电气传动综合实验

课程概述

2013 年 9 月

课程简介

课程名称：电气传动综合实验 课程英文名称： Integrated Experiment of Electric Control 先修课程：《电力电子技术基础》、《电机控制技术》、《自动控制原理》、《电机学》 面向对象：电气工程系本科生 学时 / 学分： 68/2限选人数： 60开课单位：电院电气工程实验中心教室要求：实验室任课教师：朱莉

教学内容

课程性质1

平台简介2

课程安排3

成绩考核4

课程性质及任务

作为电气工程专业的本科生，掌握全面的电机拖动控制技术是今后就业及科研工作的重要基础。我们有必要使学生在学习期间全面了解该技术设计、开发、调试的过程及方法。电气传动综合实验内容主要包括电机拖动原理（交 / 直流、有 / 无传感器、保护 / 驱动）、软硬件方案设计、 PCB制版、系统调试等内容，其中涉及了微控制器的应用，电源变换、电机拖动与控制原理的运用，电力电子器件的选取，电子电路设计， C 语言程序设计，控制算法设计等多个方面的知识。

课程性质及任务

第一阶段： 从电机控制理论出发，学习使用各种相关的电气控制方法并完成基

本实验，学习控制系统软硬件相关知识。（系统原理图、 PCB、各类传感器编码器、各类电机的特点及控制方式）

第二阶段： 在理论学习的基础上，以团队的形式自行设计、以电机控制平台

为基础动手调试，完成一种电机或多种电机的各类控制，最终进行现场演示答辩。

平台简介

基于 PIC/dsPIC 的电动机控制和电源变换通用开发平台 PIC/dsPIC based Universal Platform for Motor control and Power

Conversion (UPMPC)

以高性能 16位数字信号控制器（ DSC ） dsPIC30F4012为主控 支持常见电动机的驱动

• 步进电动机 SM

• 直流有刷电动机 BDC

• 直流无刷电动机 BLDC

• 单相 / 三相感应电动机 ACIM

• 永磁同步电动机 PMSM

平台简介

支持多种控制算法• 基于位置传感器的速度、转矩、位置开环 / 闭环控制• 基于电流 / 反电动势的无位置传感器闭环控制• 磁场定向控制（ FOC ）• 直接转矩控制（ DSC ）

满足大部分的功率需求 小于 2000W 的电动机含盖了超过 80℅ 的应用场合具有一定的灵活性

• 支持不同工作电压（ 3. 3/5V ）的单片机• 支持不同管脚数及封装形式的单片机• 额定功率易于升级

平台简介保护功能完善

• 上电保护• 输入过流 / 过压保护• 输出过压过流保护• 散热器过温保护• 控制侧欠压保护

升压式直流变换• 电流型• 电压型

升压式功率因素校正• 平均电流模式• DCM 模式

直流至交流变换 单相交流输出 三相交流输出

平台简介

AC/DC

E

PFC

全桥整流 有源功率因素校正+

MCU/DSC

P

N

MW

V

U

Pos

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（Q

EI

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LL

Sen

sors

）

PSUP

N

For PSU

3.3/5V

15V

辅助电源

逆变桥电动机

MMI（Pot/Key/LED）

RS232

（Isolated）

ADC/CCP/INT MC PWM AD

QEI

CNAD/IO

AD/IO

UART

AD

B-E

MF

con

diti

onin

gP

IC12

F68

5/M

CP

4101

0/42

010

电源输入

UPMPC 功能框图

电源输入可以是交流或直流直流输入时，全桥整流和有源功率因素校正电路可以省略依据具体应用，逆变桥为单相或三相MMI 包括按键、 LED 、电位器等

平台简介 UPMPC平台外观及外部接口

说明如下：

1 ．外部电源输入，直流或交流电压输入。

2 ．机械式电位器，隔离式把柄。

3 ．调试编程口。

4 ．电机转子位置传感器信号接口，霍尔信号或光编码器信号。

5 ．计算机串口通讯，隔离式。

6 ． RTDM通讯接口，非隔离式。

7 ．三相电机接口。

8 ．散热铝基板，注意接地良好。

9 ．亚克力外壳，透明。

平台简介

UPMPC

仿真器/ 调试器

PC 机（ 辅助工具 + MPLAB + C30 ）

RS232/USB

RS232

RJ45/ADAPTOR

电气隔离交流输入

直流电源（ 12-400V ） 电机

硬件规格参数：供电电压： AC 50-265V， 50/60HZ； DC 12-400V额定功率： 2000KW额定电流： 12A（有效值）保护：

•IPM过流、过温保护•IPM欠压保护•上电保护•直流输入侧过电流保护•直流母线侧的过电压保护

功率因素校正： 2000KW

仿真环境：UPMPC：基于 PIC/dsPIC的电机控制和电源变换通用开发平台（ PIC/dsPIC based

Universal Platform for Motor control and Power Conversion）；仿真器 / 调试器： MICROCHIP公司的 ICD2在线调试器或 Real ICE等；PC机：调试仿真终端； PC机上应安装 MPLAB IDE 8.14以上版本， C30 3.0以上版本；辅助工具： RTDM/DMCI：用于调试及观察电机运行状态；电机：目标控制对象

平台简介

电源板说明如下。1 ．外部电源输入 JP6 ，直流或交流电压输入。2 ．电源板与控制板的控制信号连接线缆。3 ．控制信号连接线缆插座JP5 ，注意连接线缆的连接紧密，不要松动。4 ．电源板与控制板的电源连接线缆，注意极性。5 ．电源板与控制板的电源连接线缆端子 JP1 ， JP2 。6 ．故障保护功能设定开关J1 ， J2 。7 ．故障保护解除按键 S3 。8 ．电源指示灯 LED6 。9 ．故障保护状态指示灯LED3 ， LED4 ， LED5 。

平台简介 控制板说明如下 :1 ．反馈信号接驳座JP205 ， JP208 ， JP210 。2 ．功能键 S200 。3 ．指示灯 LED205 。4 ．旋转式电位器 VR1 ， VR2 。5 ．调试与编程口 J210 。6 ．电机转子位置传感器信号接口 J211 ，霍尔信号或光编码器信号。7 ．计算机串口通讯 J204 ，隔离式。8 ． RTDM 通讯接口 J203 ，非隔离式。9 ．电流调理电路增益设定开关J202 ， J205 。10 ．相电压调理电路衰减率设定开关J200 。11 ． PIM 插座 JP206 ， JP207 。12 ．相电流取样电阻 R232 ， R233 。13 ．总电流取样电阻 R231 。14 ．三相电机接口JP201 ， JP202 ， JP203 。15 ．相电压调理电路状态指示 LED200 ，LED201 。16 ．电流调理电路状态指示LED202 ， LED203 ， LED204 。17 ．主控制芯片 U207 。18 ．智能功率模块 U214 。19 ．系统复位键 S201 。

教学内容及要求序号 实验项目名称 内容摘要 学时 阶段1 电气传动实验平台理论 了解实验平台基本构造 2 基础部分

（第 1~2周）

2 电气传动软硬件设计 学习 UPMPC 硬件电路设计及软件算法

6

3 电气传动平台调试（直流电机） 必做部分

以小组为单位（每组 2-3 人），进行直流电机（有刷 / 无刷、有 / 无传感器）控制系统软硬件设计及后期调试，记录调试过程，整理实验结果。

10 动手实践（第 4~8周）

4 电气传动平台调试（其他电机） 选做部分

直流电机控制调试完成后，每组任选其他电机中一种进行控制系

统设计及调试。

10

5 电气传动平台设计成果

交流 2 成果验收

（第 9 周）

6 电气传动平台设计总结

及报告提交 总结电气控制平台设计及调试过程，材料整理，提交详细的综合

实验报告。

2

上课时间：1-18周

课程概述基础学习设计调试答辩评比

课程安排介绍

实验地点：

电院群楼 4号楼 327

考核说明

序号 考核项目名称 评比概要 占比 备注

1 课堂考勤 按照签到表进行考评 15 ％

2 必做部分 动手程度、知识理解程度 20 ％

3 选做部分 按照选择的难易程度，完成程度

15 ％

4 设计调试部分 系统设计方案报告（以小组为单位进行设计， 2-3 人一组，各自分工明确，分别撰写，汇总为一份报告）

20 ％

系统搭建演示答辩（分现场陈述、演示、问答等环节）

30 ％

课程资料

参考文献1. 王晓明，电动机的 DSC 控制——微芯公司 dsPIC应用，北京航空航天大学出版社， 2009

2. 刘和平， dsPIC 通用数字信号控制器原理及应用——基于 dsPIC30F 系列，北京航空航天大学出版社， 2007

3. Tim Wilmshurst ，陈晓文等译， PIC 嵌入式系统开发，人民邮电出版社， 2008