第一届江苏省电源新技术研讨会大会报告—基于模型设计的电控系统教学科研实验平台

 

南京研旭电气科技有限公司的基于模型设计的电控系统教学与科研实验平台，这里说的电控主要指的是电力电子、电机的PWM控制。

 

主要分以下5块内容介绍，首先介绍平台的革新理念，基于模型设计，然后介绍一下研旭产品YXSPACE系列快速原型控制器、YXPHM系列功率硬件模组产品、YXPHCP系列电力电子与电机集成平台、最后介绍一下YXMBD系列基于模型设计的新工科实验平台。

 

电力电子控制与电机控制的教学与科研实验平台并不新鲜，这是目前应用比较多的实验平台，这样的实验平台架构应该都有20多年没怎么变化了，在这个类似实验平台架构下，学生能够掌握基本的接线操作，对电力电子实物元件有了直观的认知。

 

一、MBD基于模型开发

 

但近年PWM控制技术迅猛发展，控制算法越来越复杂，原先的纯模拟驱动基本都被数字驱动替代，这样的平台比较缺乏数字控制，不太利于学生做一些算法控制型的实验。

 

电力电子与电机控制的科研平台情景这个大家也比较熟悉，一般我们先要做离线的算法仿真，算法通过后是一定需要实物验证的，此时就需要设计控制板，功率硬件电路，甚至是机箱，散热，人机界面等的结构设计，我们南京研旭就提供了其中的DSP仿真器，DSP评估板，也根据用户需求定制功率硬件，可以说大家非常迫切需要从算法，软件，硬件，结构这样的全才型的人才加入团队，但另外一方面对加入科研团队人员来说，尤其是研究生人员来说调试一个硬件问题，调试一个软件问题，尽管短暂的有个实践成就感，但是成果成就感就缺乏了，随着国内科研环境的提升，科研目标的提升，科研人员需要有更大力度的创新，能够解决更基础更关键性的一些问题，但精力是有限的，当把很多的精力纠结在程序的BUG中，纠结在电子元件的虚焊中，就可能少读几篇最新进展的论文，对算法的思考，对关键指标控制的优化的时间就相对少了。在新的科研形势下，突出重点，明确分工，是势在必行。

 

 

为此我们投入了基于模型设计的电控系统教学与科研实验平台的研发，这是基于模型设计的V型开发流程，V型开发流程已经被成功应用于汽车，航天等复杂系统行业。电力电子中算法仿真研究的阶段，对应这里叫做模型在环，MODEL IN LOOP, MIL，要验证离线仿真的结果，需要在实物平台尝试，实物平台可以分为控制器与控制对象，如果要快速验证控制算法，就需要快速实现控制器以及控制器的执行代码，通过RCP 快速原型控制器可以迅速将仿真软件中算法快速转换为执行代码，快速评估算法执行，我们研旭提供了YXSPACE系列快速原型控制器。在某些应用场合下，实际被控对象复杂或者实验成本较高，此时通过高性能的控制器来模拟被控对象，对应这里叫做硬件在环控制HIL，HIL依然不能完全验证控制器或者算法的可执行性，最终还需要实际实物平台的验证。通过基于模型开发的V型开发流程，将算法，硬件，软件，实物对象，验证测试等环节，做了模块化分割，可以方便的进行团队内分工，也方便团队成果的继承，可以大幅提高团队的研发效率。

 

 

二、YXSPACE系列快速原型控制器

 

南京研旭电气在原来DSP开发板与定制性功率硬件基础上，分别推出了YXSPACE系列快速原型控制器，以及YXPHM功率硬件模组。

 

目前我们推出了三款快速原型控制器，算法执行内核都是基于TI的DSP，分别是SP1000,算法内核采用F28335，一体式结构，这一款控制器非常接近工业环境下的实际的电力电子与电机控制的控制器，SP2000,算法内核采用F28377,背板插件式结构，除了多了部分资源以外，SP2000的板卡是根据实际情况灵活配置的，SP6000算法内核采用TI 6000系列的DSP，具有更多的资源，随着算力的提高，也可以实施一些单核运算的被控对象，SP6000在我们目前应用的案例中，通过进一步外设扩展，有控制100多路PWM的案例。

 

 

目前我们的快速原型控制主要支持的是SIMULINK环境下的模型代码转换，实际我们控制器也可以支持PLECS或者PSIM等电力电子仿真软件的模型代码转换，但我们目前封装了SIMULINK下对应的外设驱动库。

 

YXSPACE驱动库

 

为了方便RCP的使用，我们也在不断完善与增加例程，有了配套的例程，用户可以更方便使用我们的RCP，部分例程可以提供给用户对照，部分例程用户可以只要替换算法部分就可以快速评估自己的算法。

 

快速原型控制器的例程

 

RCP的控制界面我们采用尽量简洁，易上手的方式，界面内容用户可以根据需求进行部分定制。所有的跟踪波形与变量都可以进行数据保存，数据导出。可以进一步放到MATLAB环境下进一步分析。

 

组态化的监控界面

 

三、YXPHM系列组合式电力电子模块

 

RCP解决了用户控制器硬件与代码编写的问题，那硬件的问题就由YXPHM功率硬件模块来解决。研旭提供了各类常见的功率模块，比较典型的有三相两电平、三电平、DAB等功率硬件模组，这些功率硬件模组默认我们提供DSP板卡与RCP两种接口，采用亚克力封装，也可以根据用户，进行机架式机箱封装。

 

 

我们也接受一些部分我们能理解的特殊拓扑的定制，我们也提供宽禁带器件SIC,GAN的评估功率板。

 

谈到模块化功率硬件模组，必然会谈到MMC,我们也推出了以全桥、半桥为单元的MMC，在以上提供的功率硬件，一般我们都会提供相应的DSP或者RCP的测试例程。

 

四、YXPHCP系列功率硬件集成平台

 

为了进一步方便用户的系统测试，算法评估，我们也推出了电力电子、电机控制集成测试平台，根据用户要求提供定制式的电机台架以及相关通用仪器的集成。

 

 

随着我们功率硬件的进一步成熟，我们也将功率硬件模块应用到终端产品上，我们推出了研旭的终端测试电源，与测试负载，我们现在也提供高精度可编程直流源，光伏模拟源、电池模拟器、可编程交流源，电网模拟器、RLC负载、电子负载等通用仪器。

 

 

五、新工科教学科研实验平台

 

在教学领域内，我们则推出了基于模型设计的新工科电力电子实验平台，这个平台尽量保留传统平台的基础实验，引入快速原型控制器，以及配套的实验平台软件，实现数字化测量，快速原型控制，数字实验报告。

 

 

 

该平台下的实验流程如下，首先依然要了解基本的实验原理，然后进行离线仿真，离线仿真通过后，进行快速原型控制，将离线仿真中控制模型分割后，相应的I/O跟实际硬件一一对应，即可一键代码生成，通过定制UI界面，观察自己想要跟踪的波形与中间变量，或者交互开关等设置，然后实物实验，结果记录，报告撰写。

 

 

在该平台下，我们可以进行的实验如图，晶闸管，MOSFET，IGBT的交直流实验，电机控制实验通过配置不同的模块实现。

 

 

实验平台主要组成如下，包含各类实验模块，各类实验模块可以灵活的按照教学与科研需求进行配置，为了优化教学平台的成本，采用具有更高性价的SP1000。

 

 

在实验系统中，配套的软件系统与电子教程，每个实验都配置例程，操作说明，操作视频，实验报告。用户可以进行离线仿真与实物仿真对照，不同控制方法之间比照学习与研究。

我们期望这样的实验平台能够让同学们能够更深入的了解与掌握电力电子与电机的控制原理。