eMCP1000N运动控制系统实验装置

    “运动控制系统”是我国高校工科自动化类的专业课程，涉及的知识领域包括控制技术、计算机应用技术、电力电子技术等，具有很强的综合性。因此，该课程的实践教学是帮助学生更加直观，更加深入的掌握理论知识，锻炼动手能力，培养创新思维的重要环节。而以“eMCP1000N运动控制系统实验装置”为基础，构建的基于Web技术的运动控制系统教学和实训平台（如图1所示），为实现专业实验室的全面开放型管理、建立合理的专业教学模式，多层次的培养学生的专业实践能力提供了有效的技术保障。
 
基本组成：
♦  带有网络功能的运控实验装置（eMCP1000N）：是开放式教学和实训平台的基本单元，是完成运控系统实验的硬件载体。既可以完成基本的本地演示实验、操作实验和创新设计实验，也可以完成远程演示实验、操作实验和创新设计实验。
•  演示实验：教学过程中，老师可以通过演示实验，在给学生传授理论知识的同时，适时地将理论实践真正的引入课堂。
•  操作实验：学生可通过操作实验，独立完成老师布置的课程设计实验，真正达到实践教学的效果。
•  创新设计实验：老师和学生可以完全掌握实验装置的基本原理和使用方法，老师可以基于本装置安排全新的课题设计和科研项目，让学生亲自使用本装置进行二次开发和创新实践，真正的培养学生的创新思维和设计能力，真正的与社会需求接轨，真正的满足当前技术共享、开放教学和实践创新的新要求。
♦  Web服务器：基于Web技术的服务器管理系统，是网络实验室的管理核心，主要用于实现网络实验中数据的实时传输和备份，以及实验室的信息管理。实验室管理员或老师通过网页可直接管理实验装置、管理学生的用户信息、设定实验内容、预约实验时间、申请和批准实验、上传和下载实验报告等。经过授权的用户可通过网页访问实验室的实验装置，进行各种实验操作，并可以实时的监控实验数据和波形。
♦  网络摄像头（IPCamera）：可实时传输网络实验室的视频以及音频数据，让参与远程实验的用户如同身临其境。
♦  路由器：将网络实验室与校园网或Internet网连接，这意味着，任何一个具备网络权限的用户，在世界上任何一个能上网的地方就能访问该网络实验室中的实验装置，完成一次远程的运控系统实验。
    基于eMCP1000N的开放式教学和实训平台，打破了传统意义的“运动控制系统”教学和实践的理念。
    在时间和空间上，突破了“运动控制系统”网络实时监控的技术瓶颈，极大的共享了实验室资源，真正的将专业实验室对外开放，网络化的管理机制又不会给管理者带来任何负担。
    与此同时，开放的技术资源，不仅可以满足基本的教学要求，而且可以深化教学效果，真正的达到理论和实践的结合，并且使得用户真正意义上的使用此硬件平台，达到设计和创新的最终目标。
 
 
    作为开放式教学和实训平台的基本单元，完成运控系统实验的硬件载体，eMCP1000N作为核心产品，其结构和特点如下所示。
 

2.1. eMCP1000N的基本结构
eMCP1000N外观如图2所示，它主要包括以下几部分：
1. 功率挂箱，内部配有以IPM模块为核心的主功率电路，相当于运控系统的驱动单元。
2. 主控挂箱，内部配有以DSP（TMS320F2812）为核心的主控制电路，相当于运控系统的控制单元。
3. 电源箱，内部安装有本实验装置所需的交、直流电源模块。
4. 变阻器箱，内部安装有大功率滑动变阻器以及励磁电源，供直流有刷电机控制实验使用。
5. 远程加载控制箱，内部安装有加载器控制电路，既可以对应本地加载功能，也可以对应远程加载功能。
6. 本地加载控制箱，内部安装有加载器控制电路，只对应本地加载功能。
7. 远程实验机组，由实验电机（三相鼠笼式异步电动机或他励直流有刷电动机）和加载测速机构组成，其中加载器采用的是磁粉制动器，既可对应本地实验也可对应远程实验。
8. 本地实验机组，由实验电机（三相鼠笼式异步电动机或他励直流有刷电动机）和加载测速机构组成，其中加载器采用的直流加载机（直流发电机），只对应本地实验。
 
2.2. eMCP1000N的技术条件  
2.3. eMCP1000N的突出特点
♦  支持网络功能
1. 用户可以通过网络（小型局域网、校园网或Internet网）远程实时的监测和控制实验装置，完成远程实验操作。
2. 使实验装置走出实验室，来到授课课堂。老师可通过远程演示，在课堂上讲解理论知识的同时，实时操作实验装置，达到教学和实践紧密结合的效果，增加学生的学科兴趣和求知欲，为更好的开展课程设计实验和创新设计实验奠定基础。
3. 多台实验装置，配备专用的Web服务器，可以搭建专业的网络实验室，实现专业实验室资源的有效共享。
♦  系统硬件和软件的功能接口全部开放
    以DSP为核心的主控单元和装置的所有功能接口均会以技术文档的形式开放，包括DSP外设接口资源分配、电路结构示意图、源代码例程等；所有功能接口的信号定义、特性、功能和技术指标等。使用户可以充分的了解和掌握eMCP1000N这套装置的软硬件资源，真正的了解和掌握运动控制系统的组成和原理，并以这个装置为硬件平台，在此基础上设计开发自己的电机控制算法，从而真正实现教学和科研一体化。
♦  独立的功能模块，合理的硬件结构
1. 采用功率电路与主控电路分离的设计结构，便于不同实验系统中的挂箱公用以及不同挂箱之间的自由组合；更便于满足用户对不同需求的自由定制。
2. 功率挂箱中安装有内嵌式数字仪表，这些数字仪表与面板上的原理示意图融为一体，无需使用者外接测量仪表，大大减少了实验连线数量，避免线缆连接错误，导致装置损坏和不必要的危险，再配有过压、过流、IPM故障保护，操作安全、简洁、实用。

 
3.1. 配套教材
    eMCP1000N的配套教材，《运动控制实验教程》，如图3所示。该教材已入选普通高等教育“十一五”国家级规划教材，由清华大学出版社公开发行（ISBN978-7-302-21970-5）。主编是北京工业大学自动化专业资深教师綦慧教授和杨玉珍教授，主审是清华大学自动化系实验教学中心主任杨耕教授。
 
以上述教材为指导，用户可在eMCP1000N上可完成以下实验：

电机	实验内容
三相鼠笼式异步电动机	1．异步电动机参数测定与特性测试 2．转速开环异步电动机变压变频调速系统实验 3．异步电动机矢量控制变频调速系统实验 4．异步电动机直接转矩控制变频调速系统实验
直流有刷电动机	1．直流有刷电动机转矩-转速特性测试 2．直流有刷电动机调速系统各环节特性及参数测定 3．转速单闭环直流调速系统实验 4．转速、电流双闭环直流脉宽调速系统实验
无刷直流电动机（需定制）	1．无刷直流电动机特性测试 2．无刷直流电动机自控变频调速系统实验
永磁同步电动机（需定制）	1．正弦波永磁同步电动机特性测试 2．正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统实验

    eMCP1000N具有完备的软件资源，包括电机控制算法软件、客户端应用软件和服务器端管理软件，其中客户端应用软件包括上位机应用程序和网络应用程序。
♦  电机控制算法软件。
直流有刷电机：开环控制、单闭环控制、双闭环控制
交流异步电机：开环SPWM控制、开环SVPWM控制、双闭环矢量控制、双闭环直接转矩控制
无刷直流电机（需定制）：双闭环控制
永磁同步电机（需定制）：开环SPWM控制、开环SVPWM控制、双闭环矢量控制
♦  上位机应用程序，主界面如图4所示。
    用户通过上位机应用程序，可在eMCP1000N上完成本地所有演示和操作实验。可以实时控制电机的运行；可以设定不同的算法参数，观察控制特性的差异；可以实时监测所有必要信号的波形和数值；可以保存重要的波形数据，进行波形比对和分析。
 
♦  网络应用程序，主界面如图5所示。
    客户端无需安装额外软件，只需一台联网的计算机即可使用网络应用程序。用户通过网络应用程序，可在eMCP1000N上完成远程演示、远程操作和远程设计实验。可以远程实时控制电机的运行；可以远程设定不同的算法参数，观察控制特性的差异；可以远程实时监测所有必要信号的波形和数值；可以保存重要的波形数据，进行波形比对和分析。
   
♦  服务器端软件。
1. 基于Web技术，采用Browser/Server结构设计，使用户通过网络（小型局域网、校园网或Internet网）访问eMCP1000N。
2. 采用Linux操作系统（也可支持Windows操作系统），Tomcat服务器软件，MysqI数据库，JAVA编程语言。
3. 具有完备的管理系统，包括实验申请管理、实验种类管理、用户管理和实验装置管理（如图6所示）等。
4. 多种保护措施，系统更加安全可靠。
Ø  子网掩护：实验室内部的实验装置和服务器形成一个可靠的局域网，通过服务器进行统一管理；而实验室也是通过服务器与实验室外部的网络连接，所以实验室内部的局域网不会受到实验室外部网络环境的影响，可以可靠稳定的运行。
Ø  超时管理：当实验室外部网络环境恶劣，导致网络通讯超时时，服务器会自动切断实验装置的电源，起到保护的作用。
Ø  人为保护：实验室管理员可远程监控实验装置的运行状况，发现异常，可远程主动切断实验装置的电源，起到保护的作用。
   
3.3. 高端人才培养
♦  技术支持
    eMCP1000N所包含的软、硬件技术，全部由我公司自主开发，因此，我公司完全有能力为用户提供扎实的、可靠的、广泛的技术支持。
♦  服务理念
    用户购买eMCP1000N的成本投入属于一次性投入，该设备后续升级服务主要以软件更新为主，因此可以为用户节约大量的投入成本。
    此外，考虑到用户的实际需求，为用户进一步节省投入成本，我公司还推出了简化版本的实验装置，即将eMCP1000N实验装置的网络功能去除，简化成eMCP1000实验装置，即本地（单机）版实验装置。本地（单机）版实验装置（eMCP1000）和网络版实验装置（eMCP1000N）的唯一区别就是没有网络功能，其他功能完全相同。
 
3.4. 产品认证
    该产品已申请软件著作权2项（如图7所示）、实用新型专利1项、产品注册商标1项。