数控式异步电动机电气控制实践平台设计与开发

冯兴田，张加胜，仉志华

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东青岛 266580)

为加强电气工程专业学生理论联系实际的能力，提供更多的动手实践机会，我们设计与开发了数控式异步电动机电气控制实践平台［1，2］。该平台融合“”电力电子技术“”、“电机学”、“数字信号处理技术”、“模拟电子技术”、“自动控制原理”和“C语言”等多门基础与专业课程知识［3］。在该实践平台上，既能真正实现产学研“三位一体”教学科研模式，又能提升学生的分析、实践和协作能力。

1 实践平台硬件部分设计

数控式异步电动机电气控制实践平台以三相异步电动机为控制对象、以数字信号处理器为控制核心、以电机起停及节能运行为控制目标，硬件部分主要包括主电路、检测电路、驱动电路、电源电路和控制电路五大电路模块，图1所示为实践平台硬件部分的原理框图。

图1 实践平台硬件部分的原理框图

主电路基于三相交流调压原理，以功率器件晶闸管为核心构成，通过控制晶闸管的导通时间来调节电机负载上的电压有效值。三相电路分别由三组反并联的晶闸管控制导通关断，实现独立相位控制，便于学生分组调试;晶闸管两端并联阻容吸收电路，用以限制电压变化率和电流变化率过大带来的冲击，保护晶闸管。

检测电路主要实现三相电压相位、相序、有效值和同步信号的检测，为三相电路的相位控制方式提供数据信息，以电压比较器为核心器件构建模拟电路来设计检测电路。

驱动电路用以实现强弱电的隔离以及晶闸管的驱动，主要构成元件为脉冲变压器和驱动光耦［4］。

控制电路以DSP28335为核心构成，主要应用其普通I/O口和特殊功能口，实现功能主要包括同步信号、相序检测信号、按键数字输入信号和模拟输入信号的处理，LED显示控制以及晶闸管所需的PWM驱动信号输出。其中，LED显示电路也可用简单的发光二极管电路或者复杂的LCD显示电路来实现，按键可以采用普通按钮或者数字键盘实现，模拟输入可采用模拟电位器或者数字键盘实现。

实践平台硬件电路系统的每一模块电路自成单元，有硬件连接的电路之间配有接口，即插即用，便于调试和替换。学生在实践时，2～3人分为一组，分工合作;我们提供部分电路，其余部分由学生自己设计、焊接和调试完成，也可全部由学生自行设计和搭建，最终联调实现系统要求的功能，让学生充分得到硬件设计的训练。该系统能够实现三相异步电机的软起动、调压运行、软停车等基本电气控制功能。

实践平台硬件电路系统的基本工作原理和工作过程如下:检测电路采集三相电压信号，DSP28335控制系统进行判断处理，根据按键输入的调节模式和模拟输入的电压值，确定晶闸管的触发角，从而控制系统输出相应的PWM信号并由驱动电路输出晶闸管所需的触发脉冲信号，调节三相异步电动机上的三相定子电压有效值，从而实现电动机的软起动、调压运行和软停车等控制，同时通过LED显示电动机的工作模式、工作状态和实时运行电压以及晶闸管的相位角度等参数。电动机软起动通过调节晶闸管的触发角从大到小变化，使电动机定子电压从小到大变化实现;电动机软停车通过调节晶闸管的触发角从小到大变化，使电动机定子电压从大到小变化实现;电动机调压运行则根据模拟输入的要求，通过调节晶闸管的触发角，使电动机在不同电压下工作来实现。

2 实践平台软件部分开发

实践平台的软件部分采用CCStudio开发系统，针对DSP28335芯片进行C语言编程设计。其总体程序主要包括:按键及模拟量扫描程序、LED显示程序、A/D转换程序、eCAP捕捉程序和ePWM产生程序五个子程序。

主程序主要完成系统的初始化、中断控制、时间控制和循环扫描［5］。

按键及模拟量扫描程序用来完成电机软起动、节能运行方式、软停车功能选择，此外还能完成软起动时间、软停车时间、电压控制模式以及节能运行时输出电压的调节。

LED显示程序用来动态显示晶闸管触发角的变化、电动机负载的实时电压有效值等参数。

A/D转换程序实现三相电压的采样、数据处理和有效值计算;

eCAP中断程序主要用于电压信号检测，用来检测三相电压的上升触发沿，以确定相电压的过零点和三相电压相序。

ePWM产生程序用来输出三相触发脉冲，实现晶闸管的触发角调节，控制电机负载的定子电压。

学生首先应用仿真器，结合控制系统板，学习CCStudio开发系统，熟练掌握DSP28335的C语言编程;然后针对实践平台软件系统的每一部分子程序逐个进行开发和调试;各个单元程序调试成功之后，再进行程序的联调，逐次实现电机的软起动、软停车和调压运行等功能;最后实现程序的优化，简化程序，提高程序运行效率。通过该程序的编写，可以锻炼学生的软件设计及编程能力。

3 实践平台实施效果

通过有效利用该实践平台，可以让学生得到多方面的锻炼，包括原理的分析、电路的设计、电路的仿真分析、PCB板的绘制、电路板的制作、脉冲变压器的匝数计算与绕制、电路的焊接调试、软件的编程以及系统的联调等各个环节，从而提高了学生分析、实践、创新和协作等多方面能力。例如电气工程及其自动化2011级学生，应用该实践平台，开展了电力拖动方向综合实践训练达到了以下效果:

(1)提高了学生电路分析与设计能力。我们采用基于项目的形式，通过学生自己设计部分电路或全部电路，不但掌握了相应电路的工作原理，还理清了设计电路、仿真选型、实验验证的方法和思路。

(2)增强了学生的动手实践能力。学生通过实际的电路焊接、变压器的绕制、波形的测试、系统的联调和程序的编写等一系列的环节，得到了锻炼，积累了经验，奠定了从事电气工程领域工作的基础。

(3)激发了学生的主观能动性和团队协作能力。我们重视实践过程的考核，学生集中2周时间实践，教师全程参与指导和考核。根据学生分析解决问题的能力、在小组中参与的程度和发挥的作用、系统联调达到的效果进行综合考核，充分调动了学生自主学习的积极性，促进学生在实践过程中分工合作、协调配合并共同完成任务。

(4)实现了学生的分类和个性化培养。我们把实践内容分解成多个子任务，学生根据自己实际具备的知识结构和能力水平自由选择，自由结组，在小组中充分施展自己的强项;同时，各部分任务又有一定的联系，每个学生需要了解整个系统的框架和内容，兼顾了自主能力的培养和整体系统知识的掌握。

［1］ 苏泽光，朱荣辉，肖金风.构建电气工程专业实践创新能力的实践教学体系［J］.天津:电力系统及其自动化学报，2002，l4(5):73-76.

［2］ 董国强.实验室管理模式的研究与探索［J］.上海:实验室研究与探索，2005，24(6):93-99.

［3］ 冯兴田，王平，胡慧慧.“直流调速系统”课程的教学改革［J］.南京:电气电子教学学报，2014，36(1):18-19.

［4］ 张加胜，张磊.电力电子技术［M］.青岛:中国石油大学出版社，2007.

［5］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2010.