基于SP1000的變換器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

賀 偉 張艷琴 毛明軍

(1. 南京信息工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210044)(2. 南京研旭電氣科技有限公司， 南京 210000)

功率變換器主要用來調(diào)節(jié)電源端和負(fù)載端之間電壓，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括buck、boost和buck-boost三種，其應(yīng)用范圍非常廣泛，應(yīng)用在微電網(wǎng)系統(tǒng)、電力分配系統(tǒng)、車船電力系統(tǒng)和家用電器等場(chǎng)合[1-3]。功率變換器的控制精度決定著上述系統(tǒng)的性能，而傳統(tǒng)的控制方法已無法滿足工程需求，研究如何進(jìn)一步提升系統(tǒng)跟蹤性能和抗干擾性能已然成為亟待解決的工程問題[4]。

基于社會(huì)需求，電氣控制類專業(yè)教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)既有創(chuàng)新精神，又有實(shí)踐能力的社會(huì)主義接班人，而解決電氣工程和控制系統(tǒng)問題的能力，就成為該專業(yè)學(xué)生進(jìn)入社會(huì)的核心競(jìng)爭(zhēng)力[5-6]。目前，工科專業(yè)均重視學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，并開設(shè)各類實(shí)踐課程，例如，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)了“電力電子與電力傳動(dòng)綜合設(shè)計(jì)”課程；自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)了“控制系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程等等，這對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的養(yǎng)成大有裨益，然而受教學(xué)經(jīng)費(fèi)與授課學(xué)時(shí)的限制，實(shí)踐課程開展的深度和力度還不夠，存在兩類問題表征：一是實(shí)踐課時(shí)較短。例如本科生以5人為小組設(shè)計(jì)一套完整的電力電子控制系統(tǒng)至少需要3個(gè)月的時(shí)間，而實(shí)踐課學(xué)時(shí)通常只有32學(xué)時(shí)，致使學(xué)生根本無法全面了解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程，無法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理化解析，僅僅停留在系統(tǒng)仿真研究，使實(shí)踐課程開設(shè)流于形式，失其意義。二是實(shí)踐課與理論課內(nèi)容脫節(jié)。例如在“電力電子與電力傳動(dòng)綜合設(shè)計(jì)”授課過程中，學(xué)生雖然能基于現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但是無法運(yùn)用理論知識(shí)自主開發(fā)電氣控制系統(tǒng)。實(shí)踐課程的開設(shè)應(yīng)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，而現(xiàn)有教學(xué)形式未起到實(shí)踐教學(xué)應(yīng)有的作用[7-9]。

為了體現(xiàn)以生為本的理念，發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主體作用，切實(shí)提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，真正為學(xué)生搭建一個(gè)理論知識(shí)與實(shí)踐能力相輔相成的橋梁，基于SP1000控制器，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種功率變換器電壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)生的“控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”和“電力電子與電力傳動(dòng)”實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)優(yōu)良的平臺(tái)。相較于Labview和dSPACE平臺(tái)，教師可指導(dǎo)學(xué)生自行搭建出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉、易于操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10]，具體設(shè)計(jì)步驟見第2節(jié)?？赏ㄟ^監(jiān)控軟件界面，向?qū)W生展示功率變換器控制系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行變量，直觀地呈現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)和輸入電壓對(duì)于輸出電壓的影響。同時(shí)，學(xué)生可依據(jù)現(xiàn)代控制理論知識(shí)設(shè)計(jì)高性能控制器，研究先進(jìn)控制方案。該系統(tǒng)可采用Matlab軟件實(shí)時(shí)控制變換器，在簡(jiǎn)化控制方案設(shè)計(jì)的同時(shí)縮短了驗(yàn)證周期。激勵(lì)學(xué)生將自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論知識(shí)與“電力電子技術(shù)”“電力傳動(dòng)與控制”“電機(jī)拖動(dòng)”等課程建立聯(lián)系，培養(yǎng)其建模、系統(tǒng)辨識(shí)、硬件電路與控制方案設(shè)計(jì)的能力。短期是為學(xué)生后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期是為其進(jìn)入職場(chǎng)能迅速解決工程問題做準(zhǔn)備。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)于電力電子控制系統(tǒng)的興趣，有利于電氣工程專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的提升，為電力電子和自動(dòng)控制方向的實(shí)踐課程教學(xué)提供有效、可推廣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以面向氣象能源微電網(wǎng)的控制方案設(shè)計(jì)為背景，以培養(yǎng)學(xué)生處理電氣控制領(lǐng)域的工程問題為依托，以提升學(xué)生在實(shí)踐課程中的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于SP1000的功率變換器系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示，組成單元包括SP1000控制器、變量監(jiān)控系統(tǒng)、直流電源和功率變換器等。

首先，學(xué)生可以參照專業(yè)書籍設(shè)計(jì)電路PCB板圖；其次，可自行在此電路板焊接電子元器件；最后，學(xué)生可結(jié)合專業(yè)書籍，基于Matlab/Simulink軟件獨(dú)立開發(fā)控制方案。由于可以通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)所設(shè)計(jì)控制器作用下的系統(tǒng)電流電壓曲線，因此能夠快速驗(yàn)證所提方案的有效性。這滿足了實(shí)踐課程教學(xué)中個(gè)體差異性的需求，改變了所有學(xué)生只能完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，讓其真正參與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。同時(shí)結(jié)合上位機(jī)的顯示控件，學(xué)生可直觀地觀察實(shí)際輸出曲線，更好地理解“控制理論”和“電力電子技術(shù)”課程的基礎(chǔ)知識(shí)。

圖1 基于SP1000的功率變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功率變換器硬件電路模塊

為了節(jié)省系統(tǒng)成本，將直流變換器中常見的六路功率變換器集成設(shè)計(jì)在一個(gè)電路板，包括buck、boost、buck-boost、Cuk、Zeta、Sepic等拓?fù)?，如圖2所示。應(yīng)該指出，電路板中的電感、電容和傳感器等器件是不同拓?fù)涞墓迷?，可切換額外三路開關(guān)管的高低電平選擇不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了全面了解拓?fù)浜蜏y(cè)試變換器控制性能，只需搭建這樣一個(gè)電路板即可，很好地降低了成本。此電路板包含的拓?fù)浠竞w了電力電子技術(shù)所講授的全部斬波變換器拓?fù)?。電路板包含電感、電容、電阻、電流傳感器、電壓傳感器以及其它外圍電路。在教師的指?dǎo)下，學(xué)生可對(duì)照專業(yè)書籍自行焊接幾個(gè)或全部功率變換器電路，并進(jìn)行開環(huán)調(diào)試，查看升降壓效果，從而理解電力電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)。

圖2 六路變換器電路板實(shí)物圖

2.2 基于SP1000為核心的控制方案設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品研發(fā)前期、算法驗(yàn)證階段，若采用實(shí)際控制器進(jìn)行控制，存在周期長(zhǎng)、可靠性差等問題。若采用快速控制原型(Rapid Control Prototyping，簡(jiǎn)稱RCP)，那么就可以高效且便捷地完成了前期算法的驗(yàn)證。YXSPACE-SP1000(以下簡(jiǎn)稱SP1000)是由南京研旭公司基于快速控制原型控制思想，采用TI公司的C2000系列DSP-F28xx作為核心開發(fā)的一套教研實(shí)時(shí)控制器，主要應(yīng)用于新能源領(lǐng)域系統(tǒng)的控制，比如光伏變流器、風(fēng)機(jī)變流器、儲(chǔ)能變流器等電力電子變換器。其優(yōu)勢(shì)在于以下幾點(diǎn)：

(1)采用DSP作為控制芯片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果緊密貼合工程應(yīng)用；

(2)基于Matlab/Simulink開發(fā)控制算法，自動(dòng)加載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，避免了繁瑣的編程和Debug工作，特別適合實(shí)踐課程學(xué)生所設(shè)計(jì)的方案驗(yàn)證工作；

(3)使用門檻低，會(huì)Matlab仿真即可完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，測(cè)試工作只需2～4人即可完成；

(4)保護(hù)機(jī)制齊全，此部分不需要用戶實(shí)際搭建保護(hù)模型，只需配置控制量的極限值即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)，讓用戶不用為安全保護(hù)費(fèi)心，而是更多地關(guān)注于核心控制算法開發(fā)；

(5)模型與硬件接口連接簡(jiǎn)單，只需記住端口編號(hào)即可，不用配置硬件各類細(xì)節(jié)；

(6)性價(jià)比高，與國(guó)外昂貴的dSPACE和Labview平臺(tái)相比，基于SP1000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本更低；

(7)具備自主編寫的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，可以直接導(dǎo)入到Simulink庫(kù)中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動(dòng)相應(yīng)的硬件元件庫(kù)，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對(duì)接，無需再花費(fèi)時(shí)間去查詢硬件映射，內(nèi)含8種庫(kù)文件，適用于各種工程調(diào)試需求；

(8)模型轉(zhuǎn)換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉(zhuǎn)換后的源碼。

SP1000控制器采用一體式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)潔輕，易操作，其配置情況如表1所示。

表1 SP1000控制器配置情況

控制方案設(shè)計(jì)部分包括以下幾個(gè)步驟：①針對(duì)六路拓?fù)渥儞Q器，根據(jù)基爾霍夫定律，建立其微分方程，并根據(jù)平均建模法，給出其數(shù)學(xué)模型；②理解系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量的物理含義；③基于所學(xué)過的自動(dòng)控制原理和現(xiàn)代控制理論知識(shí)，設(shè)計(jì)反饋控制方案；④基于Matlab軟件先進(jìn)行仿真研究；⑤將上位機(jī)和測(cè)試電路板通過數(shù)據(jù)線連接，借助TI公司提供的Code Composer Studio(CCS)開發(fā)環(huán)境，將編寫完成的控制算法下載到SP1000控制器中，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率變換器的電壓。此外，學(xué)生還可查看產(chǎn)生的源碼文件、內(nèi)存分配文件等，了解轉(zhuǎn)換底層信息。只有這樣學(xué)生才能更好地完成模型優(yōu)化，甚至是產(chǎn)品級(jí)的代碼優(yōu)化。以滑?？刂茷槔罱巳鐖D3所示的控制算法模型。

圖3 boost變換器控制模型

2.3 基于VIEW1000的上位機(jī)顯示和參數(shù)調(diào)節(jié)

VIEW1000包括了6類監(jiān)控功能，分別為功能按鈕、通用DO按鈕、通用DI指示燈、波形顯示、設(shè)定數(shù)值、回顯數(shù)值等。學(xué)生可以借助這些功能，直觀、方便地了解控制器內(nèi)部運(yùn)行的詳細(xì)信息?；诖耍^測(cè)變換器的各個(gè)變量值，如輸出電壓、電感電流、占空比和輸入電壓。

實(shí)踐教學(xué)中，通過形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，將自動(dòng)化專業(yè)和電氣工程專業(yè)實(shí)踐課程授課過程中一些枯燥、分散的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效整合，不僅能加深學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知和理解，還能夠激發(fā)學(xué)生的探索興趣。比如，在“電力電子與電力傳動(dòng)”實(shí)踐課程授課之前，經(jīng)常遇到學(xué)生對(duì)于電力電子技術(shù)或控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)理解不深的問題。然而，通過此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直觀化教學(xué)，多數(shù)學(xué)生均表示采用此系統(tǒng)的實(shí)踐課程的確加強(qiáng)了對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，激發(fā)了學(xué)生們濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

基于以上闡述，所設(shè)計(jì)的功率變換器電壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，流程圖如圖4所示，主要實(shí)現(xiàn)變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)的目的，從而滿足電力分配系統(tǒng)的電壓需求。其中，電路模塊的參數(shù)如表2所示。

圖4 基于SP1000功率變換器控制系統(tǒng)流程圖

表2 電路模塊參數(shù)

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試以boost變換器為例，控制系統(tǒng)框圖4所示，主控計(jì)算機(jī)主要完成系統(tǒng)建模、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析工作。以太網(wǎng)將SP1000控制器跟主控計(jì)算機(jī)連接，將控制算法代碼傳輸?shù)絊P1000，板卡配置的模擬量輸入與輸出量接口與功率變換器的電流和電壓傳感器連接，形成電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，便于學(xué)生調(diào)試和分析。

系統(tǒng)調(diào)試以滑模控制方案為例，監(jiān)控界面顯示了電感電流曲線、輸出電壓波形、輸入電壓波形和占空比信號(hào)等，如圖5所示。學(xué)生可通過改變電壓參考值，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率變換器的輸出電壓。也可以通過切換不同工況，研究設(shè)計(jì)先進(jìn)控制方案，查看系統(tǒng)的控制效果是否跟理論分析一致，能否達(dá)到工程要求。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例

以氣象能源利用為背景，給出并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例，如圖6所示。

采用電壓空間矢量控制算法，采集三相電網(wǎng)電壓、三相并網(wǎng)電流，直流電壓、直流電流等模擬量，進(jìn)行有功、無功解耦，外環(huán)控制電壓、內(nèi)環(huán)控制電流，最終計(jì)算輸出3組互補(bǔ)對(duì)SVPWM波形，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器功能。針對(duì)此系統(tǒng)，學(xué)生搭建的Simulink模型如圖7所示。

圖5 基于SP1000的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(輸出電壓設(shè)為24 V)

圖6 基于SP1000并網(wǎng)變換器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

圖7 并網(wǎng)變換器Simulink控制算法模型

通過SP1000軟件配置控制器為控制步長(zhǎng)10 KHz，PWM模式為互補(bǔ)對(duì)稱模式，死區(qū)1 us等,如圖8所示設(shè)置界面：

圖8 控制器參數(shù)設(shè)置界面

然后在VIEW1000軟件可以監(jiān)控到電壓波形、并網(wǎng)電流波形、直流電壓和直流電流波形，同時(shí)可以通過靜態(tài)框告知模型控制外環(huán)電壓值等，如圖9所示。通過錄波功能，將實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)保存下來，利用Matlab的plot描點(diǎn)工具，將原始數(shù)據(jù)以圖形形式展現(xiàn)出來。

圖9 系統(tǒng)電壓量和電流量曲線

將模型內(nèi)部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用模擬量方式輸出時(shí)，只需要調(diào)用SP1000的DAC模塊驅(qū)動(dòng)，然后通過實(shí)際示波器測(cè)量DAC接口即可。圖10是將占空比與PWM信號(hào)同時(shí)測(cè)量的示波器屏幕截圖，1通道為PWM實(shí)際輸出波形，2通道為模擬量輸出的占空比波形。

圖10 占空比曲線

5 實(shí)踐教學(xué)效果

為觀測(cè)此系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)效果，以電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的“電力電子與電力傳動(dòng)綜合設(shè)計(jì)”實(shí)踐教學(xué)為例。該課程旨在使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)“電力電子技術(shù)”“電機(jī)拖動(dòng)”“自動(dòng)控制原理”和“現(xiàn)代控制理論”等課程理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、利用工程軟件解決復(fù)雜工程問題的專業(yè)設(shè)計(jì)能力；使學(xué)生遵守安全實(shí)驗(yàn)規(guī)定、加強(qiáng)其環(huán)保意識(shí)；樹立正確的專業(yè)志向，擁有求真務(wù)實(shí)、切問近思的科學(xué)精神。

嚴(yán)格遵循此實(shí)踐課程的教學(xué)大綱，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)生提交的課程總報(bào)告成績(jī)，綜合考慮實(shí)際操作、課程實(shí)驗(yàn)和答辯環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)，加權(quán)計(jì)算出課程目標(biāo)的達(dá)成情況，并經(jīng)過同行評(píng)價(jià)和第三方評(píng)價(jià)，進(jìn)而得到課程質(zhì)量分析報(bào)告，反映出每學(xué)年的教學(xué)質(zhì)量。在此，為了便于說明問題，給出了2020-2021第二學(xué)年和2019-2020第二學(xué)年電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的此課程達(dá)成度對(duì)比情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示，表中橫軸數(shù)字對(duì)應(yīng)此實(shí)踐課程的6個(gè)目標(biāo)，縱軸表示達(dá)成度的數(shù)值。需要指出，2020-2021第二學(xué)年此實(shí)踐課程教學(xué)采用了基于SP1000的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而2019-2020第二學(xué)年未采用。顯然目標(biāo)1、目標(biāo)3、目標(biāo)4相較于上一屆，均有比較明顯的上升，而其他課程目標(biāo)達(dá)成度相差不大。從上述課程目標(biāo)達(dá)成度對(duì)比可以看出，針對(duì)上一屆學(xué)生基于問卷星反映出的問題：少部分學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)的電力電子和電力傳動(dòng)以及自動(dòng)控制知識(shí)掌握的不好，另外，上一屆學(xué)生反應(yīng)理論知識(shí)與實(shí)踐課程有些脫節(jié)，存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)分析等問題。本學(xué)年實(shí)踐課程教學(xué)采用了此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生自行搭建了功率變換器電路板，設(shè)計(jì)了基于SP1000的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和對(duì)課堂及實(shí)驗(yàn)過程的積極性，使其關(guān)于電力電子與電力傳動(dòng)和自動(dòng)控制方面的理論知識(shí)水平和實(shí)際操作能力都有了很大的提升。

圖11 達(dá)到度對(duì)比情況

這說明本學(xué)期實(shí)踐課程教學(xué)的確改進(jìn)了之前存在的問題。絕大部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能積極進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，熟悉此系統(tǒng)的基本原理，這一點(diǎn)在答辯環(huán)節(jié)體現(xiàn)得非常明顯。因此，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的引入極大地提升了教學(xué)質(zhì)量，取得了令人滿意的課程目標(biāo)達(dá)成結(jié)果。至于其它3個(gè)課程目標(biāo)未見明顯提升，主要是因?yàn)閷W(xué)生在撰寫方面能力欠缺，在下一輪教學(xué)中，針對(duì)此問題將進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)工作。

總之，基于此系統(tǒng)的實(shí)踐課程不但注重個(gè)人學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，還提升了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程管理的能力；不但注重專業(yè)知識(shí)技能的訓(xùn)練，還使學(xué)生養(yǎng)成了在復(fù)雜社會(huì)環(huán)境中解決工程問題的思維方式。應(yīng)該指出，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)契合以生為本、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)理念。

6 結(jié)語

針對(duì)實(shí)踐教學(xué)課程目標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于SP1000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給出了電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“電力電子與電力傳動(dòng)綜合設(shè)計(jì)”課程，自動(dòng)化專業(yè)“控制系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)”等實(shí)踐課程教學(xué)的可行性方案。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)開發(fā)周期短、易于操作等優(yōu)勢(shì)，能夠使學(xué)生建立起理論知識(shí)和實(shí)踐能力相結(jié)合的體系，加深工程概念?；诮虒W(xué)實(shí)例，分析得出采用該系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，課程目標(biāo)達(dá)成度提升明顯。