基于LabVIEW構(gòu)建“電力電子技術(shù)”實踐教學平臺

周 巖， 張騰飛， 馬海嘯， 陳軼涵

(南京郵電大學 自動化學院， 江蘇 南京 210023)

0 引言

“電力電子技術(shù)”是集電力、電子以及控制等學科知識的一門專業(yè)課,在教學過程中會涉及許多相關(guān)知識。如“電力電子技術(shù)”課程中要求學生理解開關(guān)變換器高頻變壓器的工作原理，掌握相關(guān)磁性元件的計算和設(shè)計方法[1]。為了加深學生對高頻磁損的理解，還需要介紹不同參數(shù)和不同工作條件下各種波形導致的磁芯損耗差異。如果為此而配備昂貴的儀器設(shè)備來完成這一教學任務，則不利于提高高校設(shè)備利用率和節(jié)約寶貴的設(shè)備采購費。此外，受實驗設(shè)備、經(jīng)費和人員等的限制，“電力電子技術(shù)”實踐教學所能開出的實驗項目有限，且存在實驗綜合性差、實驗效果不理想等缺點，使學生對電路的理解不夠深入。

為了解決上述問題,在“電力電子技術(shù)”的課堂教學中，我們探索通過引入LabVIEW軟件構(gòu)建基于通用設(shè)備的教學平臺，且在實踐教學過程中對具體電力電子電路激勵波形進行演示，直觀顯示測量數(shù)據(jù)。該方法不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，而且還可以活躍課堂教學氣氛，提高學生對復雜理論的理解，更好地培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力[2～3]。

LabVIEW軟件在界面開發(fā)上擁有強大的功能，不僅支持各種媒體資料的插入使用，還能夠制作出美觀形象的教學演示界面和軟件操控交互界面。為了獲得磁芯在不同頻率和磁通密度下的激勵損耗，所構(gòu)建的高頻磁損測試平臺系統(tǒng)能夠有效地調(diào)節(jié)激勵波形頻率和幅值，大幅降低了對昂貴專業(yè)測試設(shè)備的購置需求。

1 高頻磁損測試平臺的構(gòu)成

磁性元件在開關(guān)變換器中具有舉足輕重的作用，對磁芯損耗的有效測量可為磁性元件散熱方案設(shè)計提供依據(jù)。開關(guān)變換器作為電氣電子設(shè)備供電系統(tǒng)的核心，其能否可靠運行直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性。高頻磁損測試平臺主要由計算機、程控儀器、總線接口和測試軟件4部分組成，如圖1所示。

圖1 測試平臺的構(gòu)成

1.1 計算機和程控儀器

計算機是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)分析的核心。高頻磁損自動測試系統(tǒng)在基于Lab VIEW軟件平臺上可以完成測試參數(shù)的設(shè)置，測試數(shù)據(jù)的分析處理等任務，最后將測試結(jié)果通過顯示器輸出[4～5]。

程控儀器擔負著實際測量的任務，完成對不同的測控對象的測量和控制，程控儀器的精度直接影響測試的準確性。

1.2 總線接口

為了簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，引入總線技術(shù)?？偩€接口是使自動化測試系統(tǒng)相互之間進行有效通信的重要環(huán)節(jié)[6]。測試指令的發(fā)送、測量數(shù)據(jù)的回傳都是通過總線接口來實現(xiàn)。程控儀器的總線接口有串行總線接口、網(wǎng)絡(luò)接口和GPIB并行接口之別。而USB接口支持即插即用和熱插拔的功能，成為主流的測試總線數(shù)據(jù)接口[7～8]。LabVIEW軟件提供了與常用普通儀器總線(如GPIB、串行總線和以太網(wǎng))相連接的軟件函數(shù)庫。

1.3 測試軟件

測試軟件是自動測試系統(tǒng)的重要組成部分，測試系統(tǒng)的設(shè)備管理、信號傳輸、數(shù)據(jù)分析和實現(xiàn)各種人機對話，都需要有一個功能強大、操作方便的自動測量軟件的支持[9～10]。圖2所示為采用串口作為標準接口總線的自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 高頻磁損測試平臺原理

磁損測試平臺的硬件主要由計算機和程控測量儀器構(gòu)成，程控測量儀器包括正弦信號發(fā)生器、功率放大器NF HSA4101和功率分析儀Tektronix PA1000。通過上位機和程控測量儀器結(jié)合構(gòu)建閉環(huán)測量系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 正弦激勵下的磁芯損耗的測量系統(tǒng)

針對開關(guān)變換器激勵波形的頻率和幅值可調(diào)的要求，我們利用AD9834和AD5620構(gòu)建正弦信號源，可實現(xiàn)其輸出信號的幅值可調(diào)、頻率可控。圖4給出了高頻磁損測試平臺的正弦信號源設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)。上位機根據(jù)監(jiān)測的激勵電壓，適時更新所需的正弦波形頻率和幅值信息指令。

圖4 正弦信號源設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)

3基于LabVIEW的測試應用軟件設(shè)計

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發(fā)工具，可完成數(shù)據(jù)采集和儀器控制功能，方便地組合成專業(yè)的測試平臺。

3.1 測試應用軟件主要功能

測試應用軟件主要由參數(shù)設(shè)置界面、測試結(jié)果分析界面，典型矩形波激勵下的損耗預測表格和預測曲線界面以及在Buck、Boost拓撲中的矩形波損耗預測曲線界面所組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。在對硬件電路進行連接后，學生只需進行參數(shù)設(shè)置便可進行損耗測量。

圖5 磁芯損耗測試應用軟件整體結(jié)構(gòu)

3.2 前面板

前面板是整個測試應用軟件的最上層，它直接面向?qū)W生。它通過友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實現(xiàn)對儀器的控制、顯示處理。因此，前面板主要由2個區(qū)域組成：參數(shù)設(shè)置區(qū)和波形顯示區(qū)，如圖6所示。它與傳統(tǒng)教學不同的是將所有參數(shù)設(shè)置以及測試結(jié)果集中在一起，能更加直觀地反映出磁芯損耗的變化趨勢。

3.3 系統(tǒng)程序框圖

程序框圖是測試系統(tǒng)的核心組成部分，所有功能的實現(xiàn)由程序框圖來控制。本系統(tǒng)的程序框圖可分為參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理3個模塊。

1)參數(shù)輸入

該模塊實現(xiàn)正弦參數(shù)設(shè)置，并設(shè)置具體工作條件，將前面板輸入?yún)?shù)整合,如圖7所示。

2)數(shù)據(jù)采集

該模塊主要通過LabVIEW的VISA寫入和VISA讀取實現(xiàn)。通過VISA寫入，實現(xiàn)與功率分析儀Tektronix PA1000通信并寫入控制字，后通過VISA讀取獲得測量的參數(shù)，通過電壓閉環(huán)控制測量區(qū)間。在該模塊中，學生既可以在后面板中進行編程學習，也可以在不同實驗中直接在前面板中進行參數(shù)設(shè)置。該平臺不僅降低了實驗的復雜性，而且編程能力也得到了鍛煉。

(a)參數(shù)設(shè)置

(b)測試結(jié)果圖6 前面板

圖7 參數(shù)輸入模塊

數(shù)據(jù)采集模塊如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊

3)數(shù)據(jù)處理

此模塊將測得的損耗數(shù)據(jù)進行處理，通過LabVIEW編程進行計算，后將其通過表格和曲線的形式表示在前面板，直觀反應了損耗變化量和具體變化趨勢。該模塊如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理模塊

4 結(jié)語

本文以高頻變壓器的教學為例，利用計算機和程控儀器在LabVIEW環(huán)境下方便地構(gòu)建了高頻磁損測試平臺，實現(xiàn)了高頻磁損測量的自動化和數(shù)據(jù)顯示的實時化。實踐表明，該實踐平臺顯著提高了學生對專業(yè)課程的理解，大幅降低了對專業(yè)設(shè)備實物的需求，提高了對通用電氣設(shè)備的利用率。