一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子電力技術(shù)、電機制造技術(shù)的發(fā)展，人們對于自動化需求的日益提高，電機的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，電機的控制系統(tǒng)需要不斷發(fā)展。
[0003]目前大多數(shù)高校都設(shè)置了電機控制、自動控制、機電一體化等課程來教授電機相關(guān)知識和控制方法。但是相關(guān)教學(xué)實驗設(shè)備的稀缺和昂貴，以及實驗過程的復(fù)雜和重復(fù)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。
[0004]總的來說，目前電機教學(xué)實驗系統(tǒng)存在有如下問題:1)建立控制算法困難，驗證控制算法困難，需要通過編寫大量代碼才能完成控制實驗；2)沒有一個友好、開放的實驗系統(tǒng)操作界面，操作復(fù)雜，使用者無法制作符合自己需求的實驗方案解決問題；3)PC機與實驗設(shè)備之間只能通過一對一的有線連接，無法實現(xiàn)遠程控制，對教學(xué)造成不便；4)可實現(xiàn)教學(xué)實驗內(nèi)容少，往往是單一電機實驗，也無法實現(xiàn)電機的可控加載和雙電機驅(qū)動控制的教學(xué)。
[0005]因此，上述的一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)在實際使用時還存在有若干缺點，因而亟待加以進一步改進。如何能創(chuàng)設(shè)一種操作簡單，易于建立和驗證實驗，可實現(xiàn)多種教學(xué)實驗內(nèi)容的一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)，實屬當前重要研發(fā)課題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)，操作簡單，易于建立和驗證控制實驗，可實現(xiàn)多種教學(xué)實驗內(nèi)容，從而克服現(xiàn)有的教學(xué)實驗系統(tǒng)操作復(fù)雜，不易建立和驗證控制實驗，僅針對單一電機實驗的不足。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)，包括:上位機、控制處理器以及直流電機，所述上位機通過MATLAB/Simulink基于模型的設(shè)計自動生成代碼后下載到所述控制處理器，所述控制處理器傳遞相應(yīng)的控制信號給直流電機，所述直流電機上連接有檢測傳感器，所述檢測傳感器將采集的檢測信號返回給所述控制處理器，所述上位機對檢測信號進行監(jiān)測；所述直流電機包括通過機械耦合傳動裝置互相連接的第一、第二直流電機，所述機械耦合傳動裝置連接有用于固定其傳動軸的擋板，所述機械耦合傳動裝置的傳動軸上安裝有與所述控制處理器連接的力矩傳感器。
[0009]進一步地，所述控制信號通過功率驅(qū)動模塊傳遞給所述直流電機。
[0010]進一步地，所述功率驅(qū)動模塊包括用于傳遞電壓控制信號的DA功率驅(qū)動模塊和用于傳遞PWM控制信號的PWM功率驅(qū)動模塊。
[0011 ] 進一步地，所述DA功率驅(qū)動模塊采用OPA548芯片。
[0012]進一步地，所述PWM功率驅(qū)動模塊采用TLE6209芯片。
[0013]進一步地，所述DA功率驅(qū)動模塊和PWM功率驅(qū)動模塊通過硬件開關(guān)進行選擇。
[0014]進一步地，所述控制處理器通過藍牙模塊與上位機通信連接。
[0015]進一步地，所述控制處理器采用英飛凌XMC4500。
[0016]進一步地，所述機械耦合傳動裝置為齒輪傳動機構(gòu)。
[0017]進一步地，所述檢測傳感器包括用于采集電流信號的電流傳感器、用于采集速度信號的光電編碼器以及用于采集位置信號的伺服電位計。
[0018]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點:
[0019]本發(fā)明的電機教學(xué)試驗系統(tǒng)采用基于模型的設(shè)計，可以實現(xiàn)電機控制模型的底層驅(qū)動與上層算法一同在MATLAB/Simulink中進行聯(lián)合建模，并且由模型直接生成全部代碼，驅(qū)動與算法之間實現(xiàn)了無縫銜接的自動代碼生成，代碼的自動編譯，應(yīng)用程序的自動下載，應(yīng)用程序運行情況的實時監(jiān)測。同時可實現(xiàn)不同PC機與直流電機實驗設(shè)備的連接，方便教師遠程操控與教學(xué)；并且可以作為學(xué)生電機方面的開放型實驗平臺，可以做直流電機控制(提供了加載電機并能實時調(diào)節(jié)加載轉(zhuǎn)矩)，雙電機驅(qū)動控制，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論和直流電機控制理論。
【附圖說明】
[0020]上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0021]圖1是本發(fā)明的直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖2是電機教學(xué)系統(tǒng)軟件的底層驅(qū)動模塊。
[0023]圖3是轉(zhuǎn)速控制控制算法與底層驅(qū)動聯(lián)合建模的實例。
[0024]圖4是雙電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩同步控制原理框圖。
[0025]圖5是本發(fā)明直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)實驗過程的總體流程圖。
【具體實施方式】
[0026]請參閱圖1所示，本發(fā)明的一種直流電機控制教學(xué)實驗系統(tǒng)，包括:上位機、控制處理器以及直流電機，所述上位機通過MATLAB/Simulink基于模型的設(shè)計自動生成代碼后下載到所述控制處理器，所述控制處理器傳遞相應(yīng)的控制信號給直流電機，所述直流電機上連接有檢測傳感器，所述檢測傳感器將采集的檢測信號返回給所述控制處理器，所述上位機對檢測信號進行監(jiān)測；所述直流電機包括通過機械耦合傳動裝置互相連接的第一、第二直流電機，所述機械耦合傳動裝置連接有用于固定其傳動軸的擋板，所述機械耦合傳動裝置的傳動軸上安裝有與所述控制處理器連接的力矩傳感器。
[0027]其中，所述控制信號通過功率驅(qū)動模塊傳遞給所述直流電機。所述功率驅(qū)動模塊包括用于傳遞電壓控制信號的DA功率驅(qū)動模塊和用于傳遞PWM控制信號的PWM功率驅(qū)動模塊。PWM功率驅(qū)動模塊接受控制處理器發(fā)出的PWM控制信號，經(jīng)過光耦隔離和功率放大后對直流電機進行控制。DA功率驅(qū)動模塊接受控制處理器發(fā)出的電壓控制信號，經(jīng)過功率放大后對直流電機進行控制。優(yōu)選地，DA功率驅(qū)動模塊采用OPA548芯片，PWM功率驅(qū)動模塊采用TLE6209芯片。實驗時，所述DA功率驅(qū)動模塊和PWM功率驅(qū)動模塊可通過設(shè)置硬件開關(guān)進行選擇。此外，電機的正反轉(zhuǎn)可通過另設(shè)置反向運算放大器進行硬件控制，也可在實驗設(shè)計時通過軟件進行控制。
[0028]所述機械耦合裝置為齒輪傳動機構(gòu)，當其中一個直流電機作為加載電機時，可將第一直流電機和第二直流電機的力矩進行疊加。靜態(tài)力矩傳感器安裝在所述機械耦合傳動裝置的傳動軸上，用于檢測轉(zhuǎn)矩大小并傳遞給控制處理器?？晒潭ǖ膿醢迮c靜態(tài)力矩傳感器相連，擋板固定時電機不能旋轉(zhuǎn)。
[0029]所述檢測傳感器包括電流傳感器、光電編碼器以及伺服電位計，分別用于采集電流信號、速度信號和位置信號，這些信號傳遞給控制處理器，然后由控制處理器傳遞給上位機。
[0030]所述PC上位機上安裝有電機教學(xué)系統(tǒng)軟件，區(qū)別于傳統(tǒng)的經(jīng)由需求、設(shè)計、實現(xiàn)、測試四個階段的軟件開發(fā)模式，本發(fā)明采用基于模型的設(shè)計(Model Based Design，MBD)和全自動代碼生成的軟件開發(fā)模式，提供一種基于模型設(shè)計的電機教學(xué)實驗系統(tǒng)?；谀Ｐ偷乃枷胧前涯Ｐ妥鳛檐浖O(shè)計的核心，從需求分析到實現(xiàn)測試可以選用統(tǒng)一模型設(shè)計語言和模型設(shè)計工具，建立起目標系統(tǒng)模型。做到用模型描述需求、用模型描述算法、從模型生成代碼、在模型的基礎(chǔ)上測試。
[0031]具體地，本發(fā)明的電機教學(xué)系統(tǒng)軟件是一套基于MATLAB/Simulink的全自動代碼生成技術(shù)的針對電機控制實驗的軟件開發(fā)平臺。它主要包括4部分功能:基于模型的自動代碼生成、代碼的自動編譯、應(yīng)用程序的自動下載以及應(yīng)用程序運行情況的實時監(jiān)測。如圖2中所示，電機教學(xué)系統(tǒng)軟件提供了與電機控制實驗配套的底層驅(qū)動模塊，包括系統(tǒng)配置模塊、寫入電壓信號模塊、寫入PWM信號模塊、讀取電流信號模塊、讀取編碼器信號模塊、讀取位置信號模塊、讀取轉(zhuǎn)矩信號模塊。選定電機控制實驗后，在PC機上利用電機教學(xué)系統(tǒng)軟件搭建控制算法模型并添加配套的電機教學(xué)系統(tǒng)的底層驅(qū)動模塊，自動生成實時代碼并進行編譯，可實現(xiàn)快速、直觀的可視化設(shè)計。
[0032]所述控制處理器通過通信模塊與所述上位機連接。為實現(xiàn)教師與學(xué)生一對多的優(yōu)化配置，可設(shè)置一臺教師用的PC上位機，多個學(xué)生用電機操作實驗臺，每個實驗臺的控制處理器均可與上位機通信，優(yōu)選采用藍牙模塊進行通信，PC上位機通過藍牙模塊與控制處理器配對連接后可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。