摘要
随着现代电力电子技术与数字控制技术的发展，电力电子与电机控制技术也在不断发展，实验教学是电力电子与电机控制课程非常重要的内容，对于培养学生掌握理论知识，分析和解决实际问题的能力具有重要作用。然而不少学校的电力电子与电机控制实验平台依然是基于90年代的电力电子与电机控制技术发展而来的实验平台架构，依然基于模拟信号触发与控制，与现代的电力电子控制与电机控制技术有较大的脱节。南京研旭推出的YXMBD系列电力电子与电机控制实验教学平台采用基于模型设计的思想，结合当下DSP数字控制技术与电力电子，电机控制方法，将离线仿真与实物控制验证结合，可大大提高实验教学的效率与质量。
关键词 电力电子实验 电机控制实验 基于模型设计 快速原型控制 YXMBD YXRCP
1、引言
现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出越来越高的要求，电力电子专业人员不仅要具备扎实的理论知识、全面的计划能力，还要掌握接线和参数设置等实践技能。研旭电力电子与驱动控制的实验平台系统让学习和实验变得更简单、更高效。丰富的基础和进阶实验硬件配置方案不仅能让学生进行复杂的实验，还能够循序渐进地传授理论知识，帮助学生获得工程实践技能和科研项目经验。实验从简单的晶体管开关开始，到介绍调制方法，再到阐释复杂的变速直流驱动和三相驱动原理，系统化的实验项目都配备了内容丰富的互动式实验教学软件。详细的多媒体实验指导手册和本安型的实验设备则让项目式的实验学习过程变得轻松有趣。课程软件能图形化显示所有实际测量值或控制实验硬件设备。软硬互动的实验方式大幅提高学习效果。
研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YXSPACE-SP1000实验系统可在Matlab®/Simulink®中实现复杂变速驱动的快速仿真，然后将生成的代码程序写入驱动控制器中，如图1所示。在可变负载条件下，学生还可以使用拓展工具对系统进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校广泛使用的实验和科研软件，研旭电力电子实验系统实现驱动硬件系统与该软件的实时互动操作，为电力电子和驱动技术实验教学和科研提供了一种新方式。
图1 基于模型开发MBD半实物仿真
2、基于模型设计的实验平台设计
实验平台能满足高等院校“电力电子技术”、“半导体变流技术”、“电机控制（直流电机调速、交流电机调速及变频调速）”等课程实验教学。
2.1系统构架
基于模型设计的实验平台构架如图1.2所示，学生在学习玩理论知识后，先尝试通过离线仿真进行相关实验，离线仿真并不等同于实物，有部分的参数设置，实验效果都需要实物进一步验证，但学生通过离线仿真理论建模部分可以进一步加深理论理解，其中的控制方法可以剥离出来进一步在实验平台上进行实物验证，从课堂学习，离线仿真，到实物验证，学生可以多角度的加深对学习内容的理解，剥离出来的控制算法通过研旭提供的实验平台与YXSPACE系列快速原型控制器一键生成实际平台控制代码，结合研旭提供的模块化硬件实物平台可以快速实物验证相关实验。
图2 基于模型设计的实验平台构架
2.2 系统特点
更精细的模块化单元封装
采用更为美观、集成度高的封装形式。
模块化更合理，数字化更突出。
更完善的安全保护机制
具备硬件保护和软件保护双重保护，可靠性高，软件保护可大大减少器件的损坏，可避免出现经常换器件的麻烦。
更细致的实验指导教程
创新的交互式实验课程软件，提供进行实验所需的各种支持。它不仅提供实验过程指导，还提供相关理论知识讲解介绍，记录测量结果，并可导出各类数据。
理论仿真验证与实际元件实验验证相结合
在Matlab中设计的控制算法自动生成代码，自动加载到实时目标机中运行，避免了繁琐的编程和Debug工作
使用门槛低，会Matlab仿真即可完成实验测试工作，所有测试工作只需一人即可完成
更灵活，更开放
硬件模块化设计，多种实验拓扑模块可选，同时，可根据需求定制各种不同的功率硬件，拓扑结构、功率级别、传感器的数量位置等均可以变化。
软件模块化设计，编程和监控全部采用基于模型的可视化设计方法，提供各类验证过的算法模型，可直接组合调用，大大缩短上手时间。
更可信，更可靠
采用高可靠性的功率模块和经过完善测试的接口模块，故障率低
具备数字仿真和物理电路双重验证，设计更灵活，实验数据更具说服力。
2.3 开发设计学习流程
基于YXMBD-TE1000的电力电子与电机控制新工科教学实验的典型实验流程如图3所示
图3 典型实验流程
各环节详细流程如图4所示
图4基于YXMBD的实验步骤
3、基于YXMBD-TE1000可进行的实验项目
基于YXMBD-TE1000进行的实验项目分为仿真基础、基于模型设计基础、晶闸管整流与调压实验、直流-直流DC-DC变换实验(MOSFET)、直流-交流DC-AC变换实验（IGBT）、电机驱动控制实验，覆盖了目前电力电子的主流器件，以及电力电子课程与电机控制课程的主要实验。具体实验项目如下。
4 、YXMBD-TE1000台架
台架以铝合金材为主体结构，底部采用4个福马轮，具有定位移动等功能，提供40*40欧标型材框，尺寸不小于1300*830*20作为桌面固定件，40*80欧标型材作为系统主骨架，顶部采用钣金喷塑，丝印设备型号及名称等信息，中间放置功能模块，旁边放置显示器支架，可直接挂载显示器，电脑主机挂载下方。配置桌板，可放置电机和挂件等，实验台侧面可增加一套导线挂钩，有利于实验台导线的整理，方便老师以及学生的上课。实验台架展示如图5所示。
图5实验台架展示
4.2快速原型控制器（RCP）
快速原型控制器RCP是基于模型设计的电力电子与电机控制平台的关键模块，其采用DSP+FPGA多核架构，通过将相关外设驱动开发成SIMULINK中相应的库，可以实现运行程序一键代码生成，从而可以快速评估算法，免去对硬件系统以及代码调试方面的工作，大大提高实验效率。其主要特点如下：
*采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU，其仿真结果针对实际研究更具有参考性；
*保护机制齐全，此部分不需要用户实际搭建保护模型，只需配置控制量的极限值即可实现实时保护，让用户不用为安全保护费心，更多的关注于核心控制算法；
*模型与硬件接口链接简单，只需记住端口编号即可，更不用配置硬件
*各类细节，免去一切不必要的麻烦；
*具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件，可适用于各种工程调试需求。
快速原型控制器RCP外观如图6所示。
图6 快速原型控制器RCP外观
4.3实验管理及课程培训系统
基于YXMBT-TE1000的电力电子与电机控制实验平台，具有相对完善的实验管理及课程培训系统。系统主界面如图7所示。
图7 实验管理系统主界面
实验系统主要功能点如下：
创新的交互式实验课程软件，提供进行实验所需的各种支持。它不仅提供实验过程指导，还提供相关理论知识讲解介绍，记录测量结果，并可导出各类数据。
实验课程软件需集成所有的实验例程，统一在一个软件中运行，可一键打开，自动完成程序的下载、仿真以及数据的在线观测。
实验课程软件需提供进行实验所需的各种支持。包括但不限于实验指导书，相关理论知识讲解、自动记录实验过程中的各种数据，导出各类数据。
支持Matlab运行环境及Simulink实验仿真模型，结合实验课程，可直接一键打开模型并自动搭建UI界面，提供离线模式和在线模型，可直接进行仿真实验验证。
每一个例程都提供离线仿真模型和实物控制模型，学生导入模型，进行虚拟仿真和实物控制的实验验证。
原理理论学习，实验管理系统提供相关实验的理论内容与辅助教学视频，可由教师机进行管理。
集成所有实验例程，系统可自动导入相应实验的Simulink控制模型，无需打开其他软件。
可导入预设实验控制界面，集成章节化的实验说明手册，在实验工程文件基础上按照实验指导进行控制操。
可自动抓取实验数据、完善实验报告，提交实验报告，若有其他开放性实验，可自己建立相关模型进行验证。
可自动保存实验过程中产生的各种数据，支持自主导入控制模型，进行快速原型控制器的程序一键生成与烧写。
数据库管理系统，并具备录波功能，波形数据可直接在matlab或第三方软件中打开并查看。
实验中的相关在线指导手册如图8所示。
图8 独立例程说明书集成可直接打开
实验中的离线仿真例程如图9所示。
图9 离线matlab模型集成调用
实验中的在线仿真，直接烧写的程序如图10所示。
图10 在线matlab模型集成调用
在实验系统中可以填写与提交实验报告，实验中的数据可以保存到数据库，相关数据可以导入到第三方软件进一步分析。
4.5 现场布局
该实验平台已在多所高校使用，得到了用户与学生的高度好评。现场实验室布局参考如图11所示。
5、总结
南京研旭推出的基于模型设计的新工科电力电子与电机控制实验平台适应了当下电力电子与电机控制最新教学与技术发展的需求，得到了不少客户的支持，在客户们的支持与关爱下，该平台设计越来越合理，模块越来越丰富，资料越来越详细。对研旭相关产品感兴趣的朋友可以关注我们天猫【研旭旗舰店】/【南京研旭】公众号/【研旭官网】www.njyxdq.com
参考资料：
YXMBD-TE1000用户指导手册
研旭公众号文章新工科电力电子与电机控制教学实验台（YXMBD-TE1000）
YXSPACE-SP1000快速原型控制器用户手册
YXPHM功率硬件用户手册。
