数字化电机控制实验系统
电机的数字化控制是今后电机拖动领域不可替代的发展方向，面对大批进口电机控制变频器纷纷涌入国内，培养我国本土的数字化电机控制人才已是电气工程相关专业的当务之急，只有培养了既具备理论基础又有解决实际问题能力的人才，才会有今后我国电机数字化控制的独立知识产权。与此同时，国内的变频器生产厂商也急需变频器设计和控制策略方面的创新，急待国内高校培养出高端的变频器设计人才。
电机控制人才的培养，在于使学习者在基础学习期间通过电机控制的具体实践理解电机控制的原理、硬件系统和电机控制算法的软件实现。
基于如上的考虑，上海交通大学电气工程系针对电气专业的本科生自主设计开发了一套数字化电机控制系统平台。该平台基于飞思卡尔公司DSP芯片MC56F8257(84763)，设计为便携式实验箱形式。实验箱内包含了核心控制板、电机驱动功率板、仿真器、直流无刷电机、步进电机、电源、液晶显示器及相关配件(配线与接线工具)。其中控制板有飞思卡尔控制板和交大研发控制板两种类型。飞思卡尔控制板适合初学者熟悉DSP芯片的入门使用;交大研发的控制板侧重对于一部分模块的具体使用(如PWM电机驱动、串行通讯及图形液晶显示等)，对DSP芯片的电机驱动应用较为深入。两类控制板与电机驱动板均可兼容，学生可根据自身需要，选择适合自己的一类控制板进行实验。电机驱动板根据功率不同也分为两种，分别用来控制500W电机与10kW高压电机。在完成低压板控制的基础上，有能力的同学可以继续完成高压板的驱动研究。实验箱内提供了低压板可驱动的两类电机，分别是无刷直流电机与步进电机，根据个人能力及完成进度，学生可以选择在课程时间内完成一种或两种电机的各类控制。
图1 数字化电机控制实验系统功能架构
以上所述便携式实验箱是一个完整的通用电机数字化控制系统的硬件功率平台，为学生们进行电机控制实验提供了基础条件。我们将其作为主要硬件平台投入到电气工程系开设的《运动控制系统综合实验》课程当中，主要针对本科生学习和实践包括直流无刷电机、步进电机、永磁同步电机和感应电机的控制。
本数字化电机控制系统的特点：
1) 隔离驱动功率器件，强弱电分开保证了系统安全。
2) 具有电流短路保护、驱动电压过低保护和系统过热保护，防止学生实验时出现意外损坏实验设备。
3) 采用可编程逻辑器件实现半桥功率器件逻辑互锁，故障时自动停止工作的功能。
4) 半桥上、下功率器件的数字死区控制保证了死区的准确性和长期工作的一致性，而且在需要情况下易于编程改变死区时间。
5) 多个指示灯方便实验者对电机控制系统工作状态的观察。
6) 采用新的电流、电压测量方法大大降低了系统的成本。
7) 差动测量抑制了共模干扰，提高了系统测量精度。
8) 电源接入方式提高了电机控制系统的便捷性和安全性。
数字化电机控制实验系统实验箱可以完成的实验主要包括：基础实验和驱动实验。基础实验：通用输入输出、定时器、模数转换、脉冲宽度调制、串行通信和图形显示。驱动实验：直流无刷电机的驱动、无位置传感器的直流无刷电机驱动、步进电机驱动和各类高压电机的驱动。
由于每年学生有近100人，我们制作了65套设备，投入实验50套(2人一组)，15套备用。该实验箱具备便携性，学生也可在课下继续实验研究。这种教学模式已试行三个学年，取得了良好的效果和学生的好评。
作品名称：数字化电机控制实验系统
学校或单位：上海大学
