1. 概述

當前在本科階段的電機實驗教學中，直流電機、三相異步電機等傳統電機實驗平臺建設已相對完善。近年來，隨著計算機控制技術、電力電子技術、網絡和通信技術的發展，自動控制技術中的電機及電力拖動領域出現了許多新方法、新技術。特種電機實驗室旨在拓展學生的實踐范圍，在傳統電機實驗的基礎上，引入更多的特種類型電機，包括：交流永磁同步電機、直流無刷電機、步進電機和開關磁阻電機。通過特種電機實驗室的建設，讓學生接觸更多不同類型電機的工作特性，并掌握對應的電機控制技術。

在具體實驗平臺建設上，本著將科研與教學結合，將之前僅用于研究生實驗的半實物仿真技術引入本科教學環節，讓更多的高年級本科生能在學校階段接觸更優良的電機控制系統設計方法和實驗手段，為將來走向工作崗位或繼續深造拓寬眼界、夯實基礎。

2 .伺服電機控制實驗室建設案例特征優勢

?支持RCP快速原型設計：實現用戶的MATLAB/Simulink仿真模型到嵌入式控制原型的自動轉換；

?實時性能：實時仿真機底層采用VxWorks實時操作系統，周期定時抖動小于20us，可實現控制周期50us~100us的電機控制系統半實物仿真驗證；

?平臺應用：基于本平臺，用戶可進行伺服驅動調制方法研究（SVPWM）、控制算法研究（傳統PI控制、分數階控制、控自抗擾控制、滑模變結構制、反步控制等），參數辨識（最小二乘、相關辨識等）和自整定技術研究及其應用，以及無位置傳感器控制技術研究及應用等；

?適用電機種類：交流永磁同步電機、直流無刷電機、步進電機和開關磁阻電機；

?硬件資源：平臺集成了實時仿真機（控制原型）、功率驅動模塊、多電機實驗臺等；

?DSP自動代碼生成：支持Simulink模型轉C語言源碼的DSP代碼自動生成功能；

?安全性：平臺集成了過壓、過流、剎車制動等硬件保護功能，以及PWM死區時間設置錯誤等軟件保護功能，確保用戶設備安全。

3.實驗室總體設計

特種電機控制實驗室計劃布置15套小功率+2套中功率多電機控制半實物實驗平臺，每套設備可滿足2~3人完成電機控制率設計相關的實驗。下圖是實驗室設備整體規劃布局：

圖1 實驗室布局圖

實驗室布局說明（具體可根據實際情況調整）：

房間：15*7m，門*2，窗戶*4，層高：2.4 m（正常辦公室層高即可）

實驗桌*17：1.5*0.8m，擺放電腦*17

講臺*1：2.0*1.0m，擺放電腦*1，其他設備若干

供電：單相交流220V，50Hz，20kW；

4.伺服電機控制實驗室建設案例實驗設備構成

4.1小功率多電機控制半實物實驗平臺

小功率多電機控制半實物實驗平臺主要由開發主機、實時仿真機和多電機實驗箱組成，系統的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發主機端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機控制系統建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實時仿真機中運行；

2）實時仿真機運行電機控制模型實時代碼，并通過I/O接口與多電機實驗箱連接，采集驅動模塊的相電流、電壓信號，以及霍爾、編碼器等電機信號，同時輸出AO、PWM、DO等控制信號；

3）多電機實驗箱中的4個電機驅動模塊，接收實時仿真機控制信號，最終輸出驅動電流帶動4臺電機工作。

系統的總體架構如下圖所示：

4.1中功率多電機控制半實物實驗平臺

中功率多電機控制半實物實驗平臺主要由開發主機、實時仿真機、電機對拖平臺組成，系統的典型工作流程是：

1）用戶首先在開發主機端，使用MATLAB Simulink軟件完成電機控制系統建模，編譯后生成嵌入式代碼，下載到實時仿真機中運行；

2）實時仿真機運行控制模型實時代碼，并通過多功能采集卡與研發型驅動器連接，采集驅動器的相電流、母線電壓、編碼器信號，輸出3組（6路）互補型PWM信號直接控制研發型驅動器（驅動側）中三相逆變橋的IGBT導通或截止，進而實現對驅動電機的控制；

3）同時，實時仿真機通過模擬量控制商業型驅動器（負載側），使負載電機向同軸連接的驅動電機施加期望的反向轉矩，并采集扭矩傳感器信號，以此檢驗驅動電機在恒定或變負載的下控制效果。

系統的總體架構如下圖所示：