LabVIEW FPGA實時仿真在現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

茅靖峰， 申海群， 顧菊平， 華 亮， 李學(xué)祥

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

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LabVIEW FPGA實時仿真在現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

茅靖峰， 申海群， 顧菊平， 華 亮， 李學(xué)祥

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

為了提高“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)效果，將LabVIEW FPGA實時仿真技術(shù)應(yīng)用于課程的綜合性和研究性實驗教學(xué)。通過設(shè)計基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流電機H橋PWM調(diào)速開/閉環(huán)控制教學(xué)案例，進一步增進學(xué)生對電力電子典型拓?fù)潆娐芳捌溟]環(huán)控制系統(tǒng)的理解，強化學(xué)生對現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的多學(xué)科點交叉應(yīng)用、整機綜合分析、參數(shù)設(shè)計和測試技能的學(xué)習(xí)。教學(xué)實踐表明，采用上述實時仿真教學(xué)，有助于學(xué)生對現(xiàn)代電力電子技術(shù)系統(tǒng)級的把握和工程實踐能力培養(yǎng)，教學(xué)效果良好。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)； 實時仿真技術(shù)； LabVIEW FPGA； PWM控制

0 引 言

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的，是電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門核心專業(yè)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位[1-3]。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程的教學(xué)不僅要求學(xué)生掌握電力電子拓?fù)潆娐返幕驹砗陀嬎惴椒?，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對基于工程應(yīng)用的電力電子電路及其控制系統(tǒng)的綜合分析、設(shè)計和創(chuàng)新能力，因此綜合性的實驗教學(xué)是整個現(xiàn)代電力電子技術(shù)教學(xué)過程中的一個十分重要的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)課程教學(xué)，受限于硬件實驗裝置的功能復(fù)雜程度和成本，多側(cè)重于電力電子器件級的理論分析與特征驗證，更強調(diào)基于電力電子器件的電路拓?fù)浣馑?，使得學(xué)生們將電力電子技術(shù)過多地關(guān)注在電力電子器件上，弱化了學(xué)生們從裝置級和系統(tǒng)級的角度對電力電子電路進行理解和認(rèn)知，割裂了電力電子功率電路與基于反饋原理的數(shù)模電控制電路、自動控制原理、工程實際應(yīng)用電路之間的關(guān)系[4]。

虛擬仿真技術(shù)恰好是彌補硬件實驗條件不足的一種最有效工具，它能夠模擬各種被控制對象和控制原型，以滿足相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)設(shè)計和測試需求[5-7]。本文將LabVIEW FPGA實時仿真技術(shù)應(yīng)用到“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的綜合性和研究性教學(xué)實踐中，取得了良好的教學(xué)效果。

1 LabVIEW FPGA的功能與特點

LabVIEW是圖形化數(shù)據(jù)流的編程環(huán)境，能快速創(chuàng)建算法并解決各類工程問題。LabVIEW FPGA模塊賦予NI可重配置I/O硬件終端的FPGA芯片以圖形化開發(fā)功能。借助FPGA模塊，用戶可在Windows主機上利用LabVIEW平臺開發(fā)FPGA VI程序，而不需任何有關(guān)底層硬件描述語言(HDLs)的知識。同時，NI公司以PXIe硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的LabVIEW FPGA模塊可達(dá)到嚴(yán)格實時性的要求，LabVIEW執(zhí)行硬件中的代碼，準(zhǔn)確并實時處理和生成同步模擬信號或數(shù)字信號。用戶可創(chuàng)建可直接訪問I/O且具有用戶定義的LabVIEW邏輯的嵌入式FPGA VI程序，從而實現(xiàn)數(shù)字協(xié)議通信、快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)以及硬件在環(huán)仿真HILS(Hardware in the Loop Simulation)等應(yīng)用的硬件自定義[8-9]。

LabVIEW FPGA實時仿真系統(tǒng)為快速控制原型與硬件在回路仿真兩方面應(yīng)用提供了一體化解決途徑。目前，LabVIEW FPGA在航空、航天、汽車、發(fā)動機、電力機車、機器人、新能源、驅(qū)動及工業(yè)控制等領(lǐng)域開始得到廣泛應(yīng)用[10-13]。

2 實時仿真技術(shù)應(yīng)用實例

2.1 實驗內(nèi)容與目的

利用LabVIEW FPGA系統(tǒng)完成基于H橋驅(qū)動主電路的直流電機PWM調(diào)速開/閉環(huán)控制的快速原型設(shè)計仿真。該實驗案例需要學(xué)生掌握電力電子H橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動電路、直流電機的PWM控制原理以及H橋電路的恒壓輸出PID閉

環(huán)控制系統(tǒng)。

通過實驗可以鞏固與深化H橋電路PWM控制的原理、形象地了解電力電子PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的作用，掌握LabVIEW FPGA的實際應(yīng)用技能，鍛煉學(xué)生在電力電子系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計過程中綜合運用多學(xué)科知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的科研能力和工程素養(yǎng)。

2.2 實驗硬件配置

本實驗的硬件平臺為NI R系列多功能RIO設(shè)備，基于可重配置的FPGA芯片以及芯片外圍用于模擬和數(shù)字輸入輸出的固定I/O資源。設(shè)備與外部連接使用的是NI SHC68-68-EPM性能增強型屏蔽電纜和NI SCB-68A屏蔽式I/O接線盒。軟件部分主要使用LabVIEW 2014和FPGA設(shè)計模塊。被控對象包括12 V/1.68 A的直流電機，以及基于MOSFET開關(guān)管的雙H橋電路和通用霍爾電壓電流調(diào)理檢測電路，電路板實物如圖1所示。

(a) 雙H橋電路

(b) 霍爾檢測電路

本實驗采用NI PXIe-1062Q機箱，它具有4個PXI外圍插槽、1個具有系統(tǒng)定時功能的PXI Express插槽、2個既可接受PXI外圍模塊又可接受PXI Express外圍模塊的PXI Express混合插槽。其中需要使用到NI PXI-7854R板卡提供可編程FPGA芯片。NI SHC68-68-RDIO電纜，NI SCB-68A 屏蔽式68針接線盒用于將I/O信號連接至配有68針連接端口的插入式DAQ設(shè)備。連接屏蔽式電纜時，SCB-68A可提供堅固且噪音極低的信號終端。實物為圖2所示。

圖2 PXIe機箱及FPGA板卡

2.3 實驗步驟

基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流電機H橋PWM調(diào)速開/閉控制系統(tǒng)的實驗設(shè)計過程，主要包括以下步驟：

(1) 了解LabVIEW FPGA工作原理，熟悉PXI平臺中相關(guān)板卡的各引腳功能以及使用方法；

(2) 查閱NI公司的產(chǎn)品說明書和用戶手冊，并進行I/O口的硬件例程測試；

(3) 利用FPGA設(shè)計模塊編寫占空比可調(diào)節(jié)單路和多路實時PWM發(fā)生器VI程序，并將程序編譯到FPGA中進行PWM輸出引腳測試；

(4) 編寫FPGA 的轉(zhuǎn)速采集和PID算法VI程序，將PID模塊與實時PWM發(fā)生器模塊連接，進行閉環(huán)回路的功能測試和參數(shù)優(yōu)選；

(5) 進行LabVIEW主VI和控制界面的編寫，并進行整個開/閉環(huán)控制程序的調(diào)試，以及外部硬件及I/O接口的連接；

(6) 通過LabVIEW主控制界面，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的開/閉環(huán)控制，通過對參數(shù)設(shè)置值修改與轉(zhuǎn)速波形的結(jié)果分析，得出實驗結(jié)論。

2.4 快速原型建模

2.4.1 實時PWM發(fā)生器建模

利用LabVIEW FPGA來實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的輸出，其數(shù)據(jù)控件的設(shè)計步驟為“Functions→FPGA I/O→I/O Method”，可以設(shè)置PWM發(fā)生器信號的周期和脈沖寬度，這兩個參數(shù)都通過指定FPGA的時鐘周期(節(jié)拍)“Functions→Timing→Loop Timer”來實現(xiàn)，當(dāng)然也可以選擇微秒或者毫秒模式的循環(huán)定時器和等待時間參數(shù)。

一個H橋電路需要有4路PWM控制輸入，因此，可以復(fù)制4條I/O Method單路程序予以實現(xiàn)，但這種方法復(fù)制了大量的代碼，占用了FPGA的很多空間使得效率很低。為此，可以設(shè)計一個基于多線邏輯的實施方案，使用一個循環(huán)更新4個PWM信號，4條線路都包含在一個數(shù)字端口中，而該端口作為一個整體進行更新。編程時使用板載內(nèi)存來存儲PWM設(shè)置，極大地減少了該程序所需的FPGA空間量，特別是對額外的輸出通道使用多個端口時。圖3為PWM多路輸出程序[15]。

2.4.2 實時轉(zhuǎn)速采集建模

當(dāng)磁通恒定的時候，直流電機的轉(zhuǎn)速與電壓近似成正比，因此，可通過7854R板卡的模擬輸入端口來采集電壓數(shù)據(jù)，以獲得實時的轉(zhuǎn)速信號反饋量。7854R板卡的輸入端口有三種輸入模式，可通過軟件選擇，分別為差分(DIFF)、參考單端(RSE)和非參考單端(NRSE)三種模式[11]。

配置輸入通道和進行信號連接時，必須首先確定信號源是浮動的還是接地的。需要注意的是浮接信號源在進行差分輸入時要分別在接線端并聯(lián)一個偏置電阻到板卡共地端。如未使用電阻，且信號源為浮接信號源，信號源可能不在儀器放大器的共模信號范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致錯誤讀數(shù)。參考單端模式，輸入信號連接至儀器放大器的正極輸入，儀器放大器的負(fù)極輸入接地。使用此模式的條件為輸入信號為大于1 V的較高電平，連接信號的導(dǎo)線長度小于3 m并且輸入信號可共享一個公共的參考點。非參考單端模式與參考單端模式的不同是信號的接地端應(yīng)連接至AISENSE。在單端輸入模式下，信號連接的靜電噪聲和電磁噪聲多于DIFF輸入模式。

圖3 實時PWM多路發(fā)生器輸出

為了保證信號的完整度，本實驗使用差分輸入模式，因為是浮接信號源，所以并聯(lián)了一個10 kΩ的電阻。此板卡測量的電壓輸入范圍為±10 V。

2.4.3 實時PID控制建模

實驗中使用的PID控制器是在FPGA終端上實現(xiàn)的“Functions→FPGA Math→Control→PID”，PID比例、積分和微分增益表示為字節(jié)長度為16，整數(shù)字節(jié)長度為8的有符號定點數(shù)。分別給定比例增益(Kc)、積分時間(Ti,min)和衍生時間(Td,min)，可以根據(jù)下式歸一化上述增益：

式中:Ts為PID循環(huán)運行時的采樣時間。數(shù)字PID控制器的輸出為:

式中:

用戶可對FPGA進行重新配置，以滿足測量和控制系統(tǒng)的要求?？蓪⒂脩舳x的動作通過FPGA VI實現(xiàn)，以創(chuàng)建一個應(yīng)用程序特定的I/O設(shè)備。

2.4.4 系統(tǒng)總體模型整合

實時仿真系統(tǒng)總體模型軟件部分包括：主機界面、上位機LabVIEW主VI程序、FPGA板卡VI程序(包括數(shù)據(jù)采集、PID控制和實時PWM發(fā)生)。FPGA VI程序?qū)崟r采集電壓(轉(zhuǎn)速)信號，將其與用戶給定轉(zhuǎn)速值進行比較，形成反饋偏差數(shù)據(jù)，再輸入PID算法計算，最終產(chǎn)生PWM控制信號。上位機LabVIEW主VI程序是對FPGA采集的數(shù)據(jù)進行處理和圖形化這些數(shù)據(jù)；主機界面是為了方便調(diào)節(jié)、設(shè)置電機控制模式和控制參數(shù)。圖4為直流電機PWM調(diào)速開/閉環(huán)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

建立新的工程的同時，將需要用到的端口添加到工程中，并新建FPGA目標(biāo)后，在該工程目錄下進行FPGA程序的編寫。新建FPGA目標(biāo)順序為“My Computer→New→Targets and Devices→FPGA Target”中選擇所需要的目標(biāo)。

從圖5的FPGA VI圖形化程序中，可以直觀的看出程序的執(zhí)行步驟，LabVIEW順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就體現(xiàn)出來了，所有時鐘都是FPGA的自帶時鐘，F(xiàn)PGA的突出優(yōu)點就在于可以保持精確的時序，其中PID的執(zhí)行周期為微秒級別，PWM的執(zhí)行周期為毫秒級別。

為了存儲采樣數(shù)據(jù)，需要使用FIFO寄存器“FPGA Target→New→FIFO”，一次存儲20個數(shù)據(jù)。本實驗采用DMA FIFO方式來傳遞數(shù)據(jù)，使用DMA方式可以使傳輸數(shù)據(jù)的雙方都不需要CPU參與進來，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可以直接通過DMA控制器傳輸?shù)搅硪环降膬?nèi)存中，這樣大大提升了傳輸效率。

3 實驗結(jié)果與分析

先將FPGA 板卡的VI程序進行編譯寫入硬件，然后運行程序，代表轉(zhuǎn)速的電壓信號通過接線盒采集到7854R板卡的FIFO寄存器中，經(jīng)過處理后，再與上位機LabVIEW主VI程序進行數(shù)據(jù)傳遞，最后，上位機主程序?qū)?shù)據(jù)通過圖形化的方式在主界面顯示出來。系統(tǒng)運行主界面如圖6所示。

圖5 FPGA VI程序

圖6 LabVIEW開/閉環(huán)控制界面

圖6中，采集電壓的范圍根據(jù)實際的反饋值設(shè)置為0～10 V，代表轉(zhuǎn)速0～1 500 r/min。轉(zhuǎn)速反饋值是通過FPGA采集20次電壓的平均值轉(zhuǎn)換過來的，這樣能使反饋值更加準(zhǔn)確又不影響速度控制精度。PWM占空比從0%～100%變化，表示開環(huán)狀態(tài)下，H橋電路輸出平均電壓由零到額定工作電壓。實驗中PWM信號的頻率設(shè)置為100 Hz，采樣頻率為2 kHz。

3.1 開環(huán)PWM調(diào)速實驗

將主機界面的開/閉環(huán)控制模式開關(guān)撥到開環(huán)位置。此時，PID閉環(huán)控制回路斷開，需要手動調(diào)節(jié)PWM占空比進行直流電機調(diào)速。

先將占空比設(shè)置為100%，然后啟動程序，直流電機轉(zhuǎn)速快速達(dá)到1 480 r/min且穩(wěn)定運行。再將占空比從100%順序階躍調(diào)整到70%和35%，直流電機轉(zhuǎn)速則與PWM占空比成比例地下降到1 036 r/min和518 r/min，達(dá)到新的穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速。獲得的轉(zhuǎn)速與占空比波形如圖7所示。

圖7驗證了H橋電路的直流電機PWM線性調(diào)速能力，以及FPGA快速原型程序的正確性。

直流電機在占空比70%條件下穩(wěn)定運行時，H橋工作電壓突降25%，電機的轉(zhuǎn)速變化波形如圖8所示。

(a) 開環(huán)轉(zhuǎn)速波形

(b) 開環(huán)占空比設(shè)置

圖8 轉(zhuǎn)速開環(huán)帶擾動實驗波形

該圖表明，開環(huán)PWM調(diào)速控制模式下，外部擾

動，如H橋電路電壓變化，會導(dǎo)致直流電機轉(zhuǎn)速變化。該模式下，PWM占空比不能跟隨外部擾動而變化，使得轉(zhuǎn)速運行不恒定，即不具備抵御外部擾動的能力。

3.2 閉環(huán)PWM調(diào)速實驗

將主機界面的開/閉環(huán)控制模式開關(guān)撥到閉環(huán)位置。此時，PID閉環(huán)控制回路接入，PWM的占空比為PID算法的輸出量，轉(zhuǎn)速給定手動設(shè)置。

隨機設(shè)置轉(zhuǎn)速給定，直流電機的實際轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)快速跟蹤，如圖9所示。

(a) 閉環(huán)轉(zhuǎn)速跟蹤波形

(b) 閉環(huán)PWM占空比PID調(diào)節(jié)波形

當(dāng)直流電機分別穩(wěn)定運行在1 200 r/min和400 r/min的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，突然加入H橋工作電源的動態(tài)擾動，如圖10所示，電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動后，很快可以恢復(fù)到原設(shè)定值。

(a) 高速擾動

(b) 低速擾動

該實驗表明，在閉環(huán)PWM調(diào)速控制模式下，由于PID的調(diào)節(jié)作用，PWM占空比可以跟隨外部擾動而變化，使得轉(zhuǎn)速運行恒定，即具有抵御外部擾動的能力。

通過上述設(shè)計的實驗過程，學(xué)生可以觸摸到實物，看到實際波形，真切地感受到系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)引起的波形變化情況。再通過多種類波形圖的分析，可進一步加深對電力電子H橋電路PWM控制的工作原理、開環(huán)/閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)與方式，及其對直流電機恒轉(zhuǎn)速控制的影響等內(nèi)容的理解。達(dá)到了實驗教學(xué)的目的。

顯然，相比于傳統(tǒng)的計算機軟件數(shù)值仿真實驗方式，基于真實被控對象的LabVIEW FPGA快速控制原型實時仿真實驗方式，學(xué)生在工程動手能力上獲得了鍛煉，學(xué)習(xí)的趣味性也獲得了提高，對于知識點概念理解更直觀，對實驗過程和結(jié)論分析的印象更深刻，更利于對復(fù)雜系統(tǒng)知識的掌握，可獲得更好的教學(xué)效果。

4 結(jié) 語

LabVIEW FPGA實時仿真技術(shù)作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程綜合性和研究性實驗教學(xué)中的有效手段，可以解決復(fù)雜實驗硬件設(shè)計制作周期長成本高、抽象的控制理論與概念不易形象化理解等難點，有利于將學(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)注點從“電力電子電路本體”驗證性實驗的傳統(tǒng)思維過渡到對“電力電子電路及其控制系統(tǒng)”的綜合分析、整體設(shè)計和測試的多學(xué)科工程應(yīng)用能力培養(yǎng)上。這種新興技術(shù)和新型實驗教學(xué)方法，對提高現(xiàn)代電力電子技術(shù)實驗教學(xué)質(zhì)量，改善實驗教學(xué)效果起到了良好的作用。

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Real-time Simulation of Modern Power Electronics Experiment Teaching by Using LabVIEW FPGA

MAOJing-feng,SHENHai-qun,GUJu-ping,HUALiang,LIXue-xiang

(School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China)

In order to improve teaching quality of modern power electronics course, LabVIEW FPGA real-time simulation technique is applied to deign comprehensive and research experiments for the course. In this paper, an application experiment named as DC motor H-bridge PWM open/closed loop control system based on LabVIEW FPGA is design by using the rapid control prototyping method. The experiment is beneficial to students, it not only comprehends the complex working principles of traditional power electronics circuits as well as its closed loop control system, but also enhances the practical capabilities of multi-discipline cross application, general system analysis, parameter calculation, and test skills. Teaching practices prove that, the LabVIEW FPGA real-time simulation technique is a powerful tool in modern power electronics experiment teaching. The teaching quality is good, and it helps greatly for students to engineering practice ability cultivation.

modern power electronics; real-time simulation technique; LabVIEW FPGA; PWM control

2015-11-23

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目；江蘇省高等教育教改研究項目(2015jsjg234)；江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究室與實踐課題(2012-96)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201510304083X)

茅靖峰(1976-)，男，浙江寧波人，博士，副教授，研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、電機及其控制。

Tel：15962979189；E-mail：mao.jf@ntu.edu.cn

G 642；TM 92

A

1006-7167(2016)09-0108-06