通用型電機數字控制實驗平臺

王千龍，蔣 偉，蔣步軍，于 照，景 鑫，吳正飛

（揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000）

電機數字控制實驗系統是指利用數字控制器在電機實驗平臺上改變電機控制方式和功率變換器拓撲結構，進而完成不同類型電機的調速實驗[1]。電機學和微特電機是電氣專業較為難以掌握的專業課程，且涉及電機種類較多。為了學生能夠深入理解每種電機的基本原理和控制方法，教師在課程教學過程中，可以利用實驗平臺引導學生動手調試不同電機，實現理實一體化教學。但由于電機課程涉及電機種類多，全部購置費用高[2]。為此我校電氣實驗室基于 DSP TMS320F28335 研發了一套低成本、易維護的通用型電機數字控制實驗系統。該平臺可以實現有刷直流電機、無刷直流電機、伺服電機、步進電機、開關磁阻電機、永磁同步電機以及異步電機等多種電機的基礎調速實驗。該平臺可以幫助學生學習不同電機的控制原理及數字調速控制方法。

1 實驗平臺硬件

所設計的通用型電機數字控制實驗平臺主要由控制器、隔離電路、驅動電路、功率變換器主電路、上位機、液晶顯示和檢測電路等組成，如圖1 所示。控制器選用TI 公司DSP TMS320F28335，該DSP 具有32 位浮點運算功能，其內部具有針對電機調速系統的捕獲、PWM、ADC 以及編碼器等模塊，是電機控制系統常用的控制芯片[3]。

1.1 驅動電路

為了實現DSP 輸出的控制信號能夠穩定控制功率管的導通和關斷，該平臺選用HCPL-3120 光耦隔離芯片設計了一款開關管驅動模塊[4]。該驅動模塊輸入端為控制器輸出的3.3～5 V 控制信號，輸出端輸出與輸入端相隔離的15 V 控制信號，用于直接驅動功率開關管。本系統所使用驅動電路的原理和實物圖見圖2，每塊驅動板包含2 路相互隔離的驅動信號，學生通過輸出端LED 燈的指示可以直觀判斷控制信號的高低電平狀態。驅動板安裝相對獨立，維護和更換方便。

1.2 功率變換器

圖3 為功率變換器主電路結構示意圖。該主電路由6 個半橋電路組成。每個半橋中點通過導線引出接入相應的電機繞組連接頭。

如果控制有刷直流電機，只需利用2 個半橋，將節點A 和B 連接直流電機繞線兩端，閉合開關管K1 和K4 則電機正轉，閉合K2、K3 則電機反轉。而其他橋臂的開關管則通過控制器的GPIO 口輸出低電平斷開。

圖1 實驗平臺硬件系統結構示意圖和實驗箱等實物

圖2 驅動電路原理圖和實物照片

圖3 功率變換器主電路結構示意圖

如果控制三相異步電機、永磁同步電機或者無刷直流電機（繞組星型連接），則需要利用3 個半橋組成三相橋式電路，利用CCS 開發環境，編寫SPWM 或者SVPWM 控制程序，輸出相應的PWM 信號控制開關管K1—K6。

如果控制兩相開關磁阻電機，需要利用4 個橋臂，通過控制器輸出低電平關斷開關管K2—K5，組成2個不對稱半橋主電路。

6 個半橋同時使用則可以控制三相開關磁阻電機（主電路設置為三相不對稱半橋結構）和無刷直流電機（繞組獨立）。

通過上述對主電路的配置，可以在一套功率變換器硬件基礎上，通過軟件編程設計，實現不同種類電機的調速實驗，硬件成本大大降低，實驗平臺體積很小。

1.3 電流/電壓檢測電路

采用電流傳感器對電流進行采樣檢測，如圖 4所示。選用LEM 公司的LA55-P 電流傳感器，可測得最大電流為50A。該電流傳感器為±15 V 供電，輸入為電流信號，從霍爾傳感器的控制電流端通入電流，電流信號通過采樣電阻變成電壓信號，選用合適阻值的采樣電阻使得輸出電壓保持在0～3 V，輸入到DSP控制器中。

圖4 電流檢測電路原理圖和實物照片

采用電壓傳感器對電壓進行采樣檢測，如圖5 所示。電壓傳感器型號為TBV10/25A，該傳感器輸入為電流信號，所以將待測電壓信號經過電阻變成電流信號，根據輸入電壓的大小，選用不同阻值不同功率的電阻，控制輸入電流為10 mA 以內。傳感器的輸出信號也是電流信號，通過采樣電阻變成電壓信號，選用合適的采樣電阻，控制輸出電壓保持在0～3 V，輸入到DSP 控制器中。

圖5 電壓檢測原理圖和實物照片

1.4 隔離電路

為確保位置信號與DSP 信號相互隔離以及電平匹配，本系統選用6N137 光耦與CD40106 施密特觸發器設計了一款隔離模塊，可將電機位置信號（編碼器或者霍爾元件輸出的位置方波信號）經過整形處理再轉換成與DSP 電平相匹配的隔離信號傳遞給DSP控制器，本系統所使用隔離電路如圖6 所示。

圖6 隔離電路原理圖和實物照片

2 實驗平臺搭建與結果分析

利用上述模塊完成了通用型電機數字控制實驗平臺的搭建，如圖7 所示。實驗平臺采用雙層亞克力板，底層主要放置功率變換器、電源、驅動以及檢測模塊等，頂層主要有控制器、功率變換器引出節點端子和液晶顯示模塊等。整套實驗平臺放置于實驗箱內，具有較好的便攜性。該實驗平臺搭建完成后主要完成了三相開關磁阻電機[5-6]、兩相開關磁阻電機[7]、三相異步電機[8-9]和直流電機[10-11]的調速實驗。

圖7 通用型電機數字控制實驗平臺

（1）實驗一：三相開關磁阻電機調速實驗。通過GPIO 口設置，使得功率變換器中開關管K2、K3、K6、K7、K10 和K11 呈現關斷狀態，功率變換器變為三相不對稱半橋結構。實驗需要將開關磁阻電機的位置信號通過隔離模塊輸入到控制器的編碼器模塊，控制器根據位置信號判斷電機每相的相對位置，再結合開通關斷角輸出每相繞組的開通和關斷信號。控制信號經過隔離模塊直接控制開關管的開斷。本實驗使用一臺500 W 三相6/4 結構開關磁阻電機，設置開通角0°，關斷角40°，PWM 頻率為10 kHz，占空比為70%，完成了其開環調速試驗。圖8 為該電機相電流波形。

圖8 三相開關磁阻電機相電流波形

（2）實驗二：兩相開關磁阻電機調速實驗。針對一臺500 W 兩相高速開關磁阻電機，完成其閉環調速實驗。通過GPIO 口設置，使得功率變換器中開關管K2、K3、K6、K7、K9、K10、K11 和K12 呈現關斷狀態，功率變換器變為兩相不對稱半橋結構。將電機位置檢測霍爾信號經過隔離模塊輸入到控制器的捕獲單元，通過位置信號的上升和下降沿判斷各相的導通區間。控制器根據轉速偏差，利用PI 調節器輸出占空比可調的PWM 控制信號，完成該電機的轉速閉環實驗。設置電機給定轉速分別為6 000、25 000 和17 000 r/min，通過頻壓轉換模塊測得其轉速曲線，如圖9 所示。

圖9 兩相開關磁阻電機轉速曲線

（3）實驗三：三相異步電機調速實驗。實驗對象為一臺200 W 三相異步電機。通過GPIO 口設置，使功率變換器中開關管K7—K12 呈現關斷狀態，功率變換器變為三相全橋結構。利用CCS 開發環境，完成SVPWM 編程[12]，通過DSP 的PWM1–PWM6 輸出相應的PWM 信號。圖10 為三相異步電機繞組端電壓波形。將三相異步電機換成LC 濾波器可得到如圖11 所示的三相交流電壓信號，該實驗亦可作為電力電子技術課程三相逆變電路設計部分。

圖10 三相異步電機端電壓波形

圖11 三相交流電壓波形

（4）實驗四：直流電機調速實驗。實驗對象為一臺100W 有刷直流電機。通過GPIO 口設置，使得功率變換器中開關管K1 和K4 始終呈導通狀態，K2 和K3 呈現關斷狀態，節點A 和B 接入直流電機勵磁繞組。此外，開關管K9—K12 呈關斷狀態。通過控制器控制開關管K5 和K8 導通使得電機正向旋轉，控制開關管K6 和K7 導通使得電機反向旋轉。圖12 為直流電機電樞繞組的電壓和電流波形。

圖12 直流電機相電流波形

3 結語

本文基于TI DSP TMS320F28335 設計了通用型電機數字控制實驗平臺，給出了驅動電路、隔離電路、電壓/電流采樣電路和通用型主電路的原理圖。根據功率變換器不同節點的配置完成多種電機的調速實驗。給出了三相開關磁阻電機、兩相高速開關磁阻電機、三相異步電機以及直流電機的控制方法和實驗結果。該實驗平臺可適用于多種常規電機和特種電機的調速實驗，硬件成本低、維護簡單、便攜性好。