序。

（3）开始实验时，将PC机在Labview开发环境中连接控制器，然后对主电路上电，接着将编写好的程序下载到控制器中进行在线调试与实验。实验装置操作步骤如图4。图5为学生实际操作图。

3结束语

该基于NI compactRIo的电力电子与电机控制教学实验平台，体积小，便于放置和操作，成本适中，同时本平台利用Labview图形化编程语言具有简单直观、易学易用，可扩展性强等优点，可以解决目前国内教学设备普遍存在的更新速度慢、价格昂贵、实验单一、可扩展性差等问题，有助于充分利用实验室资源，为学生提供综合性、灵活性的教学实验内容。