仿真技術助力全國大學生電子設計競賽

朱文杰， 林旭梅， 馬兆興， 王素珍， 丁新平， 田艷兵

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

0 引 言

全國大學生電子設計競賽是教育部與工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學生學科競賽之一，是面向全國所有大學生的科技活動，涉及高校、學生眾多。2015年共有1 097所高校、13 063支代表隊、39 189名同學報名參賽，參與高校和學生之廣泛可見一斑[1]。參加競賽培訓和比賽過程中，采用理論知識結合動手實踐的學習方式，使得學生在本專業(yè)領域的理論水平和工程技術能力迅速提高，為學生的職業(yè)發(fā)展鋪平了道路。

大學生電子設計競賽過程和培訓時需要進行實驗制作和調試，前期設計需要大量理論計算和分析[3-6]，往往因為時間緊促或者疏忽大意而犯錯，如果此時貿然進行電路制版或者面包板焊接調試，會浪費本來就不充裕的時間和精力，甚至還會造成實驗設備損壞或者人身傷害。如果在此之前，采用仿真技術對于所設計方案進行仿真驗證，并進行參數(shù)優(yōu)化，這將極大縮短方案設計時間和競賽準備時間，降低材料無謂損耗，大大降低實驗風險。從長遠來看，掌握熟練仿真技術之后，將為學生成長為優(yōu)秀工程師的職業(yè)之路提供極大便利。本文將主要針對大學生電子設計競賽中的電力電子類題目仿真助力進行討論。

1 競賽培訓和試題分析的快速驗證

全國大學生電子設計競賽，針對電氣信息類專業(yè)本科生，是該類專業(yè)最高級別的全國賽事。全國高校學子同臺競技，充分展示學生的專業(yè)基礎知識功底和實踐動手能力，競賽結果反應出高校相關學科本科實踐教育水平和競賽培訓的效果。

電子設計競賽的培訓內容很豐富，如電力電子方向培訓更接近工程實踐和電氣電子產品研發(fā)：單片機程序設計、微控制器外圍采樣和輸出電路設計、高性能信號鏈電路、電力電子功率處理電路。制作樣機的過程相當于模擬了一個小型電子產品開發(fā)的完整流程，最后的目標類似于培養(yǎng)一個電氣電子類的研發(fā)工程師[8-10]。

電子設計競賽培訓過程和競賽期間需要正確設計整體解決方案，通常學生通過查閱大量相關的書籍資料，經過反復的計算、推導和驗證過程才能設計出效果良好的解決方案。而此過程費時費力，稍微不小心就會犯錯，特別是在時間緊張且心情急躁的競賽期間。如果設計方案有誤，會白白浪費時間制作錯誤電路，無謂耗費實驗材料，還可能因為錯誤的電路連接引起設備故障或者人身傷害，最后嚴重影響競賽培訓的進度，乃至競賽成績。

為了實現(xiàn)快速有效的驗證設計方案，提高培訓和競賽過程的效率，可以采用仿真驗證的方法。仿真技術使得一些經驗性的思路和初步設想可以得到快速的驗證。但電子設計競賽題目類型眾多，涉及內容廣,如電力電子技術、電機控制、信號鏈電路、儀器儀表等。就單單電力電子類題目中就有好多種不同的類型。同時可供選擇的仿真軟件也琳瑯滿目，每個軟件針對的對象和特點都不盡相同。應該根據(jù)培訓或者題目類型來選擇合適的仿真軟件和方法，而國內很少文獻專門針對大學生電子設計競賽中電力電子類題目如何選擇仿真軟件和仿真方法的介紹。

本文將按照電子設計競賽中電力電子類題目的內容進行分類，以具體真實的競賽題目為例，分別給出快速仿真驗證的解決方法，最后提出針對各種電力電子類型題目的推薦仿真軟件和仿真方法。研究結論有助于提高電子設計競賽培訓和競賽過程的效率，提高競賽成績，更為學生的優(yōu)秀工程師成長之路打下良好基礎。

2 競賽培訓及競賽內容仿真效果分類解析

電力電子類題目的共同點是要對輸入的電能進行處理，或者在交直流之間切換，或者在電壓等級上有所變換。但在主電路的結構和功能上會有許多種類，因而其控制方法也不一樣。下面總結十幾年來大學生電子設計競賽的電力電子類題目，分類及其仿真方法。

2.1 線性電源及其控制

該類題目通常以線性的穩(wěn)壓電源、恒流電源或者電子負載為主要載體。以2012年大學生電子設計競賽“直流電子負載的設計制作(F題)”為例進行說明。題目要求設計并制作電子負載，有恒流和恒壓2種工作方式。恒壓方式時，電子負載端電壓保持恒定，電壓值1～20 V步進可調。恒流模式下電流值100 mA～2.00 A步進可調。要求誤差為5%。在題目中還增加了恒電阻模式的要求[2]。具體的參數(shù)要求如表1所示。

表1 直流電子負載主要參數(shù)表

先從極限的要求看：最小的電流誤差是在恒流100 mA時的5%，也就是5 mA。要想采用開關電源的模式實現(xiàn)該精度的困難較大，故方案中采用MOSFET構成的線性電源[7],具體方案如圖1所示。為了實現(xiàn)精細的步進可調和對于不同參數(shù)的精確控制，采用STM32單片機實現(xiàn)更加靈活的不同參數(shù)分段反饋控制，增加系統(tǒng)調節(jié)的快速性和控制精度。

圖1 數(shù)字控制直流電子負載系統(tǒng)框圖

對于仿真的要求是兼具功率器件的特性和閉環(huán)控制方案，具體到這個題目中就是仿真模型需要不僅反映MOSFET的電氣特性，還需要對于數(shù)字反饋控制的方案進行仿真。Saber軟件中的仿真元件庫既有常見各類型號的MOSFET、三極管、運算放大器的仿真模型也有模擬控制、數(shù)字控制模塊及控制模塊與機械量、壓力和電氣量的互相轉換功能，完全可以實現(xiàn)題目中的電力電子器件以及恒壓恒流控制系統(tǒng)的整體仿真驗證。

從圖2(a)中看出，方案中的單片機控制系統(tǒng)可以采用Saber里的控制器來替代。這里關鍵的一點是Saber中轉換模塊可以實現(xiàn)電氣量和控制量之間的轉換，這在PSpice、Tina等軟件中實現(xiàn)起來很困難。由圖2(b)可見,采用仿真中的電路和控制方案，在給定值在1～20 V之間切換時，輸出電壓可以快速跟蹤期望值，且誤差完全滿足要求。在競賽里學生也采用了此方案，取得了省一等獎的好成績，性能指標完全滿足題目的要求。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結果圖

2.2 直流開關電源及其控制

以2015年全國大學生電子設計競賽A題“雙向 DC-DC 變換器”為例，要求用30 V直流電源經電力電子電路向5節(jié)18650型電池充電，要求最高效率大于95%；電池還可以反過來給放電，放電電壓需要穩(wěn)定在30 V[1]，具體參數(shù)如表2所示。線性電源的效率很低，最高的效率為70%，肯定達不到95%的要求，所以必須采用開關電源方案[7]。綜合功能性和復雜程度，選擇buck電路來實現(xiàn)。 該類型的題目，除了與圖2(a)中的主電路為開關電源電路及其驅動電路不同外，其他如控制策略，檢測電路等大致類似。而Saber中有開關電源電路中所用的IR2110、UC3842等常見驅動芯片，廠商提供的IGBT和MOSFET等開關器件，或者為了節(jié)約搭建模型時間，還可以用邏輯控制的理想開關來代替功率器件。所以直流開關電源主電路及其單片機控制系統(tǒng)的仿真完全可以用Saber輕松實現(xiàn)。

仿真的原理圖和波形圖如圖3所示。仿真所需的鋰電池、電力電子開關、比例積分控制器、調制用鋸齒波發(fā)生器等都可以直接調用，直接設置模塊參數(shù)即可。通過該電路充電電流的紋波大小、控制速度和控制精度等仿真結果，方便地選擇輸出電感、調節(jié)器參數(shù)等，給最后的參數(shù)設定提供了重要參考。從圖3(b)的啟動輸出電流波形中看出，在10 ms內達到期望值1 A；并在0.3 s時，命令值從1 A變化到2 A，輸出電流在0.01 s內穩(wěn)定到2 A，精度和控制速度均十分令人滿意。在競賽里學生采用此方案，取得了國家一等獎的好成績，性能指標完全滿足題目的要求。

表2 雙向DC-DC變換器主要參數(shù)表

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結果圖

2.3 交流開關電源及其較復雜控制方法

不同于直流電源的控制，交流逆變器輸出的控制或者是帶有最大功率跟蹤等特殊功能時，控制算法復雜[11-15]，再采用電路仿真軟件仿真就顯得十分費力。推薦采用算法功能強大的Matlab軟件來編程實現(xiàn)。

這里以2009年全國大學生電子設計競賽A題“光伏并網發(fā)電模擬裝置”為例進行說明，要求設計制作一個光伏并網發(fā)電模擬裝置。光伏電池用一個直流電源和一個模擬內阻來代替，其中內阻在30～36 Ω之間變化。輸出要求為工頻的正弦波，其頻率、周期和相位都要與電網正弦參考信號一致。要求在負載和內阻變化時該變換器最大功率點跟蹤(MPPT)功能，具體的參數(shù)要求及指標如表3所示。

表3 光伏并網發(fā)電模擬裝置

常用的MPPT算法有恒壓跟蹤法、電導增量法和干擾觀測法，實現(xiàn)起來需要計算功率、比較、選擇步長等，再用現(xiàn)成的模塊搭建就非常不方便，采用Matlab中Sfunction的編程功能則顯得非常靈活，通過改變關鍵的程序語句就可以改變算法，以驗證不同的控制方法。實現(xiàn)MPPT電路及其控制的仿真如圖4所示。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結果圖

按照干擾觀測法編寫Sfunction實現(xiàn)MPPT控制，從圖4(b)的電路啟動輸出功率波形中看出，在0.2 s內達到期望值24 W；并在0.4 s時，內阻值從36 Ω變化到30 Ω，輸出功率在0.2 s內穩(wěn)定到最大功率29 W，功率控制精度和控制速度均十分令人滿意。在競賽里學生采用此方案，取得了省一等獎，各項測試指標達到題目的要求。

2.4 集成芯片控制開關電源

近年來，競賽命題有向贊助商的一些特殊芯片傾斜的趨勢，如2016年TI杯20省市大學生電子設計聯(lián)賽A題 “降壓型直流開關穩(wěn)壓電源”[2]，要求用LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場效應管為核心器件，設計并制作一個降壓型直流開關穩(wěn)壓電源。輸入電壓16 V，輸出5 V，3 A的電流。并滿足規(guī)定的負載調整率、噪聲紋波電壓峰峰值和電壓調整率等要求。具體的參數(shù)要求及指標如表4所示。

表4 光伏并網發(fā)電模擬裝置

對于此類芯片及其外圍電路初步設計和驗證的時候，要是自己再建模型仿真就顯得費時費力。為此TI公司提供了此類芯片的Pspice模型。采用TI公司提供TINA仿真軟件可以方便的調用這些模型，并合理配置外圍的控制器電路參數(shù)、主電路參數(shù)和采樣電路，很快就會建立起整個系統(tǒng)的模型。

根據(jù)該題目內容所建立的模型和仿真結果如圖5所示。電路及外圍控制電路見圖5(a)，主電路采用同步整流的降壓電路，設計其工作在電流連續(xù)模式下，通過配置控制電路的參數(shù)，來取得比較理想的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓輸出波形。電路中主要的波形見圖5(b)，可以看出在啟動1 ms內，電路輸出Uout達到5 V，電感電流IL1連續(xù)，沒有降到零的部分，并進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。在競賽期間，學生利用TINA仿真軟件進行系統(tǒng)方案的初步驗證和設計，快速形成外圍電路參數(shù)，縮短了調試時間，各項指標完成良好，指導學生取得了山東省一等獎的成績。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結果圖

3 仿真軟件選擇和仿真方法的確定

3.1 線性電源及其控制

競賽題目要求目標電壓或者電流的紋波非常小，如電壓紋波小于10 mV，電流紋波小于10 mA，步進可調的步長也分別在幾mV或者mA之內。此時只有線性電源能夠滿足這些性能指標，特別是對于轉換效率沒有特殊要求的場合。線性電源主電路中的常見廠家功率器件如MOSFET，IGBT，三極管等，單片機控制算法，運算放大器電路驅動等都可以方便地在仿真軟件Saber中實現(xiàn)。而其他仿真軟件中，Pspice側重模擬電路的仿真，難以實現(xiàn)對于數(shù)字算法的仿真。Matlab側重控制算法的仿真，但對于具體功率器件的建模要自己完成，費時費力。采用仿真軟件Saber可以將線性電源類題目實際方案的各部分聯(lián)合綜合仿真，準確而方便驗證方案的效果。

3.2 直流開關電源及其控制

該類題目有以下特點之一：要求電能轉換的效率高，如效率達到80%以上；同時具有升壓和降壓功能；轉換功率較大且重量要求要很輕；兩個以上電路均流輸出。仿真軟件中Matlab和Saber均適合此類仿真：具有各種理想的開關器件模型，驅動和可編輯的數(shù)字控制算法模塊。文中以Saber為例對具體題目進行了仿真并說明了仿真方法。

3.3 交流開關電源及其較復雜控制方法

交流電源控制通常采用比較復雜的算法：重復控制、諧振控制有時候還有各種最大功率控制測量。Matlab中的Sfunction模塊編程方便、靈活，各種運算，數(shù)組操作和邏輯判斷等均可以輕松實現(xiàn)。另外Matlab中建有一般性的理想半導體功率器件的模型，可以直接調用，非常方便。

3.4 集成芯片控制開關電源

該類題目常常推薦某類專用芯片來實現(xiàn)題目中的主要功能，此芯片為贊助商獨有。因而采用贊助商提供的配套的軟件最為合適，可以利用建好的專用芯片模型對于芯片的外圍電路參數(shù)進行快速驗證，將會極大縮短樣機設計和調試時間。

總之根據(jù)題目要求選擇仿真軟件和方法進行仿真驗證，將在學生參加電子設計競賽等學科競賽中起到重要助手的作用：快速驗證方案的正確性，避免原理性錯誤引起的人身傷害和設備損壞，極大縮短競賽調試時間。這些仿真軟件及仿真方法在電子設計競賽中的作用也很明顯，文中所舉實例中所指導的學生均獲得省一等獎。通過這一系列的培訓，最終為合格研發(fā)工程師職業(yè)道路提供很大便利。

4 結 語

全面分析了10多年來的全國大學生電子設計競賽試題中電力電子類題目，將其分為線性電源、直流開關電源、交流開關電源和集成芯片控制開關電源等4個基本類型，針對性地分別提出了比較通用的解決方案，然后分析所提出實現(xiàn)方案的結構特點，討論了如何快速準確地用仿真來驗證，特別是對于不同電路和控制方案給出了適合的仿真軟件選擇，以及仿真實現(xiàn)的關鍵模塊功能描述，另外給出了具體的仿真原理圖和仿真結果主要波形圖。