PES-1000A SaturnLab 电力电子模型开发与实训系统
一、系统简介
为了支持高校电力电子和半实物仿真的教学，特推出了基于模型设计的电力电子和运动控制系列产品，该系列产品可以满足电气工程、电力电子、自动化和控制科学等工科学科相关的教学与科研需求。
系统提供给学生从电路原理，电路构建，到Simulink模型设计以及仿真，直至实际功率电路验证等一整套学习过程。这样学生可以首先了解理论层，然后通过离线仿真对理论层加深理解，进而再对实际硬件进行控制，获得真实的控制数据。让学生更加清晰的了解理论、仿真与实际硬件控制的关系。
针对基础教学方面，系统提供了丰富的实验例程，以培养学生实践能力和创新能力为核心，突出工程实际背景，注重培养学生运用现代技术解决电气工程实际问题的能力；在“开关电源技术”、“ 电力电子装置与应用技术”等课程开设设计型、综合型、创新型、研究型系列实验，实施开放式、自主学习实验教学模式，构建独具特色电气实验教学体系，创新设计实验项目，需要相关的实验设备。
二、系统组成
结构图
平台包含快速原型控制器、双向DC-DC+单相全桥DC-AC变流模块、可调直流电子负载、四通道示波器、可调交流变频电源、可调直流电源、交流电源、功率计、隔离变压器、实验接线箱等。每个模块都有独立的接口，方便拆卸，同时配备独立的实验教程及实例介绍，平台资源丰富，资源齐全，可单独控制，亦可整体工作。
系统需要用到 PC 机，系统软件主要使用 Matlab，组态监控软件。
系统组成图
系统组成介绍：
- 快速原型控制器：系统核心控制器，DSP+FPGA双核架构，Simulink模型一键下载，加载后可与电力电子模型开发与实训监控上位机软件实时交互数据，方便数据跟踪，波形监控或者在线调参。
- DC-DC+DC-AC双极变流模块：由两级变流模块组成，分别是DC-DC变换模块，DC-AC变换模块，每个模块即可独立运行，又可联合运行，实验包含了常用的DC-DC变换和DC-AC 变换。直流低压侧为48V，直流高压侧为80V，交流侧为36V。
- Matlab：Simulink 是 MATLAB重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。在此系统中，模型搭建完成后，可以一键下载到控制器中，省去复杂的设置过程。
- UT-VIEW1000：上位机软件，采用以太网通讯，用于实现与PES-1000A的实时数据交互，方便客户进行数据分析，波形监控及在线调参等功能。
- 实验接线箱：综合测量仪器、变流模块、变压器、交流负载等设备集成于5U机箱内，正面板是拓扑接线图，学生通过香蕉头插线来选择实验内容，后面板是各类接口的线缆转接板，所有线缆归总后相连。
- 电源及测量：
| 序号 | 产品名称 | 主要技术指标 |
|---|---|---|
| 1 | 数字荧光示波器 |
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| 2 | 可编程直流电源 |
|
| 3 | 智能电参数测量仪 |
|
| 4 | 智能电参数测量仪 |
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| 5 | 可编程交流变频电源 |
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| 6 | 可编程直流电子负载 |
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三、产品核心设备介绍
3.1 快速原型控制
RCP 控制器特点
能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成 DIDO、AIAO 量，完成实际硬件控制。
控制算法模型一般采用 Matlab 中的 Simulink 工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，再结合 TI 公司的 CCS 编译工具产生可执行文件，下载至控制器中运行。监控系统软件主要用于配置控制器工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。监控系统包括了 6 类监控功能，分别为功能按钮、通用 DO 按钮、通用 DI 指示灯、波形显示、设定数值、回显数值等。用户可以借助这些功能，直观、方便的了解控制器内部运行的详细信息。
控制器资源
| 序号 | 描述 |
|---|---|
| CPU | TMS320F28335+FPGA |
| 同步 PWM | 外扩 6 组，12 通道，可配置 PWM 多种工作模式 |
| 同步 DO | 外扩 4 路，TTL 电平 |
| 同步 DI | 外扩 4 路，TTL 电平 |
| 同步 ADC | 最多外扩 16 路，16 位精度，最高采样率配置 200KPSP，输入范围+-10V |
| 同步 DAC | 外扩 4 路，16 位精度，最快建立时间 10us，输出范围 0-2.5V |
| QEP/CAP | 外扩一组 QEP 编码器接口/外扩 3 路 CAP 捕获接口 |
| 通信接口 | 一路 USB 口、一路 100M 网口，一路 RS232/RS485 |
3.2 电力电子模型开发与实训监控系统
公司专门为 PES-1000A 研发了一套上位机监控系统。其中包括了 6 类监控功能，分别为功能按钮、通用 DO 按钮、通用 DI 指示灯、波形显示、设定数值、回显数值等。用户可以借助此监控功能，直观、方便的了解控制器内部运行的详细信息。
软件中包含“控制器设置”界面以及“工作区”界面。
其中“控制器设置”界面共有 4 类控制器设置，包括仿真步长设置，DO 控制源设置，QEP/CAP 模式设置，PWM 模块设置。
“工作区”包括功能按钮，DO 设置，DI 显示，设置值，以及观测值等监控功能。
- 建立通信：表示控制器与监控系统建立通信关系；
- 停止通信：表示控制器与监控系统断开通信关系；
- 设置：表示将设置参数文件下载至控制器中；
- 复位：表示对控制器整体进行复位操作；
- 启动仿真：通知控制器运行 Simulink 模型；
- 录播：将控制器上传的值保存，以便分析查看。
Simulink 驱动库
自行开发了 Simulink 驱动库，如下图所示：
在 Simulink 的库浏览栏中，添加的驱动库，右侧就可以添加各类驱动支持驱动模块，如 ADC 模块，DAC 模块，DI 模块，PWM 模块，编码器模块以及示波器模块等。用户通过在模型中调用这些驱动模块，就可以将模型与硬件对应起来。
3.3 DC-DC+DC-AC 双级变流模块
| 低压直流端参数 | 额定电压：48V；额定电流：5.5A |
| 高压直流端参数 | 额定电压：80V；额定电流：3A |
| 交流端参数 | 36V/200VA |
| DB25 接口 | PES-1000A 控制器接口，包含 DIDO 接口和 AIAO 接口，用于闭环控制 |
| 直流负载端口 | DC 变换接直流负载 |
| 交流负载端口 | AC 变换接交流负载 |
| 变压器端口 | AC 逆变接变压器升压并网 |
| 辅助供电端口 | 板卡辅助供电 |
| 电压电流信号 | 电压信号经过电阻分压后采集；电流采用霍尔电流传感器芯片采集 |
| 保护功能 | 过压过流保护；过压过流故障显示灯 |
3.4 测试仪器
| 序号 | 产品名称 | 主要技术指标 |
|---|---|---|
| 1 | 数字荧光示波器 |
|
| 2 | 可编程直流电源 |
|
| 3 | 智能电参数测量仪 |
|
| 4 | 智能电参数测量仪 |
|
| 5 | 可编程交流变频电源 |
|
| 6 | 可编程直流电子负载 |
|
四、实验例程
- 实验基础篇
- 电力电子基础
- 电力电子技术概念
- 电力电子器件概述
- Simulink 介绍
- 快速原型控制平台介绍
- 脉宽调制 PWM
- PWM 的基本原理和控制算法
- PWM 在 Simulink 如何实现
- SPWM 的基本原理和实现方法
- SPWM 在 Simulink 如何实现
- DC-DC 直流-直流变换
- Boost 升压原理和功率硬件电路分析
- Simulink 离线仿真--Boost 升压电路
- 快速原型控制仿真--Boost 升压电路
- BUCK 降压原理与功率硬件电路分析
- Simulink 离线仿真-- BUCK 降压电路
- 快速原型控制仿真--BUCK 降压电路
- AC-DC 交流-直流整流
- 单相全桥 PWM 整流原理和电路分析
- Simulink 离线仿真--单相全桥 PWM 整流电路
- 快速原型控制仿真--单相全桥 PWM 整流电路
- DC-AC 直流-交流逆变
- 单相全桥独立逆变原理与电路分析
- Simulink 离线仿真--单相全桥独立逆变电路
- 快速原型控制仿真--单相全桥独立逆变电路
- 单相全桥并网逆变原理与电路分析
- Simulink 离线仿真--单相全桥并网逆变电路
- 快速原型控制仿真--单相全桥并网逆变电路
- 实验进阶篇
- Simulink 离线仿真--DC-DC+DC-AC 两级独立逆变电路
- 快速原型控制仿真--DC-DC+DC-AC 两级独立逆变电路
- Simulink 离线仿真--DC-DC+DC-AC 两级并网逆变电路
- 快速原型控制仿真--DC-DC+DC-AC 两级并网逆变电路
五、模型控制示例
打开示例Simulink模型，点击编译仿真按键（也可根据情况自行修改模型或者参数）。
然后在电力电子模型开发与实训监控系统可以监控到电压波形、并网电流波形、直流电压和直流电流波形，同时可以通过静态框告知模型控制外环电压值等，如下界面所示。
通过录波功能，将实验过程的数据可以保存下来， 利用MATLAB的plot描点工具，将原始数据以图形形式展现出来，如下图所示三相并网电流波，然后通过plot内部自带的缩放、扩放等工具，可以对数据进行更加深入的分析。
若用户想将模型内部关键节点数据采用模拟量方式输出时，此时只需要调用监控系统软件的 DAC 模块驱动，然后通过实际示波器测量 DAC 接口即可。下面是将占空比与 PWM 信号同时测量的示波器屏幕截图，1 通道为 PWM 实际输出波形，2 通道为模拟量输出的占空比波形。
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