本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺。

背景技術(shù)：

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，目前幾乎所有的高校都在加強(qiáng)現(xiàn)代電力電子技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，相比理論課的豐富程度而言，電力電子技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程相對滯后，尤其是大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備均較為簡單主要架構(gòu)為老舊的模擬電路，僅能滿足基本的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

而現(xiàn)有的數(shù)字化電力電子試驗(yàn)裝置一般是各大實(shí)驗(yàn)室專門定制裝置，不同的實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)場往往需要依據(jù)研究方向定制相應(yīng)的裝置，主要用于深度科研項(xiàng)目，且?guī)缀踉诿總€種類的實(shí)驗(yàn)臺中都設(shè)置了一個DSP(Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理)控制模塊，成本較高且靈活性差，難以普及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的實(shí)施例提供一種電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺，能夠提高實(shí)驗(yàn)平臺的綜合性和集成度，節(jié)約成本且提高使用靈活性。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：

計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)、DSP核心控制電路(2)、FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)、信號轉(zhuǎn)換電路(5)和電力電子及電氣傳動實(shí)驗(yàn)掛件區(qū)；

DSP核心控制電路(2)的組成元件包括DSP芯片，通過USB接口與計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)連接并進(jìn)行實(shí)時雙向通信，用于模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換、數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入輸出(IO)、正交信號解碼器(decoder)；

FPGA(Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)擴(kuò)展電路(3)的組成元件包括FPGA板卡和與外部相連的擴(kuò)展接口，并與DSP核心控制電路(2)相連；

信號轉(zhuǎn)換電路(5)由多路電流傳感器、電壓傳感器以及外圍電路組成，用于獲取實(shí)驗(yàn)過程中的電流量、電壓量，并經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)發(fā)送到FPGA擴(kuò)展電路(3)及DSP核心控制電路(2)中進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量發(fā)送至計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)；

信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)由CPLD((Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)邏輯保護(hù)電路、驅(qū)動電路和過壓過流保護(hù)電路組成。

所述電力電子及電氣傳動實(shí)驗(yàn)掛件區(qū)包括：脈沖觸發(fā)電路(6)、單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)、其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)、直流電源產(chǎn)生電路(16)、單相/三相整流電路(17)、單相交流電源(18)和三相交流電源(19)；

信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)分別與FPGA擴(kuò)展電路(3)、脈沖觸發(fā)電路(6)、信號轉(zhuǎn)換電路(5)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供邏輯保護(hù)和信號驅(qū)動；

脈沖觸發(fā)電路(6)由多路脈沖觸發(fā)電路組成并產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供所產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)信號，所述脈沖觸發(fā)信號包括G、K觸發(fā)信號；

信號轉(zhuǎn)換電路(5)分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于對相連的電路上的電壓信號和電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到便于采集的模擬信號；

單相/三相整流電路(17)由包括整流二極管在內(nèi)的元器件組成，分別為單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于將單相交流電源或三相交流電源整流為直流電源，并為相連的電路提供直流電源；

三相交流電源(19)由三相交流電源電路(19)的漏電保護(hù)電路、三相隔離變壓器、三相智能數(shù)顯電壓電流組合表組成，分別與三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供隔離后的三相交流電源，其中所述三相隔離變壓器用于輸出多種規(guī)格的三相交流電壓；

單相交流電源(18)由單相交流電源(18)的漏電保護(hù)電路、單相隔離變壓器、單相智能數(shù)顯電壓電流組合表組成，分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供隔離后的單相交流電源，其中所述單相隔離變壓器用于輸出多種規(guī)格的單相交流電壓；

其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)包括光伏逆變電路；

直流電源產(chǎn)生電路(16)包括AC-DC和DC-DC變換電路，并分別與信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)、脈沖觸發(fā)電路(6)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供單相電和系統(tǒng)控制所需的+24V、+15V或-15V的直流電源。

電氣傳動電路(14)中包括高壓電機(jī)傳動電路和低壓電機(jī)傳動電路，用于實(shí)驗(yàn)電機(jī)的電氣傳動實(shí)驗(yàn)，所述實(shí)驗(yàn)電機(jī)包括：三相永磁同步電機(jī)(PMSM)、三相交流異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)；

單相橋式半控整流電路(7)和單相交流調(diào)壓電路(8)分別由晶閘管、二極管、外圍電路、電阻負(fù)載和電感負(fù)載組成，用于單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)和單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)；

三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)由晶閘管、二極管、外圍電路、電阻負(fù)載和電感負(fù)載組成，用于三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)；

三相交流調(diào)壓電路(10)由三相交流電路和電阻負(fù)載組成，用于三相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)；

單相交—直—交變頻電路(11)由單相橋式逆變電路和負(fù)載電路組成，用于單相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)；

三相交—直—交變頻電路(12)由三相橋式逆變電路和負(fù)載電路組成，用于三相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)；

直流斬波電路(13)由獨(dú)立器件組成，所述獨(dú)立器件包括：MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半場效晶體管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)電路、光耦、電阻、電容、電感和燈泡，并組合完成Boost-Buck Chopper、Boost Chopper、Buck Chopper、Cuk Chopper、Zeta Chopper、Sepic Chopper六種典型斬波電路，并用于該六種典型斬波電路的升降壓實(shí)驗(yàn)；

電氣傳動電路(14)由功率驅(qū)動電路、光耦隔離電路、電壓傳感器、電流傳感器和解碼器組成，用于永磁同步電機(jī)、三相異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)的速度閉環(huán)、位置閉環(huán)的控制實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)平臺的單相橋式半控整流電路可以完成單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)；通過單相交流調(diào)壓電路可以完成單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)；通過三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路可以完成三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)；通過三相交流調(diào)壓電路可以完成三相交流實(shí)驗(yàn)；通過單相交-直-交變頻電路可以完成單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)；通過三相交-直-交變頻電路可以實(shí)現(xiàn)三相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)；通過直流斬波電路完成IGBT直流斬波實(shí)驗(yàn)；通過電氣傳動電路可以完成三相永磁同步電機(jī)(PMSM)傳動實(shí)驗(yàn)、三相交流異步電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、無刷直流電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、磁阻電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調(diào)制)實(shí)驗(yàn)和各種算法的驗(yàn)證試驗(yàn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備均較為簡單主要架構(gòu)為老舊的模擬電路，或者幾乎在每個種類的實(shí)驗(yàn)臺中都設(shè)置了一個DSP控制電路的成本較高且靈活性差的方案。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了僅采用一塊DSP芯片作為核心控制板和FPGA擴(kuò)展電路的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中幾乎所有實(shí)驗(yàn)科目的實(shí)驗(yàn)功能，提高了實(shí)驗(yàn)平臺的綜合性和集成度，節(jié)約了成本，提高了使用靈活性。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺的架構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三相橋式可控整流實(shí)驗(yàn)操作界面示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)和單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)的原理示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)操作總程序界面示意圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的直流斬波控制原理示意圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的單相/三相晶閘管直流調(diào)速控制原理示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對本實(shí)用新型的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本實(shí)用新型的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1所示，包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)、DSP核心控制電路(2)、FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)、信號轉(zhuǎn)換電路(5)和電力電子及電氣傳動實(shí)驗(yàn)掛件區(qū)。

DSP核心控制電路(2)的組成元件包括DSP芯片，通過USB接口與計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)連接并進(jìn)行實(shí)時雙向通信，用于模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換、數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入輸出(IO)、正交信號解碼器(decoder)。

FPGA擴(kuò)展電路(3)的組成元件包括FPGA板卡和與外部相連的擴(kuò)展接口，并與DSP核心控制電路(2)相連。

信號轉(zhuǎn)換電路(5)由多路電流傳感器、電壓傳感器以及外圍電路組成，用于獲取實(shí)驗(yàn)過程中的電流量、電壓量，并經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)發(fā)送到FPGA擴(kuò)展電路(3)及DSP核心控制電路(2)中進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量發(fā)送至計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)。

信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)由CPLD邏輯保護(hù)電路、驅(qū)動電路和過壓過流保護(hù)電路組成。

在本實(shí)施例中，所述電力電子及電氣傳動實(shí)驗(yàn)掛件區(qū)包括：脈沖觸發(fā)電路(6)、單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)、其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)、直流電源產(chǎn)生電路(16)、單相/三相整流電路(17)、單相交流電源(18)和三相交流電源(19)。其中：

信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)分別與FPGA擴(kuò)展電路(3)、脈沖觸發(fā)電路(6)、信號轉(zhuǎn)換電路(5)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供邏輯保護(hù)和信號驅(qū)動。

脈沖觸發(fā)電路(6)由多路脈沖觸發(fā)電路組成并產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供所產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)信號，所述脈沖觸發(fā)信號包括G、K觸發(fā)信號。

信號轉(zhuǎn)換電路(5)分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于對相連的電路上的電壓信號和電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到便于采集的模擬信號。

單相/三相整流電路(17)由包括整流二極管在內(nèi)的元器件組成，分別為單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于將單相交流電源或三相交流電源整流為直流電源，并為相連的電路提供直流電源。

三相交流電源(19)由三相交流電源電路(19)的漏電保護(hù)電路、三相隔離變壓器、三相智能數(shù)顯電壓電流組合表組成，分別與三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供隔離后的三相交流電源，其中所述三相隔離變壓器用于輸出多種規(guī)格的三相交流電壓。

單相交流電源(18)由單相交流電源(18)的漏電保護(hù)電路、單相隔離變壓器、單相智能數(shù)顯電壓電流組合表組成，分別與單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供隔離后的單相交流電源，其中所述單相隔離變壓器用于輸出多種規(guī)格的單相交流電壓。

其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)包括光伏逆變電路。

直流電源產(chǎn)生電路(16)包括AC-DC和DC-DC變換電路，并分別與信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)、脈沖觸發(fā)電路(6)、單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)、直流斬波電路(13)、電氣傳動電路(14)和其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)連接，用于為相連的電路提供單相電和系統(tǒng)控制所需的+24V、+15V或-15V的直流電源。

在本實(shí)施例中，電氣傳動電路(14)中包括高壓電機(jī)傳動電路和低壓電機(jī)傳動電路，用于實(shí)驗(yàn)電機(jī)的電氣傳動實(shí)驗(yàn)，所述實(shí)驗(yàn)電機(jī)包括：三相永磁同步電機(jī)(PMSM)、三相交流異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)。

單相橋式半控整流電路(7)和單相交流調(diào)壓電路(8)分別由晶閘管、二極管、外圍電路、電阻負(fù)載和電感負(fù)載組成，用于單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)和單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)。

三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)由晶閘管、二極管、外圍電路、電阻負(fù)載和電感負(fù)載組成，用于三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)。

三相交流調(diào)壓電路(10)由三相交流電路和電阻負(fù)載組成，用于三相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)。

單相交—直—交變頻電路(11)由單相橋式逆變電路和負(fù)載電路組成，用于單相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)。

三相交—直—交變頻電路(12)由三相橋式逆變電路和負(fù)載電路組成，用于如圖2所示的三相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)。

直流斬波電路(13)由獨(dú)立器件組成，所述獨(dú)立器件包括：MOSFET或IGBT電路、光耦、電阻、電容、電感和燈泡，并組合完成Boost-Buck Chopper、Boost Chopper、Buck Chopper、Cuk Chopper、Zeta Chopper、Sepic Chopper六種典型斬波電路，并用于該六種典型斬波電路的升降壓實(shí)驗(yàn)。

電氣傳動電路(14)由功率驅(qū)動電路、光耦隔離電路、電壓傳感器、電流傳感器和解碼器組成，用于永磁同步電機(jī)、三相異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)的速度閉環(huán)、位置閉環(huán)的控制實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)用新型實(shí)施例還提供一種電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺，所述方法用于上述電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺。所述方法包括：

接收單相交流電源(18)輸出的單相交流電，并輸入到信號轉(zhuǎn)換電路(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)傳輸給FPGA擴(kuò)展電路(3)進(jìn)行量化變?yōu)閿?shù)字量。通過DSP核心控制電路(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)控制程序，以固定頻率對量化后的數(shù)字量進(jìn)行讀取，并檢測所述量化后的數(shù)字量是正過零還是負(fù)過零，再發(fā)出相應(yīng)的指示信息，其中，計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)在Matlab/Simulink或Labview軟件環(huán)境下統(tǒng)一管理實(shí)驗(yàn)控制程序，所述指示信息用于表示過零點(diǎn)。

具體的，對于單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)、單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)、三相交流調(diào)壓等實(shí)驗(yàn)，可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn)過零檢測，且單相過零檢測與三相過零檢測步驟類似，主要采集同步交流信號在Matlab/Simulink或Labview中進(jìn)行軟件過零和移相處理，最終發(fā)出觸發(fā)信號。以基于如圖3所示的單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)的單相過零檢測為例，具體流程包括：

步驟1：單相交流電源(18)輸出的單相交流電輸入到信號轉(zhuǎn)換電路(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

步驟2：步驟1轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)傳輸給FPGA擴(kuò)展電路(3)進(jìn)行量化變?yōu)閿?shù)字量。

步驟3：在計(jì)算機(jī)(1)及Matlab/Simulink或Labview軟件環(huán)境下編寫的實(shí)驗(yàn)控制程序，并通過下載工具下載到DSP核心控制電路(2)中，DSP核心控制電路(2)以固定頻率對步驟2量化后的數(shù)字量進(jìn)行讀取。

步驟4：實(shí)驗(yàn)控制程序根據(jù)讀取到的數(shù)字量，判斷是正過零還是負(fù)過零，并發(fā)出相應(yīng)的指示信息。

步驟5：返回步驟1，繼續(xù)判斷過零點(diǎn)。

在本實(shí)施例中，上述方法還包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)獲取用戶在實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定的相位角，并且DSP核心控制電路(2)從計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)下載所述實(shí)驗(yàn)控制程序。檢測單相或者三相的過零點(diǎn)。以過零點(diǎn)為參考點(diǎn)，在交流信號的相位達(dá)到所設(shè)定的相位角的時刻發(fā)出控制指令，并經(jīng)過FPGA擴(kuò)展板(3)和信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)脈沖觸發(fā)電路(6)，再由脈沖觸發(fā)電路(6)發(fā)出多路觸發(fā)信號給單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)和/或其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)。

具體的，對于單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)、單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)、三相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)，具體流程包括：

步驟1：用連接線把各個電路正確連接起來。

步驟2：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)獲取用戶在實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定的相位角，并將程序下載到DSP核心控制電路(2)中。

步驟3：根據(jù)權(quán)利要求24中的過零檢測方法檢測單相或者三相的過零點(diǎn)。

步驟4：以過零點(diǎn)為參考點(diǎn)，在交流信號的相位達(dá)到設(shè)定相位角時刻，控制程序發(fā)出控制指令，并經(jīng)過FPGA擴(kuò)展板(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)脈沖觸發(fā)電路(6)，脈沖觸發(fā)電路(6)發(fā)出多路觸發(fā)信號給單相橋式半控整流電路(7)、單相交流調(diào)壓電路(8)、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路(9)、三相交流調(diào)壓電路(10)、其他電力電子實(shí)驗(yàn)電路(15)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化單相橋式半控整流、單相交流調(diào)壓、三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流、三相交流調(diào)壓等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

步驟5：返回步驟1，繼續(xù)數(shù)字化電力電子實(shí)驗(yàn)。

在本實(shí)施例中，上述方法還包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)獲取用戶在所述實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定的變頻后的頻率和幅值，并且DSP核心控制電路(2)從計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)下載所述實(shí)驗(yàn)控制程序。DSP核心控制電路(2)發(fā)出PWM信號，經(jīng)過FPGA擴(kuò)展電路(3)和信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)單相交—直—交變頻電路(11)和三相交—直—交變頻電路(12)，并產(chǎn)生對應(yīng)的交流變頻信號。將單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)輸出的交流變頻信號通過信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)和FPGA擴(kuò)展電路(3)采集到DSP核心控制電路(2)，由DSP核心控制電路(2)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)，并由計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)顯示變頻后的輸出波形。

具體的，對于單相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)、三相交—直—交變頻實(shí)驗(yàn)，具體流程包括：

步驟1：用連接線把各個電路正確連接起來。

步驟2：在計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)的實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定變頻后的頻率和幅值，并下載到DSP核心控制電路(2)中。

步驟3：運(yùn)行控制程序發(fā)出PWM信號，PWM信號經(jīng)過FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)，產(chǎn)生對應(yīng)的交流變頻信號。

步驟4：把單相交—直—交變頻電路(11)、三相交—直—交變頻電路(12)輸出的交流變頻信號通過信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)、FPGA擴(kuò)展電路(3)采集到DSP核心控制電路(2)，DSP核心控制電路(2)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)中便于觀察變頻后的輸出波形。

步驟5：返回到步驟2。

在本實(shí)施例中，上述方法還包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)獲取用戶在所述實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定的直流斬波后的目標(biāo)電壓值Vref，并且DSP核心控制電路(2)從計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)下載所述實(shí)驗(yàn)控制程序。將直流斬波電路(13)輸出的電壓經(jīng)由信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)和FPGA擴(kuò)展電路(2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量Vfb。DSP核心控制電路(2)以固定的采樣周期讀取Vfb，并獲取計(jì)算誤差e＝Vref-Vfb，再對e進(jìn)行PID運(yùn)算并輸出占空比U。發(fā)出占空比為U的PWM信號，經(jīng)過FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)直流斬波電路(13)，并由直流斬波電路(13)輸出相應(yīng)的直流電壓。重復(fù)上述過程，直至直流斬波電路(13)輸出的直流電壓值達(dá)到Vref。

具體的，對于直流斬波實(shí)驗(yàn)，如圖5所示的，具體流程包括：

步驟1：選擇一種直流斬波電路，用連接線把各個電路正確連接起來。

步驟2：在計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)的實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定直流斬波后的目標(biāo)電壓值Vref，并下載到DSP核心控制電路(2)中。

步驟3：直流斬波電路(13)輸出的電壓經(jīng)由信號轉(zhuǎn)換電路(5)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)以及FPGA擴(kuò)展電路(2)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量Vfb。

步驟4：DSP核心控制電路(2)以固定的采樣周期讀取步驟3得到的Vfb。

步驟5：控制程序中計(jì)算誤差e＝Vref-Vfb。并對e進(jìn)行PID等運(yùn)算，輸出占空比U。

步驟6：控制程序發(fā)出占空比為U的PWM信號，PWM信號經(jīng)過FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)直流斬波電路(13)。直流斬波電路(13)輸出相應(yīng)的直流電壓。

步驟7：重復(fù)步驟3到步驟6，直到直流斬波電路(13)輸出的直流電壓值達(dá)到給定的目標(biāo)電壓值Vref。

在本實(shí)施例中，上述方法還包括：計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)獲取用戶在所述實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定的轉(zhuǎn)子位置給定值θ_ref，并且DSP核心控制電路(2)從計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)下載所述實(shí)驗(yàn)控制程序。將電氣傳動電路(14)輸出的兩相電流信號i_a、i_b、電機(jī)轉(zhuǎn)子速度正交信號Speed和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置正交信號θ，經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)和FPGA擴(kuò)展電路(3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。DSP核心控制電路(2)以固定的采樣周期讀取兩相電流信號i_a、i_b、電機(jī)轉(zhuǎn)子速度正交信號Speed和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置正交信號θ。計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置誤差θ_err＝θ_ref-θ，再對θ_err進(jìn)行PID運(yùn)算得到速度給定信號Speed_ref。并計(jì)算速度誤差Speed_err＝Speed_ref-Speed，再對Speed_err進(jìn)行PID運(yùn)算得到電流控制量I_ref。根據(jù)i_a、i_b、I_ref、θ進(jìn)行Park變換、Clark變換和雙電流環(huán)PI運(yùn)算，得到U_α、U_β。根據(jù)U_α、U_β進(jìn)行SVPWM變換，輸出PWM控制信號，并經(jīng)由FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)電氣傳動電路(14)，電氣傳動電路(14)依據(jù)所述PWM控制信號控制永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過程，直至電機(jī)轉(zhuǎn)子位置達(dá)到給定值θ_ref。

具體的，對于電氣傳動實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子速度控制為雙閉環(huán)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置控制為雙閉環(huán)或三閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，以永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置三閉環(huán)控制為例，如圖6所示的，具體流程包括：

步驟1：用連接線把各個電路正確連接起來。

步驟2：在計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)的實(shí)驗(yàn)控制界面中設(shè)定轉(zhuǎn)子位置給定值θ_ref，并下載到DSP核心控制電路(2)中。

步驟3：電氣傳動電路(14)輸出兩相電流信號i_a、i_b，以及電機(jī)轉(zhuǎn)子速度正交信號Speed、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置正交信號θ，并經(jīng)由信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)以及FPGA擴(kuò)展電路(3)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

步驟4：DSP核心控制電路(2)以固定的采樣周期讀取步驟3得到的電流、速度和位置信息。

步驟5：控制程序中計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置誤差θ_err＝θ_ref-θ。并對θ_err進(jìn)行PID等運(yùn)算，得到速度給定信號Speed_ref。

步驟6：控制程序計(jì)算速度誤差Speed_err＝Speed_ref-Speed。并對Speed_err進(jìn)行PID等運(yùn)算，得到電流控制量I_ref。

步驟7：控制程序根據(jù)i_a、i_b、I_ref、θ進(jìn)行Park變換、Clark變換、雙電流環(huán)PI運(yùn)算，得到U_α、U_β。

步驟8：控制程序根據(jù)U_α、U_β，進(jìn)行SVPWM變換，輸出PWM控制信號，并經(jīng)由FPGA擴(kuò)展電路(3)、信號保護(hù)驅(qū)動電路(4)到達(dá)電氣傳動電路(14)。電氣傳動電路(14)控制永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

步驟9：重復(fù)步驟3到步驟8，直到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置達(dá)到給定值θ_ref。

在本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)中運(yùn)行Matlab/Simulink或Labview軟件，所述實(shí)驗(yàn)控制程序直接在Matlab/Simulink或Labview中以S-Fuction函數(shù)、M文件、Simulink電路庫中的電路等形式生成并被存儲。例如：如圖4所示的，在所述計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)的Matlab/Simulink或Labview軟件中設(shè)計(jì)了整個系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作界面，包含單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)、三相橋式可控整流實(shí)驗(yàn)、單相調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、三相調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、單相正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)逆變電路實(shí)驗(yàn)、直流斬波實(shí)驗(yàn)、雙閉環(huán)晶閘管不可控直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、永磁同步電機(jī)矢量控制和三相異步矢量電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)等。

通過實(shí)驗(yàn)控制界面對各實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行可視化、圖形化編程，得到所述實(shí)驗(yàn)控制界面。在實(shí)驗(yàn)控制界面上可以實(shí)時在線調(diào)整控制參數(shù)?？刂瞥绦?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，并在實(shí)驗(yàn)控制界面上實(shí)時顯示，便于保存、分析、比較。

通過讀取所述實(shí)驗(yàn)控制界面上的按鍵操作，將控制程序編譯生成代碼，并把代碼下載到DSP核心控制電路(2)中實(shí)時運(yùn)行。

本實(shí)用新型的所有實(shí)驗(yàn)控制程序直接在Matlab/Simulink或Labview中以S-Fuction函數(shù)、M文件、Simulink電路庫中的電路等形式編寫；通過實(shí)驗(yàn)控制界面對各實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行可視化、圖形化編程，得到實(shí)驗(yàn)控制界面，并與控制程序相連接；在實(shí)驗(yàn)控制界面上通過按鍵將控制程序編譯生成代碼，并把代碼下載到計(jì)算機(jī)設(shè)備(1)及DSP核心控制電路(2)中實(shí)時運(yùn)行，完成各實(shí)驗(yàn)，是一種真正數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型提供實(shí)驗(yàn)裝備與實(shí)時控制程序，可以實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，摒棄了之前電力電子實(shí)驗(yàn)單一性的缺點(diǎn)，具有綜合性和可開發(fā)性，且適應(yīng)電力電子技術(shù)和電氣傳動發(fā)展需要的數(shù)字化實(shí)時控制實(shí)驗(yàn)裝置及方法，它擁有高精度的控制系統(tǒng)，用于綜合性的電力電子和電氣傳動實(shí)驗(yàn)。且各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均設(shè)有實(shí)驗(yàn)面板，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時，運(yùn)行的參數(shù)、采樣數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)控制界面上以圖形的形式實(shí)時顯示出來，清晰明了，便于保存、分析、比較，且每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的外設(shè)電路需要在面板區(qū)連線完成，方便高效，適合于本科院校高年級學(xué)生、研究生等進(jìn)行研究性電力電子及電氣傳動實(shí)驗(yàn)要求。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電力電子及電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)平臺的單相橋式半控整流電路可以完成單相橋式半控整流實(shí)驗(yàn)；通過單相交流調(diào)壓電路可以完成單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)；通過三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流電路可以完成三相晶閘管全(半)控橋(零)式整流實(shí)驗(yàn)；通過三相交流調(diào)壓電路可以完成三相交流實(shí)驗(yàn)；通過單相交-直-交變頻電路可以完成單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)；通過三相交-直-交變頻電路可以實(shí)現(xiàn)三相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)；通過直流斬波電路完成IGBT直流斬波實(shí)驗(yàn)；通過電氣傳動電路可以完成三相永磁同步電機(jī)(PMSM)傳動實(shí)驗(yàn)、三相交流異步電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、無刷直流電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、磁阻電機(jī)傳動實(shí)驗(yàn)、SVPWM實(shí)驗(yàn)和各種算法的驗(yàn)證試驗(yàn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備均較為簡單主要架構(gòu)為老舊的模擬電路，或者幾乎在每個種類的實(shí)驗(yàn)臺中都設(shè)置了一個DSP控制電路的成本較高且靈活性差的方案。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了僅采用一塊DSP芯片作為核心控制板和FPGA擴(kuò)展電路的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中幾乎所有實(shí)驗(yàn)科目的實(shí)驗(yàn)功能，提高了實(shí)驗(yàn)平臺的綜合性和集成度，節(jié)約了成本，提高了使用靈活性。

本說明書中的各個實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說明即可。以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。