基于Simulink/GUI斬波電路的仿真設(shè)計(jì)

侯舒婷 何銘蔓 陳心怡 李子楊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 天津 300222）

0 引言

斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流電路，該電路在電力電子相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中占據(jù)重要地位。本文介紹了一個(gè)斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)電力電子斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，初學(xué)者可以選擇不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行所需要的參數(shù)設(shè)置，而后可以通過(guò)圖像化的分析結(jié)果輔助其對(duì)斬波電路的理解。在教學(xué)過(guò)程中，教師運(yùn)用斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)輔助課堂，通過(guò)不同參數(shù)所呈現(xiàn)不同的仿真圖形的展示，從而加深學(xué)生對(duì)斬波電路內(nèi)容的理解。

張志華等在研究直流升降壓變換器的過(guò)程中，采用了仿真建模的思路，并使用了MATLAB/Simulink軟件，使得建模過(guò)程具有可視化的特性，使得電路更容易理解。賈立柱等同樣關(guān)注了利用MATLAB軟件搭建斬波電路的研究，并具體建立了升、降壓斬波電路系統(tǒng)模型。曾凡琳等從輔助教學(xué)及研究人員的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了可以進(jìn)行斬波電路仿真并分析的仿真平臺(tái)。梁梅等通過(guò)MATLAB軟件，仿真斬波電路波形，根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)，指出了斬波電路負(fù)載的最優(yōu)設(shè)置方式。王洪凱等研究降壓斬波電路和Cuk斬波電路的電路原理，通過(guò)GUI調(diào)用Simulink搭建的仿真界面，將兩個(gè)子界面進(jìn)行對(duì)比，得出重要結(jié)論。林輝等闡述了升降壓斬波和Cuk斬波電路仿真模型的示波器檢測(cè)的通道信號(hào)，提供電感電阻的參考值，從而得出具有參考價(jià)值的斬波仿真圖形。成卓敏等通過(guò)展示計(jì)算過(guò)程和波形圖分析過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注Sepic斬波電路的分析過(guò)程，闡述了Sepic斬波電路的工作原理。

鑒于學(xué)術(shù)界對(duì)斬波電路的研究，局限于特定的一種斬波電路并進(jìn)行仿真，本文開(kāi)發(fā)了綜合四種斬波電路的統(tǒng)一斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)。

1 斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)由一個(gè)主界面和四個(gè)子界面組成。該平臺(tái)如圖1斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)所示。電路選擇模塊為該平臺(tái)的主界面，參數(shù)設(shè)置模塊、仿真選擇模塊、仿真圖形展示模塊以及電路基礎(chǔ)知識(shí)模塊組成該平臺(tái)的子界面。

圖1：斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)

在主界面電路選擇模塊中，設(shè)置了可供學(xué)生選擇電路的按鈕，分別為升壓斬波電路、降壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路，如圖2斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)主界面所示。

圖2：斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)主界面

在子界面中學(xué)生可以查看斬波電路的相關(guān)知識(shí)，并根據(jù)需要在參數(shù)設(shè)置模塊中填寫(xiě)所需的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊仿真選擇模塊后可在波形展示模塊觀察到相應(yīng)的波形圖。以降壓斬波為例，如圖3降壓斬波電路子界面所示。

圖3：降壓斬波電路子界面

為了方便教學(xué)，進(jìn)入子界面后，電路基礎(chǔ)知識(shí)模塊將介紹該電路的相關(guān)知識(shí)并為初學(xué)者提供優(yōu)質(zhì)參數(shù)，同時(shí)教師也可以根據(jù)此優(yōu)質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行高質(zhì)量教學(xué)。仿真圖形展示模塊所提供的輸出電壓、輸入電流等參數(shù)的波形也有利于學(xué)生深入了解電路知識(shí)。

斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)操作流程如下：學(xué)生進(jìn)入仿真平臺(tái)主界面，選擇不同的斬波電路類(lèi)型進(jìn)入子界面，子界面分別為升壓斬波電路、降壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路；進(jìn)入子界面后學(xué)生根據(jù)需求點(diǎn)擊相應(yīng)電路知識(shí)模塊或進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，輸入后點(diǎn)擊開(kāi)始程序仿真；仿真結(jié)束后，學(xué)生可以得到所選電路對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)仿真的圖形，根據(jù)不同數(shù)據(jù)得到的不同圖形，深刻理解在電路中不同元件所起到的作用，為教師教學(xué)環(huán)節(jié)提供輔助。

2 可視化人機(jī)交互仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

為了提升教育教學(xué)水平，提高教師的教學(xué)質(zhì)量，該GUI程序設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用MATLAB軟件，基于GUI/Simulink對(duì)斬波電路進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。該仿真軟件首先設(shè)計(jì)四種斬波電路的Simulink仿真結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)得到相應(yīng)的波形圖的功能。其次將Simulink數(shù)據(jù)與GUI界面相結(jié)合，教師可以根據(jù)授課需求，調(diào)節(jié)不同的參數(shù)從而得到理想的波形圖。GUI界面包含三個(gè)模塊，學(xué)生可在自學(xué)階段利用該程序進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)，加快對(duì)斬波電路的理解。教師可以根據(jù)自擬定的授課計(jì)劃，通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)給學(xué)生展示各種類(lèi)型的斬波電路。

以降壓斬波電路為例，如圖4斬波電路輔助設(shè)計(jì)分析仿真平臺(tái)主界面所示，在其平臺(tái)的主界面中，點(diǎn)擊降壓斬波電路按鈕，而后進(jìn)入斬波電路子界面——降壓斬波電路，教師可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)置模塊中的參數(shù)，隨后可觀察到對(duì)應(yīng)的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流的仿真波形圖，如圖5降壓斬波電路子界面所示。

圖4：斬波電路輔助設(shè)計(jì)分析仿真平臺(tái)主界面

圖5：降壓斬波電路子界面

3 結(jié)論

綜合多種斬波電路，本文介紹了一個(gè)基于Simulink/GUI的電力電子斬波電路輔助設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，該教學(xué)平臺(tái)通過(guò)Matlab軟件中的Simulink程序進(jìn)行斬波電路仿真模型的搭建，其次進(jìn)行GUI界面仿真圖形的展示，最后利用GUI界面調(diào)整Simulink模型參數(shù)，即可得到所需仿真圖形。較于當(dāng)今傳統(tǒng)化電力電子教學(xué)課程，教師和學(xué)生可以通過(guò)自己的想法設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行個(gè)性化修改，最終得到所需的仿真波形圖，既能為電力電子課堂提供一個(gè)有利的教學(xué)平臺(tái)，又能提高教學(xué)效率。