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清华大学—硬件在环(DSP-HIL)教学实验平台


应用背景

清华大学电机系电力电子与电机控制实验室,希望建立一种创新型教学实验平台,平台可应用于电力电子与电力传动领域的教学、科研和开发,同时能够助力实现先进控制算法快速验证和产品控制器的快速研发。用户希望该平台具备以下特点: 

  • 为实验测试人员提供安全便捷的测试环境,可在实验中模拟大型风机、输电线路和大电网等高成本高消耗型设备,能够实现先进控制算法快速验证和产品控制器的快速研发。
  • 能够锻炼学生解决复杂控制等问题的综合能力和高级思维,让学生在实验中接触最新微电网控制、电动汽车驱动控制等当代正在改变能源结构和人们出行的前沿技术,理论与动手相结合提升学生的实验能力。
  • 编程方式简单,可自主编程开发,有实际物理接口,可让学生任意搭建主电路拓扑和控制算法。 


传统的电力和电力电子系统实验室平台往往复杂程度大、重复性差、危险性高,难以进行极限条件等测试,不过随着仿真技术与虚拟仪器技术的发展,基于实时仿真的电力电子仿真实验平台能够有效地解决安全性及便捷性的问题

 

基于StarSim的解决方案

远宽能源的半实物电力电子仿真实验平台拥有前沿的μsHIL(硬件在环)技术,可应用于电气相关专业的教学和科研,能够辅助开展电力电子技术、电机控制、电力系统中的电力电子、新能源发电技术等方向的实验课程。用户可简便地将第三方软件将生成的控制算法下载到控制器中,通过物理连接信号实现对主电路模型的控制验证仿真控制算法在实际控制中性能,消除在实际控制中存在的缺陷,以及测试极端情况、故障情况下控制器的功能是否完善,帮助用户快速研发。基于远宽能源的半实物电力电子仿真器搭建的DSP-HIL平台具有以下特点: 

实结合,保证实验开发测试的安全、完整和快速 

以虚代实:该虚拟仿真实验平台可对新能源电力和电力电子系统测试中存在的复杂程度高、重复性差、 危险性高和极限条件等测试,以虚代实,为实验测试人员提供

                 安全便捷的测试环境;

以虚补实:可对大型风机、输电线路和大电网等高成本高消耗型设备,借助半实物仿真技术,以虚补实,保证系统测试的完整性;

以虚验实:仿真器上运行的主电路模型和实际的DSP控制器构成闭环系统,以虚验实,实现先进控制算法快速验证和产品控制器的快速研发。 

融会贯通,全方位锻炼学生知识、能力和思维 

高阶:该实验教学平台要求学生有机融合电力电子与电力传动电路拓扑和控制算法搭建相关知识和逻辑理解、问题分析、算法创新能力,并通过理论和实践储备解决复

          杂控制等问题的综合能力和高级思维;

创新:实验内容涵盖HIL仿真技术,学生能够在实验中接触最新微电网控制、电动汽车驱动控制等当代正在改变能源结构和人们出行的前沿技术,仿真测试结果能够与

          工程实际相结合,促进学生理论与实际应用接轨,在实验创新中探索新的控制算法;

挑战:相对传统实训平台,该虚拟仿真设计型实验对学生的理论要求更高,学生需要对电路理论、控制理论和Simulink等编程有一定的掌握,可提升学生的实验能

          力。 

始于需求,满足科研教学人员专注-直观-自由”新期待 

专注:平台中仿真器搭载远宽StarSim HIL软件,支持模型一键式导入,无需其他任何编程编译;针对不同教学和学生的需求,控制侧即可采用代码生成技术,编程方

          式简单,可也自主编程开发,灵活与教学内容和目的匹配。

直观:StarSim仿真器和控制器虚实结合,通过实际的物理IO接口实现信号级的实时交互,上位机实时监测系统参数,使学生更加直观地理解主电路内部运行情况。

自由:学生可任意搭建主电路拓扑和控制算法,电路参数修改灵活,可以不同课程,开发更多实验资 源,充分发挥学生的算法设计想象力和创新力。


平台的拓扑结构如下图所示:


 


实验平台由PC上位机、DSP控制器和StarSim实时仿真器组成。DSP控制器运行电力电子与电力传动系统控制算法;StarSim仿真器负责运行实时主电路模型,与DSP控制器进行物理连接实现信号闭环;PC上位机实现电力电子技术算法的研究和电力电子模型的搭建,并且负责为DSP下载控制算法,为StarSim仿真器下载模型。

 

应用成果



应用远宽能源的实时仿真技术,清华大学电机系电力电子与电机控制实验室已把设计的创新型硬件在环(DSP-HIL)教学实验平台成果发表于核心期刊:毕大强,郭瑞光,陈洪涛.电力电子与电力传动DSP-HIL教学实验平台设计[J].实验技术与管理,2019,36(1):226-229


该教学实验平台外观图如下:


  

 

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