案例分享 | 仲愷農業工程學院—新工科電力電子與電機控制教學實驗臺（YXMBD-TE1000）
發布時間：
2024-01-26 15:55
來源：
原創
仲愷農業工程學院（Zhongkai University of Agriculture and Engineering）簡稱“仲愷”，以廖仲愷名字命名，位于廣州市，是國家首批卓越農林人才教育培養計劃高校，教育部本科教學評估優秀學校，未來技術技能與人文交流人才國際訓練基地，廣東省特色高校提升計劃建設高校，為中國-拉丁美洲農業教育科技創新聯盟、一帶一路暨金磚國家技能發展國際聯盟成員。
仲愷農業工程學院前身為1925年提議創辦的仲愷農工學校；于1927年3月正式招生；于1984年升格為本科院校，定名“仲愷農業技術學院”；于2006年獲得碩士學位授予權；于2008年3月更名“仲愷農業工程學院”；于2021年獲批博士學位授予立項建設單位。
截至2022年6月，學校有海珠、白云2個校區，校園總規劃面積2484畝，現占地面積1765畝；下設二級學院（教學部）20個，開設本科專業64個；有碩士學位授權一級學科9個、碩士專業學位授權類別6個、博士后科研工作站1個；有全日制在校本科生、研究生27838人，教職員工1658人。
現代電力電子技術發展趨勢
電力電子在現代工業中的重要角色
電力電子技術作為門新興的交叉學科，在能源革命中扮演著重要角色，電力電子技術的應用必須要進行相應的充分準備才能將其優勢發揮到最大，否則該技術的潛能不能得到工程技術人員的深刻認識，或者預期的節能效果也可能會因為錯誤的參數設置而無法實現。
現代工業對電氣工程技術人員的專業素質提出越來越高的要求，電力電子專業人員不僅要具備扎實的理論知識、全面的計劃能力，還要掌握接線和參數設置等實踐技能。因此，面向技術應用的高等工程必須要強調實踐導向。
學習和理解電力電子與驅動技術的基礎知識
研旭電力電子與驅動控制的實驗平臺系統讓學習和實驗變得更簡單、更高效。豐富的基礎和進階實驗硬件配置方案不僅能讓學生進行復雜的實驗，還能夠循序漸進地傳授理論知識，幫助學生獲得工程實踐技能和科研項目經驗。實驗從簡單的晶體管開關開始，到介紹調制方法，再到闡釋復雜的變速直流驅動和三相驅動原理，系統化的實驗項目都配備了內容豐富的互動式實驗教學軟件。詳細的多媒體實驗指導手冊和本安型的實驗設備則讓項目式的實驗學習過程變得輕松有趣。課程軟件能圖形化顯示所有實際測量值或控制實驗硬件設備。軟硬互動的實驗方式大幅提高學習效果。
現代電氣傳動技術的開發和分析工具
為了應對技術變革帶來的挑戰，現代工業企業迫切需要高素質的工程技術人才，除了掌握扎實的專業知識，他們還要熟悉并掌握在工程技術中廣泛應用的高效工具的使用方法。在全球范圍內，Matlab®/ Simulink®編程語言已成為科學技術計算和仿真的行業標準。借助Matlab®/ Simulink®高級語言及其數值計算、可視化和編程等交互環境，驅動控制技術的開發周期得到大幅縮短。當前，電力電子技術的應用范圍正在不斷擴大。這些工業化的工具使用過程十分復雜，因此必須通過理論聯系實際的方式，特別是借助實驗系統和“半實物仿真”的實驗方式，進行系統地傳授和學習。在培養未來工程師的方面，全世界的高等院校都有義不容辭的責任。
基于模型開發MBD半實物仿真
研旭驅動控制器可通過編程接口實現自由編程。借助YXSPACE-SP1000實驗系統可在Matlab®/Simulink®中實現復雜變速驅動的快速仿真，然后將生成的代碼程序寫入驅動控制器中。在可變負載條件下，學生還可以使用拓展工具對系統進行復雜分析。Matlab®/Simulink®是高等院校廣泛使用的實驗和科研軟件，研旭電力電子實驗系統實現驅動硬件系統與該軟件的實時互動操作，為電力電子和驅動技術實驗教學和科研提供了一種新方式。
實驗平臺介紹
實驗平臺能滿足高等院校“電力電子技術”、“半導體變流技術”、“電機控制（直流電機調速、交流電機調速及變頻調速）”等課程實驗教學。
系統構架
系統特點
更精細的模塊化單元封裝
● 采用更為美觀、集成度高的封裝形式。
● 模塊化更合理，數字化更突出。
更完善的安全保護機制
● 具備硬件保護和軟件保護雙重保護，可靠性高，軟件保護可大大減少器件的損壞，可避免出現經常換器件的麻煩。
更細致的實驗指導教程
● 創新的交互式實驗課程軟件，提供進行實驗所需的各種支持。它不僅提供實驗過程指導，還提供相關理論知識講解介紹，記錄測量結果，并可導出各類數據。
理論仿真驗證與實際元件實驗驗證相結合
● 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
● 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
更靈活，更開放
● 硬件模塊化設計，多種實驗拓撲模塊可選，同時，可根據需求定制各種不同的功率硬件，拓撲結構、功率級別、傳感器的數量位置等均可以變化。
● 軟件模塊化設計，編程和監控全部采用基于模型的可視化設計方法，提供各類驗證過的算法模型，可直接組合調用，大大縮短上手時間。
更可信，更可靠
● 采用高可靠性的功率模塊和經過完善測試的接口模塊，故障率低
● 具備數字仿真和物理電路雙重驗證，設計更靈活，實驗數據更具說服力。
系統組成
電力模塊與接線拓撲
快速原型控制器（RCP）
采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結果針對實際 研究更具有參考性；
◆ 保護機制齊全，此部分不需要用戶實際搭建保護模型，只需配置控 制量的極限值即可實現實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更
多的關注于核心控制算法；
◆ 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，免去一切不必要的麻煩；
◆ 具備自主編寫的驅動庫，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，將模型中的數據直接 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 于各種工程調試需求。
實驗管理及課程培訓系統
實驗管理系統主界面
◆ 創新的交互式實驗課程軟件，提供進行實驗所需的各種支持。它不僅 提供實驗過程指導，還提供相關理論知識講解介紹，記錄測量結果， 并可導出各類數據。
◆ 實驗課程軟件需集成所有的實驗例程，統一在一個軟件中運行，可一 鍵打開，自動完成程序的下載、仿真以及數據的在線觀測。
◆ 實驗課程軟件需提供進行實驗所需的各種支持。包括但不限于實驗指 導書，相關理論知識講解、自動記錄實驗過程中的各種數據，導出各 類數據。
◆ 支持Matlab運行環境及Simulink實驗仿真模型，結合實驗課程，可直 接一鍵打開模型并自動搭建UI界面，提供離線模式和在線模型，可直 接進行仿真實驗驗證。
◆ 每一個例程都提供離線仿真模型和實物控制模型，學生導入模型，進 行虛擬仿真和實物控制的實驗驗證。
◆ 原理理論學習，實驗管理系統提供相關實驗的理論內容與輔助教學視 頻，可由教師機進行管理。
實驗例程集成融合
獨立例程說明書集成可直接打開
◆ 集成所有實驗例程，系統可自動導入相應實驗的 Simulink控制模型，無需打開其他軟件。
◆ 可導入預設實驗控制界面，集成章節化的實驗說明手冊，在實驗工程文件基礎上按照實驗指導進行控制操。
離線matlab模型集成調用
在線matlab模型集成調用
◆ 可自動抓取實驗數據、完善實驗報告，提交實驗報告， 若有其他開放性實驗，可自己建立相關模型進行驗證。
◆ 可自動保存實驗過程中產生的各種數據，支持自主導入控制模型，進行快速原型控制器的程序一鍵生成與燒寫。
◆ 數據庫管理系統，并具備錄波功能，波形數據可直接在matlab或第三方軟件中打開并查看。
開發設計學習流程
實驗內容
Matlab/Simulink軟件仿真基礎
1、電力電子技術概念開發設計學習流程
2、電力電子器件概述
3、Matlab及Simulink介紹
4、PWM的基本原理和控制方法
5、PWM在Simulink的生成
6、SPWM的基本原理和控制方法
7、SPWM在Simulink的生成
基于模型開發（MBD）半實物仿真介紹
1、基于模型開發（MBD）理念介紹
2、快速原型控制器（RCP）介紹
3、RCP控制器與matlab對接操作
4、Simulink離線模型的分割與硬件模型庫的調用
5、RCP實時仿真監控系統界面的搭建
晶閘管整流與調壓變換實驗（SCR）
1、單相半波整流電路實驗
2、三相半波整流電路實驗
3、單相橋式半控整流電路實驗
4、三相橋式半控整流電路實驗
5、單相橋式全控整流電路實驗
6、三相橋式全控整流電路實驗
7、單相交流調壓電路實驗
8、三相交流調壓電路實驗
（以上實驗均提供離線模型仿真+半實物模型控制仿真，可相互論證）
直流-直流DC-DC變換實驗(MOSFET)
1、Buck斬波電路實驗
2、Boost斬波電路實驗
3、Buck-Boost斬波電路實驗
4、Cuk斬波電路實驗
5、Sepic斬波電路實驗
6、Zeta斬波電路實驗
7、雙向半橋DC/DC斬波電路實驗
8、四開關管Buck-Boost斬波電路實驗
（以上實驗均提供離線模型仿真+半實物模型控制仿真， 可相互論證）
直流-交流DC-AC變換實驗（IGBT）
1、單相正弦波脈寬調制(SPWM)整流電路實驗
2、三相空間電壓矢量（SVPWM）整流電路實驗
3、單相正弦波脈寬調制(SPWM)獨立逆變電路實驗
4、單相正弦波脈寬調制(SPWM)并網逆變電路實驗
5、三相空間電壓矢量（SVPWM）獨立逆變電路實驗
6、三相空間電壓矢量（SVPWM）
實際項目案例分享
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在永磁同步電機（PMSM）的矢量控制中，需要解決速度過沖和轉矩脈動現象。電動汽車（EV）中 PMSM 的驅動控制有兩個前提條件。第一是必須確保車輛的整體控制，第二是在保證電機穩定控制的同時，確保車輛控制的經濟性。因此，本文首先提出了模糊分數階指數收斂律滑模控制（F-CFSMC），它是以在線修正分數階滑模面的指數收斂律為目的而構建的。它用參數明確表達了分數階滑模面的到達時間和收斂速度。利用Lyapunov方程證明了 F-CFSMC 的穩定性。F-CFSMC 適用于具有不同參數的PMSM。接下來，引入了考慮電動汽車電池參數因素的模糊控制器，將鋰電池和PMSM結合起來，以提高能量利用率。至此，雙層次模糊分數階指數收斂律滑動模式控制（DF-CFSMC）構建完成。此外，還使用 DF-CFSMC 和傳統 PMSM 控制進行了比較仿真和實驗，并在 PMSM 分層中得到了結果。在電動汽車分層應用中也進行了仿真，以顯示 DF-CFSMC 的通用性、可重復性和優勢。
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