一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台

摘要

本发明涉及电力实验平台技术领域，公开了一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，包括远程控制模块、电源监测模块、测量模块和实验模块；远程控制模块包括主机、XPC控制器和Simulink驱动模块库；电源监测模块包括交流主电源、直流电机励磁电源和可调电阻负载；测量模块包括转速计和电流检测设备；实验模块包括实验电机和电机导轨，电机导轨用于固定实验电机，电机导轨上安装有光电编码器用于测速。本发明是一种可实现电路原理构建、控制算法建模、软件仿真、实时控制及信号观测等全过程实验平台。具有功能性强、反馈及时、操作性强的优点，可在很大程度上促进现代电力电子和运动控制等学科的发展。

权利要求

1.一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：包括远程控制模块、电源监测模块、测量模块和实验模块；

远程控制模块包括主机、XPC控制器和Simulink驱动模块库，主机上装有C编译器和MATLAB/Simulink系统，XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；

Simulink驱动模块库用于连接XPC控制器接口编写，并控制PCI实时采集控制板卡所对应的Simulink驱动模块；

电源监测模块包括交流主电源、直流电机励磁电源和可调电阻负载，直流电机励磁电源包含固定励磁电源和可调励磁电源，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；

测量模块包括转速计和电流检测设备，转速计用于检测各种电机的转速，转速计带数显和模拟量输，电流检测设备在实验中作电压和电流测量用；

实验模块包括实验电机和电机导轨，电机导轨用于固定实验电机，电机导轨上安装有光电编码器用于测速。

2.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：交流主电源采用三相降压隔离变压器使实验所用的交流电源与电网隔离。

3.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：直流电机励磁电源包含固定和可调两种，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；可调电阻负载为同轴三联可调电阻。

4.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：电流检测设备包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表。

5.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：实验电机包括直流电机、三相异步电机和交流伺服电机。

6.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；

工控主板，用于运行XPC实时内核系统，接收主机编译好的实时应用程序，并作为实时应用程序的主体；

PCI实时采集控制板卡，用于链接工控主板与物理系统之间进行数据交换；

监控屏幕，用于监视实时内核运行情况、显示控制信号和物理系统运行状态。

7.根据权利要求1所述的一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，其特征在于：实验模块还包括实验电路，实验电路包括信号检测调理电路、脉冲隔离驱动电路、三相逆变桥电路、三电平逆变电路和告警保护电路；

信号检测调理电路包括交流电压检测调理电路、交流电流检测调理电路、直流电压检测调理电路和直流电流检测调理电路；

脉冲隔离驱动电路包括单管驱动电路和单桥驱动电路，单管驱动电路用于驱动直流斩波变换器、单端正激变换器、单端反激变换器和三电平逆变电路电源运行；单桥驱动电路用于半桥变换器、全桥变换器和三相变频/逆变电路的驱动电路；

三相逆变桥电路包括吸收电路和三个桥臂；

三电平逆变电路采用二极管箱位型结构；

告警保护电路包括直流电压过压告警电路、直流电流过流告警电路、交流电流过流告警电路、交流电压过压告警电路以及脉冲封锁电路。

说明书

一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台

技术领域

[0001] 本发明涉及电力实验平台技术领域，尤其涉及了一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台。

背景技术

[0002] 实验教学是理工科院校重要的教学环节，用于教学的实验装备不仅需紧密跟踪本专业的课程规划和本行业技术的最新发展动向，还要有极高的专业性、开放性和创新性。在电力电子教学领域，现阶段的实验设备主要面临如下问题：

[0003] 电力电子技术在近二、三十年得到飞速发展，新器件和新的控制方法不断出现，以往的教学设备主要采用模拟电路或者专用控制芯片方式实现，大多属于演示性或验证性实验,硬件电路固定，系统特性无法随意改变，控制方式单一且不能改变，限制了学生动手能力和创新能力的培养。

[0004] 部分实验设备采用了DSP、ARM、FPGA等处理器实现控制，但是对实验教学或创新时进行二次开发造成了较大难度。学生不仅要学习掌握实验原理、控制策略和代码编写，还需熟悉处理器内部资源和外设电路。此种开发模式下控制策略的算法代码难于编写，不能与控制理论系统框图进行对照，易出错且难于查找改正，控制信号调节困难，开发周期较长。此种模式针对实验教学课时本就不足的本科院校尤其不适用，学生在进行实验时需要掌握太多非专业知识，不仅浪费时间，还会导致学生学习分不清主次，影响电力电子学科的教学质量。

[0005] 专利号：CN201420518214.3，名称为：一种教学用发动机转速测试系统，具有体积小、测量统计方便、可靠性强、便于拓展教学等优点。但是还是存在功能性不强的缺点。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术中电力电子教学领域现有设备不足的缺点，提供了一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。

[0008] 一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，包括远程控制模块、电源监测模块、测量模块和实验模块；

[0009] 远程控制模块包括主机、XPC控制器和Simulink驱动模块库，主机上装有C编译器和MATLAB/Simulink系统，XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；Simulink驱动模块库用于连接XPC控制器接口编写，并控制PCI实时采集控制板卡所对应的Simulink驱动模块；

[0010] 电源监测模块包括交流主电源、直流电机励磁电源和可调电阻负载，直流电机励磁电源包含固定励磁电源和可调励磁电源，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；

[0011] 测量模块包括转速计和电流检测设备，转速计用于检测各种电机的转速，转速计带数显和模拟量输，电流检测设备在实验中作电压和电流测量用；

[0012] 实验模块包括实验电机和电机导轨，电机导轨用于固定实验电机，电机导轨上安装有光电编码器用于测速。

[0013] 作为优选，交流主电源采用三相降压隔离变压器使实验所用的交流电源与电网隔离。

[0014] 作为优选，直流电机励磁电源包含固定和可调两种，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；可调电阻负载为同轴三联可调电阻。

[0015] 作为优选，电流检测设备包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表。

[0016] 作为优选，实验电机包括直流电机、三相异步电机和交流伺服电机。

[0017] 作为优选，XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；

[0018] 工控主板，用于运行XPC实时内核系统，接收主机编译好的实时应用程序，并作为实时应用程序的主体；

[0019] PCI实时采集控制板卡，用于链接工控主板与物理系统之间进行数据交换；

[0020] 监控屏幕，用于监视实时内核运行情况、显示控制信号和物理系统运行状态。

[0021] 作为优选，实验模块还包括实验电路，实验电路包括信号检测调理电路、脉冲隔离驱动电路、三相逆变桥电路、三电平逆变电路和告警保护电路；

[0022] 信号检测调理电路包括交流电压检测调理电路、交流电流检测调理电路、直流电压检测调理电路和直流电流检测调理电路；

[0023] 脉冲隔离驱动电路包括单管驱动电路和单桥驱动电路，单管驱动电路用于驱动直流斩波变换器、单端正激变换器、单端反激变换器和三电平逆变电路电源运行；单桥驱动电路用于半桥变换器、全桥变换器和三相变频/逆变电路的驱动电路；

[0024] 三相逆变桥电路包括吸收电路和三个桥臂；

[0025] 三电平逆变电路采用二极管箱位型结构；

[0026] 告警保护电路包括直流电压过压告警电路、直流电流过流告警电路、交流电流过流告警电路、交流电压过压告警电路以及脉冲封锁电路。

[0027] 本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明是一种可实现电路原理构建、控制算法建模、软件仿真、实时控制及信号观测等全过程实验平台。它能充分体现电力电子现代化、高频化、自动化、数字化的特点，可适用于《现代电力电子技术》、《运动控制》等课程，具有功能性强、反馈及时、操作性强的优点，可在很大程度上促进现代电力电子和运动控制等学科的发展。

附图说明

[0028] 图1是本发明的结构示意图；

[0029] 图2是本发明的原理运行示意图；

[0030] 图3是本发明中交流电压/电流检测调理电路；

[0031] 图4是本发明中本发明中直流电压、电流检测调理电路；

[0032] 图5是本发明中单管驱动电路；

[0033] 图6是本发明中单桥驱动电路；

[0034] 图7是本发明中告警保护电路；

[0035] 图8是本发明中三相逆变桥电路；

[0036] 图9是本发明中三相三电平逆变电路

[0037] 图10是本发明基于xPC技术的Buck电路电压闭环实验控制算法模型；

[0038] 图11是本发明基于xPC技术的FOC变频调速实验控制算法模型。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

[0040] 实施例1

[0041] 如图1至图11所示，一种基于XPC技术的数字电力电子实验平台，包括远程控制模块、电源监测模块、测量模块和实验模块；

[0042] 远程控制模块包括主机、XPC控制器和Simulink驱动模块库，主机上装有C编译器和MATLAB/Simulink系统，XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；Simulink驱动模块库用于连接XPC控制器接口编写，并控制PCI实时采集控制板卡所对应的Simulink驱动模块；

[0043] 电源监测模块包括交流主电源、直流电机励磁电源和可调电阻负载，直流电机励磁电源包含固定励磁电源和可调励磁电源，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；

[0044] 测量模块包括转速计和电流检测设备，转速计用于检测各种电机的转速，转速计带数显和模拟量输，电流检测设备在实验中作电压和电流测量用；

[0045] 实验模块包括实验电机和电机导轨，电机导轨用于固定实验电机，电机导轨上安装有光电编码器用于测速。

[0046] xPC技术采用主机——xPC控制器的“双机”模式，采用以太网进行通讯，主机为Windows系统，安装Matlab/Simulink软件和C编译器，Matlab/Simulink软件作为控制模型的开发环境，可利用MATLAB自带的RTW功能从设计好的Simulink实时控制模型生成ANSI C代码，然后再用C编译器转化为可在xPC控制器上运行的实时应用程序，再通过以太网下载到xPC控制器所运行的xPC实时内核系统中。

[0047] 可以通过MATLAB命令行或者主机Simulink模型界面上的开始按钮控制目标机上的程序的执行，在程序运行期间，用户可以交互的改变模型参数并且迅速的获取、观察实时信号或者把它们保存起来做后续处理。通过主机Simulink中的示波器模块或编写好的GUI能直接观察目标机上的控制信号和物理系统运行状态。

[0048] 实验电机及导轨包括电机导轨、直流电机、三相异步电机、交流伺服电机，其中电机导轨用于安装固定各种实验电机，其一端安装有光电编码器用于测速；直流电机包含直流电动机和发电机两种电机，其中直流电动机用于完成直流脉宽H桥调速和晶闸管直流调速实验，直流发电机带电阻负载，通过改变励磁电流来给不同的电动机加载；三相异步电机用于调压调速和变频调速实验。

[0049] 实验控制程序利用在MATLAB/Simulink中按照控制流程或理论框图进行搭建，与实验电路相对应主要包含两大类，分别是数字电力电子实验和数字交直流调速实验，其中电力电子实验分为几四小类，包含晶闸管整流电路实验、DC-DC电路实验、DC-AC电路实验、AC-DC电路实验；数字交直流调速实验分为3四小类，包含直流电机调速实验、异步电机调速实验、伺服电机调速实验。

[0050] 交流主电源采用三相降压隔离变压器使实验所用的交流电源与电网隔离。

[0051] 直流电机励磁电源包含固定和可调两种，其中固定励磁电源用于直流电动机，可调励磁电源用于直流发电机；可调电阻负载为同轴三联可调电阻。

[0052] 电流检测设备包括交流电压表、交流电流表、直流电压表和直流电流表。

[0053] 实验电机包括直流电机、三相异步电机和交流伺服电机。

[0054] XPC控制器包括工控主板、PCI实时采集控制板卡和监控屏幕；

[0055] 工控主板，用于运行XPC实时内核系统，接收主机编译好的实时应用程序，并作为实时应用程序的主体；

[0056] PCI实时采集控制板卡，用于链接工控主板与物理系统之间进行数据交换；

[0057] 监控屏幕，用于监视实时内核运行情况、显示控制信号和物理系统运行状态。

[0058] 驱动模块库创建采用C语言来编写源码，通过Matlab中的MEX命令将其编译Simulink可调用MEX文件，然后在Simulink中新建一个模型，向模型中添加S-Function并对其进行配置，对其进行封装即可得到一个驱动模块，最后需要创建一个与其相关联的m文件放到对应的路径下，就可将新建的驱动模块添加到Simulink库中了。所述的驱动模块库包含以下资源：

[0059] xPCpwm：可控制PWM输出脉冲的占空比、周期、输出逻辑、启动AD转换、以及在其互补输出时设定死区时间等；

[0060] xPCtimer：在编写控制模型程序时中作为通用定时器使用，可配置其周期并且根绝情况产生中断。

[0061] xPCQEP正交编码模块：有3路捕获功能，从捕获单元引脚输入的正交编码脉冲通过正交编码电路解码和计数，并对其进行译码和计数，从而获得旋转机械的速度和位置的信息。

[0062] xPCCAP：有3路捕获功能，为外部事件需要精确定时的系统提供输入端捕获功能，记录其端口的电平变化并将输入信号状态变化的时间记录到两阶深度的FIFO栈内，可从模块输出端cnt获得定时器捕获到的值。

[0063] xPC Async IRQ Source：这个模块是作为模型控制程序通知xPC控制器CPU和xPC实时内核中的目标应用程序进行中断服务请求的特别函数-回调子系统。

[0064] xPCADC：输出模拟量转换成数字量的值，可以在模块中配置其模拟量转换的量程和输出的数字量的数据类型。

[0065] xPCDAC：将给所给的数字量转换为硬件输出的模拟量，可以在模块中配置其所给的的数字量的数据类型。

[0066] PCI实时采集控制板采用FPGA实现了xPC控制器的主板与物理控制对象之间的信息互交，上电FPGA执行存储器中的配置文件，完成管理定时器、比较器，正交编码，捕获，中断、AD/DA的定时启动等功能，PCI实时采集控制板包含以下硬件资源：

[0067] 模拟量输入：10路独立AD转换，采集量程10V、±10V两档可切换，转换速率300KHz；

[0068] 模拟量输出：6路独立DA转换，每路包有10V、±10V两个输出端，转换速率1MHz；

[0069] PWM输出：15路PWM输出，TTL电平，最高调制频率可达50KHz,占空比最小时间调节5ns，带有外部告警中断功能。

[0070] 数字量输入：16路数字量输入，其中8路为TTL电平输入，另外8路8路为带有光耦隔离的24V电平输入；

[0071] 数字量输出：16路数字量输出，其中8路为TTL电平输出，另外8路8路为继电器输出；

[0072] 1个位置检测接口、1个光电编码器接口；

[0073] 实验模块还包括实验电路，实验电路包括信号检测调理电路、脉冲隔离驱动电路、三相逆变桥电路、三电平逆变电路和告警保护电路；

[0074] 信号检测调理电路包括交流电压检测调理电路、交流电流检测调理电路、直流电压检测调理电路和直流电流检测调理电路；

[0075] 交流电压检测调理电路主要用于逆变电路和PWM整流电路中的交流电压的幅值、相位、频率等信号进行检测，可用作反馈和告警，电路中包含U、V、W三路交流电压检测调理电路，其结构、参数都相同，以U相为例进行说明，电路中采用了2mA/2mA精密电流型电压互感器，互感器原边绕组串接电组接成星形接法，再连到U、V、W三相交流中，互感器的副边感应输出交流电流信号iu，通过一级运放将其转化为交流电压Uu1，然后通过下一级运放对交流电压信号的零位和幅值进行调整输出Uu2，然后通过由运放、线性光耦、运放组成的线性隔离电路输出Uu3，最后通过最后一级运放对隔离后的交流电压信号的零位和幅值进行调整输出标准的-10V～10V的交流电压信号Uu4；

[0076] 交流电流检测调理电路主要用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路中对交流电流的幅值、相位、频率等信号进行检测，可用作反馈和告警，电路中包含U、V、W三路的交流电流检测调理电路，其结构、参数都相同，以U相为例进行说明，电路中采用了霍尔电流互感器，互感器引脚接成3A接法，交流电流通过时输出信号Uiu1，通过一级运放对交流电流信号的的零位和幅值进行调整输出Uu3，后续信号调理电路同交流电压检测电路一样；

[0077] 直流电压检测调理电路主要用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路中对直流电压的幅值进行检测，可用作反馈和告警，直流电压检测采用电阻分压方式获得电压信号Ufu1，通过阻容滤掉其中的高频信号，为防止直流电压过高损坏后级电路用二极管对其钳位，然后通过电压跟随器输出Ufu2，和基准电压一起通过电阻分压对Ufu2进行零位和幅值进行调整输出Ufu3，然后通过由运放、线性光耦、运放组成的线性隔离电路输出Ufu4，最后通过最后一级运放对隔离后的交流电流信号的零位和幅值进行调整，再通过反相器输出标准的0V～10V的直流电压信号Ufu5；

[0078] 直流电流检测调理电路主要用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路中对直流电流的幅值进行检测，可用作反馈和告警，直流电流检测采用电阻采样获得直流电流信号Ufi1，后续信号调理电路同直流电压检测电路一样；

[0079] 线性隔离电路主要作用是为了把信号检测电路和PCI实时采集卡纸板的AD采集进行隔离，增大系统的安全性、稳定性。

[0080] 脉冲隔离驱动电路包括单管驱动电路和单桥驱动电路，单管驱动电路用于驱动直流斩波变换器、单端正激变换器、单端反激变换器和三电平逆变电路电源运行，驱动芯片采用TLP250高速光耦，具有2A的推挽输出能力，电路中采用QA01电源隔离模块把+15V电源变换为+15V和-9V输出供驱动芯片使用，负压可加快功率管的关断，减小功率管的关断损耗；单桥驱动电路用于半桥变换器、全桥变换器和三相变频/逆变电路的驱动电路，驱动芯片采用IR2110，其自举电路可简化驱动电路结构，可是一个桥臂上的两个功率管共用一个驱动芯片；

[0081] 三相逆变桥电路包括吸收电路和三个桥臂；吸收电路采用RCD型吸收电路，吸收电路的R和D之间加了电感和二极管，在三个桥臂上产生高的电压尖峰时通过吸收电路中的二极管D把尖峰电压的能量存储在电容C中，然后通过电阻R缓慢消耗，电路中的电感L是减小三个桥臂在开通瞬间功率管电流峰值，与电感L并联的二极管D的作用是当把逆变桥负载为电机类负载时，把电机的反电动势能量送到直流母线的储能电容中；

[0082] 三个桥臂中的每个桥臂上下的两个功率管的栅极都串联了二极管，起作用是加快功率管的关断，减小上面功率管的反向电压应力。

[0083] 三电平逆变电路采用二极管箱位型结构；

[0084] 告警保护电路包括直流电压过压告警电路、直流电流过流告警电路、交流电流过流告警电路、交流电压过压告警电路以及脉冲封锁电路。

[0085] 直流电压过压告警电路用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路，把直流电压检测调理电路中的Ufu2和告警值UREF接到运放组成的比较器的输入端，比较器输出接晶闸管门极，晶闸管再控制告警指示灯和告警继电器动作，完成告警自锁，此时过压告警信号OV变为低电平，只有在控制电源断开时告警才能解除；

[0086] 直流电流过流告警电路用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路，其电路结构和功能与直流电压检测调理电路类似；

[0087] 交流电流过流告警电路主要用于变频调速电路、逆变电路以及PWM整流电路，包含U、V、W三路交流电流过流告警电路，以其中U相为例，把检测调理电路中的Uiu2和告警值VH1、VL1分别接到两个比较器的输入端，两个比较器的输出端通过二极管组成的或门连接在一起接到晶闸管门极，晶闸管再控制告警指示灯动作，此时过流告警信号UOC变为低电平，把UOC与其他两路告警信号通过二极管组成或门输出三路交流电流告警信号3OC，3OC控制三极管导通似的过流继电器动作。

[0088] 交流电压过压告警电路仅用于PWM整流电路，其结构、参数与交流电流过流告警电路一样。

[0089] 脉冲封锁电路是把上述告警电路中的告警信号输出通过光耦隔离接到缓冲器的选通端，任意告警电路动作发生时封锁PWM波。

[0090] 本发明是一种可实现电路原理构建、控制算法建模、软件仿真、实时控制及信号观测等全过程实验平台。它能充分体现电力电子现代化、高频化、自动化、数字化的特点，可适用于《现代电力电子技术》、《运动控制》等课程，可在很大程度上促进现代电力电子和运动控制等学科的发展。

[0091] 实施例2

[0092] 在图10所示的算法模型中可以看到，其主要组成模块有AD采集模块，PID调节模块，PWM发生器模块，示波器等。该系统通过Switch开环切换可进行硬件在环的开环仿真、闭环仿真。SET给定输出电压的值减去AD采集到的实际输出电压值的差值，经过果PI调节器后输出控制占空比大小的的值，PI调节器的输出连接PWM发生器模块，可调节PWM占空比的大小，通过控制占空比的大小进而控制整个Buck电路的电压输出。

[0093] 实施例3

[0094] 如图11所示，通过AD通道采集的异步电机的两相电流信号经过clarke变换和park变换，将其转换旋转坐标系上的电枢电流的q轴和d轴分量，能够让异步电机控制方式在旋转坐标下的模型等效为一个直流电机工作的方式，再经过ipark逆变换和SVPWM调制方式，使异步电机的调速控制性能达到或接近直流电机的调速性能，其磁场定向方式是按转子磁场定向和磁场观测，因此可使电机的加速控制、稳态控制等性能有一个比较好的控制效果。

[0095] 总之，以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。