電力電子教學(xué)虛擬仿真實驗平臺的搭建與研究

馬勇++查國翔+王聰

摘 要： 針對電力電子課程課時短、概念多、知識面廣、實踐性強等特點，該文討論了基于Matlab GUI與Simulink結(jié)合的電力電子虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建。以直流?直流變流技術(shù)主界面為例，敘述了主界面的內(nèi)容，原理分析界面的內(nèi)容和功能，運行界面的基本特征，以及閉環(huán)仿真實例分析。電力電子教學(xué)可視化平臺界面友好、操作簡單，其應(yīng)用有助于加深學(xué)生對基本理論、基本概念的理解，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，推進實驗教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞： 電力電子技術(shù)； MatlabGUI； 虛擬仿真平臺； 教學(xué)可視化平臺

中圖分類號： TN99?34； TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0063?03

Abstract： In view of the advantages of short class time， more concepts， wide knowledge scope and strong practice of the power electronic curriculum， the construction of power electronic virtual simulation platform based on Matlab GUI （graphical user interface） and Simulink is discussed. Taking the main interface of DC?DC converting technique as an example， contents of main interface， contents and functions of principle analysis interface， basic characteristics of running interface and closed?loop simulation instance are described. The interface of visualization platform for power electronic teaching is friendly and easy to operate. It is helpful to deepen students' understanding of basic concepts， improve the quality of experimental teaching. Its application can deepen students′ comprehension to the basic theory and concept of their courses， improve the experimental teaching quality， and promote the experimental teaching reform.

Keywords： power electronic technology； Matlab GUI； virtual simulation platform

電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)[1]。它是以高等數(shù)學(xué)、電路原理及模擬電子技術(shù)等課程為基礎(chǔ)，同時也是自動控制原理，電機與拖動等專業(yè)課程的基礎(chǔ)課，具有很強的實用性和綜合性，是電氣工程領(lǐng)域理論和實踐相結(jié)合的專業(yè)核心課程之一，因此電力電子技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的好壞，將直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)[2?4]。電力電子課程概念多、知識面廣、實踐性強，這給老師講課和學(xué)生理解帶來很大的困惑，所以借助實驗來加深學(xué)生對基本概念、基本理論和基本方法的理解很有必要。而傳統(tǒng)電力電子實驗教學(xué)受場地、器材、時間等諸多因素的影響，難以讓學(xué)生達(dá)到基本的實驗?zāi)繕?biāo)。虛擬仿真實驗平臺投入小，不受時間、地點的限制，具有一定的開放性，方便學(xué)生創(chuàng)新等優(yōu)點。所以借助虛擬仿真平臺來輔助課堂及實驗教學(xué)會起到巨大的幫助作用[5?7]。本文借助Matlab/Simulink仿真環(huán)境，以及GUI（Graphical User Interface）設(shè)計友好的人機界面，通過GUI輸入框中數(shù)值的不同，改變電路參數(shù)，即可在界面觀察對應(yīng)的波形變化。同時在界面中添加不同的入口畫面，可以觀察仿真原理圖，以及該電路的原理分析。同時，在虛擬仿真平臺中加入電路的閉環(huán)實例分析，加深學(xué)生對該電路的理解，提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效率[8?9]。

1 電力電子虛擬仿真平臺的建立

1.1 電力電子虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)

在設(shè)計GUI界面之前，首先需要確定虛擬仿真平臺的結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計該平臺的主要目的是為電力電子課程提供一個教學(xué)和實驗的仿真平臺，對電力電子課程中的一些常用電路進行動態(tài)仿真，幫助學(xué)生深刻理解電力電子課程中電路拓?fù)浜碗娐穼嵗?。根?jù)這些基本要求，并結(jié)合電力電子課程的特點，確定了虛擬仿真平臺的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。該平臺包含了電力電子技術(shù)中常用電路，如整流電路、逆變電路、直流?直流變流技術(shù)、交流?交流變流技術(shù)及PWM控制技術(shù)5個基本模塊。課程的其他內(nèi)容可在虛擬仿真平臺的基礎(chǔ)上擴展，因此，該平臺具有很強的通用性。

為了使每個模塊設(shè)計更加簡單，虛擬仿真平臺采用了分層設(shè)計方法，將該平臺分為若干個模塊，每個模塊包括一些子模塊。圖2給出了直流?直流變流技術(shù)模塊的組成框圖，它包括原理分析、運行界面和實例分析三個子模塊，其他模塊的設(shè)計思想同該模塊基本相同。

1.2 Matlab圖形用戶界面設(shè)計

Matlab為用戶提供了強大的集成圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE），用戶可以方便地設(shè)計圖形用戶界面，開發(fā)自己的用戶程序[10]。圖形用戶界面（GUI）是由窗口、菜單、文字說明、標(biāo)簽等控件構(gòu)成。用戶通過提供的控件，如按鈕、滑塊、列表框等可以設(shè)計出易于理解的人機界面。一個圖形用戶界面必須包括控件（Component）、圖形窗口（Graphics）和回調(diào)函數(shù)（Callback）三個部分，利用GUIDE創(chuàng)建GUI是常用方法之一。使用GUIDE創(chuàng)建GUI的基本步驟如下：

（1） 選擇控件類型。根據(jù)預(yù)期的界面設(shè)計，選擇控件類型。電力電子教學(xué)虛擬仿真平臺中使用的控件主要包括按鈕、輸入框、標(biāo)簽、坐標(biāo)軸及面板等。

（2） 設(shè)置控件屬性?？丶幕緦傩园ㄗ址⊿tring）、標(biāo)簽（Tag）、字體大小（FontSize）、前景色（ForegroundColor）等。通過設(shè)置控件屬性，實現(xiàn)預(yù)期的功能指標(biāo)。

（3） 編寫回調(diào)函數(shù)。確定整個界面布局之后，需要編寫控件的回調(diào)函數(shù)。鼠標(biāo)右鍵單擊控件，選擇“查看回調(diào)”→“callback”，編寫回調(diào)函數(shù)。

在界面設(shè)計中用到的主要函數(shù)如下：

get_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′）；

%獲取電路輸入電壓幅值

set_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′，a）；

%設(shè)置輸入電壓幅值

options = simset（′SrcWorkspace′，′current′）；

%指定模型從當(dāng)前空間運行，獲取編輯框中輸入電壓幅值參數(shù)

sim（′boostdianlu′，[]，options）；

%使用sim（）函數(shù)使仿真模型從當(dāng)前GUI函數(shù)空間進行仿真

plot（tout，yout）； %將輸出波形繪制到當(dāng)前坐標(biāo)軸對象上

1.3 Simulink仿真模型

Simulink是Matlab的一個功能組件，為用戶提供建模和仿真的工作平臺。Simulink的SimPowerStems仿真工具箱提供電機與拖動、電力系統(tǒng)與自動化以及電力電子等仿真模塊，幾乎涵蓋所有電力電子電路的仿真模塊。按照電力電子電路的基本原理，利用工具箱提供的模塊可以進行仿真電路的搭建[11]。以“升壓斬波閉環(huán)仿真電路”為例，說明建立仿真模型的基本步驟：

（1） 調(diào)用功能模塊。根據(jù)升壓斬波電路原理圖，確定所需功能模塊，找到它們所在模塊庫。

（2） 創(chuàng)建并保存模型。建好模型后，使用Save命令保存，以便下次使用時直接調(diào)用。

（3） 連接模塊并設(shè)置參數(shù)。將各個功能模塊按照布局進行連接，并設(shè)置每個模塊的參數(shù)。

（4） 運行仿真并顯示結(jié)果。

2 電力電子仿真平臺實例

根據(jù)圖1所示的虛擬仿真平臺結(jié)構(gòu)框圖和圖2所示的直流?直流變流技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)框圖，采用GUIDE設(shè)計各基本模塊和子模塊的圖形用戶界面，編寫各控件對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，響應(yīng)用戶操作。該GUI界面由主界面、原理分析界面、運行界面以及仿真模型四個部分組成。

2.1 直流?直流變流技術(shù)主界面

主界面是訪問該節(jié)的第一個用戶界面，如圖3所示。直流?直流變流技術(shù)主界面由標(biāo)題和功能選擇按鈕組成。在主界面中列出了包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路等常用的六大類基本斬波電路。每一類電路中有三個按鈕，對應(yīng)三個入口，分別是“原理分析”、“運行界面”以及“實例分析”。用戶點擊其中任意一個按鈕，即可進入對應(yīng)的功能界面。

2.2 升壓斬波電路原理分析界面

以升壓斬波電路為例，當(dāng)點擊“原理分析”按鈕后，通過按鈕對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，就可跳轉(zhuǎn)到升壓斬波電路的原理分析界面，如圖4所示。原理分析界面由三部分構(gòu)成，分別是電路原理圖、原理分析文字說明以及主界面按鈕。學(xué)生通過原理分析界面鞏固所學(xué)內(nèi)容，進一步加深對升壓斬波電路基本原理的理解，提高理論知識的學(xué)習(xí)效果。當(dāng)點擊“主界面”按鈕時即可返回圖3所示的直流?直流變流技術(shù)的主界面。

2.3 升壓斬波電路運行界面

當(dāng)點擊升壓斬波電路“運行界面”按鈕后，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的運行界面，如圖5所示。運行界面由參數(shù)設(shè)置欄，波形欄以及菜單欄三部分組成。在參數(shù)欄設(shè)置需要改變的參數(shù)，分別為電壓E、電容R、電感L、電阻R。在輸入框中輸入對應(yīng)的數(shù)值可改變仿真電路的參數(shù)[12]。波形欄共有三個坐標(biāo)軸，分別顯示輸出電壓，電感電壓以及開關(guān)信號波形。菜單欄包括仿真按鈕和主界面按鈕兩部分。點擊“仿真”按鈕進行電路仿真，點擊“主界面”按鈕返回圖3對應(yīng)的直流?直流變流技術(shù)的主界面。

通過輸入框改變仿真電路參數(shù)，不用在仿真模型中雙擊元件改變，提高了仿真效率，同時該界面可直觀地觀察電路參數(shù)的改變而引起的波形的變化。

2.4 實例分析電路

當(dāng)點擊“實例分析”按鈕后，打開以升壓斬波電路為基礎(chǔ)的閉環(huán)仿真電路圖?！斑\行界面”只是針對課本中開環(huán)升壓斬波電路進行操作，而在實際工程中，幾乎所有的電路均使用閉環(huán)模型，由于閉環(huán)仿真電路在課堂中不作講述重點，學(xué)生對閉環(huán)設(shè)計無從下手，不能將所學(xué)知識應(yīng)用于實際工程。因此，在虛擬仿真平臺添加“實例分析”入口，有助于學(xué)生從工程的角度理解閉環(huán)仿真電路的設(shè)計方法，以及閉環(huán)參數(shù)改變對電路的影響。

3 結(jié) 語

在電力電子教學(xué)過程中，針對課程課時短、概念多、知識面廣、實踐性強等特點，電力電子教學(xué)虛擬仿真平臺可以達(dá)到輔助教學(xué)的目的。通過Matlab GUI，設(shè)計友好的人機交互界面，搭建電力電子技術(shù)虛擬仿真平臺。對于一個基本電路，其“原理分析”界面鞏固所學(xué)理論知識、“運行界面”分析參數(shù)改變引起的波形變化、“實例分析”界面理解閉環(huán)電路設(shè)計思想。學(xué)生不僅學(xué)習(xí)基本電路拓?fù)?，鞏固課堂所學(xué)知識，而且真正學(xué)會該電路在工程實際中的使用方法。

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