電力電子與電力傳動DSP-HIL教學(xué)實驗平臺設(shè)計

畢大強, 郭瑞光, 陳洪濤

(清華大學(xué) 電機系 電氣工程實驗教學(xué)中心, 北京 100084)

電力電子和電力傳動技術(shù)的飛速發(fā)展,正在快速改變?nèi)藗兊纳罘绞?例如高鐵技術(shù)改變了人們的出行方式,微電網(wǎng)正在改變著能源結(jié)構(gòu),電動汽車也在快速進入人們的日常生活。高校在這方面的教研步伐必須要跟上當(dāng)前的發(fā)展需求。硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)在工業(yè)電力電子與電力傳動領(lǐng)域越來越受到重視,廣泛應(yīng)用在微電網(wǎng)研究、汽車控制器研發(fā)等領(lǐng)域,實現(xiàn)了先進控制算法快速驗證和產(chǎn)品控制器的快速研發(fā)[1-4]。

文獻[5]中采用RT-LAB搭建船舶電力系統(tǒng)逆變器并聯(lián)HIL控制結(jié)構(gòu)；文獻[6]中廣汽集團采用dSPACE設(shè)計了雙轉(zhuǎn)子電機的HIL實驗平臺,改善測試調(diào)節(jié)和實驗依據(jù)；文獻[7]中搭建了基于RTDS的電力系統(tǒng)聯(lián)合實時仿真HIL系統(tǒng),用于分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制；文獻[8]中一汽集團采用NI硬件搭建HIL系統(tǒng),并將其應(yīng)用到整車系統(tǒng),測試效率大幅提高,并且降低了汽車售后的電氣故障發(fā)生率和返修率；文獻[9]中基于NI PXI 設(shè)計了BMS硬件在環(huán)測試系統(tǒng),確保BMS產(chǎn)品設(shè)計過程的安全性、穩(wěn)定性和可靠性分析。

但是,當(dāng)前高校配合電力電子與電力傳動教學(xué)的HIL技術(shù)實驗平臺研發(fā)較少。為加強學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng),本文研制了基于DSP28335控制器的電力電子與電力傳動HIL教學(xué)實驗平臺。該平臺采用NI實時仿真器負責(zé)運行實時主電路模型,Starsim軟件將模型導(dǎo)入仿真器中。采用MATLAB/Simulink代碼生成技術(shù),將仿真控制算法快速生成控制代碼,利用CCS軟件將生成的控制算法,下載到DSP28335控制器中,實現(xiàn)對主電路模型的控制。驗證仿真控制算法在實際控制中的性能,消除在實際控制中存在的缺陷,并測試極端情況、故障情況下控制器的功能是否完善。減少算法二次編程及驗證時間,提高先進算法在電力電子與電力傳動系統(tǒng)控制中應(yīng)用的效率,方便學(xué)生快速設(shè)計復(fù)雜電力電子系統(tǒng)。DSP28335控制器測量資源豐富,可以實時觀察控制器的運行情況,方便學(xué)生理解控制算法機理,實驗過程安全。該實驗平臺不僅可以提高學(xué)生對電力電子與電力傳動理論理解能力,還可快速提高學(xué)生的動手能力和科研能力。

1 電力電子與電力傳動DSP-HIL平臺設(shè)計

1.1 平臺拓撲結(jié)構(gòu)

電力電子與電力傳動DSP-HIL平臺的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。實驗平臺由PC上位機、DSP控制器和NI仿真器組成。DSP控制器運行電力電子與電力傳動系統(tǒng)控制算法；NI仿真器運行電力電子與電力傳動系統(tǒng)的功率電力部分；PC上位機實現(xiàn)電力電子技術(shù)算法的研究和電力電子功率電路的搭建,并負責(zé)為DSP下載控制算法,為NI仿真器下載功率電路。

圖1 平臺的拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 平臺軟硬件組成

電力電子與電力傳動DSP-HIL教學(xué)實驗平臺軟硬件組成如圖2所示。PC上位機與平臺相關(guān)的軟件有MATLAB/Simulink、CCS和Starsim軟件；DSP28335控制器硬件由片上資源和片外資源構(gòu)成；NI實時仿真器由PXI實時控制器和FPGA卡組成。

圖2 平臺軟硬件組成結(jié)構(gòu)

PC上位機主要實現(xiàn)兩部分功能,一為對DSP28335進行程序的編譯和下載,二為對NI實時仿真器搭建電力電子系統(tǒng)FPGA實時仿真模型。在第一部分功能里,為了使學(xué)生更好地利用代碼自動生成技術(shù),快速實現(xiàn)控制算法的應(yīng)用,在實現(xiàn)DSP28335程序之前,首先利用CCS軟件搭建程序框架,然后利用MATLAB/Simulink編寫控制代碼,并且自動生成.c程序,加載到CCS程序框架中,如圖3所示。然后編譯下載到DSP28335中,實現(xiàn)DSP算法與仿真中控制算法一致。第二部分功能則利用Starsim軟件搭建FPGA硬件電路。

圖3 自動代碼生成

DSP28335被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的電力電子控制領(lǐng)域。為使學(xué)生與實際工程應(yīng)用更快接軌,本文采用DSP28335控制器作為主控單元,控制速度與精度符合當(dāng)前工程應(yīng)用需求。采用DSP+CPLD架構(gòu)使控制器資源更加豐富,提高控制器靈活性及利用率。采用代碼生成技術(shù),編程方式簡單,使學(xué)生將注意力更多集中于對算法的研究。

采用NI實時仿真器搭建實際電路結(jié)構(gòu),而仿真器采用PXI實時控制器+FPGA板卡架構(gòu)實現(xiàn)。FPGA板卡負責(zé)運行主電路結(jié)構(gòu),以及模擬量數(shù)據(jù)輸入輸出、PWM波形接收和編碼器等快速信號處理。PXI實時控制器負責(zé)將上位機送來的電路結(jié)構(gòu)傳遞到FPGA中,并且實時監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù),通過示波功能反饋給學(xué)生,使學(xué)生更加直觀地理解主電路內(nèi)部運行情況。

2 實驗平臺搭建與實驗

2.1 電力電子與電力傳動DSP-HIL平臺搭建

實驗平臺的外觀如圖4所示。

圖4 實驗平臺外觀

(1) NI PXI仿真器由NI PXI 1071機箱、NI PXI 8840控制器和NI PXI 7868R FPGA板卡組成。上位機Starsim軟件通過以太網(wǎng)線與仿真器通信,利用Starsim軟件為仿真器下載主電路部分,并監(jiān)控電路狀態(tài)。

(2) 自主設(shè)計的DSP控制器主控制單元采用TI DSP28335芯片,CPLD芯片為DSP進行功能外擴,數(shù)據(jù)AD采集采用外部高精度采樣芯片,采樣速率200 kHz,外擴以太網(wǎng)通訊接口,方便接入互聯(lián)網(wǎng)。還設(shè)計了符合NI仿真器的硬件接口,減少不必要的跳線連接。如圖5所示。

(3) 測量板將模擬量采集信號和PWM輸出信號引出,方便外接示波器觀察控制測試的實時變換情況。

2.2 DSP-HIL教學(xué)實驗案例

利用電力電子與電力傳動DSP-HIL教學(xué)實驗平臺,搭建了一個永磁同步電機控制系統(tǒng),用Starsim軟件搭建電力電子主電路部分,用Simulink軟件實現(xiàn)控制算法。如圖6所示。

圖5 DSP控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 主電路搭建與控制算法實現(xiàn)

圖7所示為轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)切換過程,可觀察轉(zhuǎn)速變化情況和電流變化情況。

圖7 轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)切換過程

圖8為電機突加6 Nm負載時,轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電流的變化情況。

圖8 電機突加6 Nm負載轉(zhuǎn)矩

3 結(jié)語

為提高電力電子與電力傳動實驗教學(xué)水平和教學(xué)效果,設(shè)計了基于DSP28335的電力電子與電力傳動DSP-HIL實驗教學(xué)平臺。該平臺利用自動代碼生成技術(shù),快速將理論與實際結(jié)合,提高學(xué)生理解能力。利用DSP28335控制器的豐富資源,可以開發(fā)更多實驗資源,如電力電子變換器控制、電機控制、風(fēng)力發(fā)電控制、光伏發(fā)電控制、儲能變流器控制等。該實驗平臺配合理論課教學(xué),將有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。