半實(shí)物仿真平臺(tái)在電力電子實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

張陽(yáng)，羅超逵，程諄

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；

2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通裝備智能制造學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換控制的一種現(xiàn)代技術(shù)[1]，結(jié)合了電力、電子、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信、控制理論等知識(shí)，能應(yīng)用于新能源發(fā)電、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)、智能機(jī)器人等當(dāng)今比較熱門(mén)、前沿的科技領(lǐng)域。電力電子技術(shù)作為電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程[2]，旨在使學(xué)生掌握電力電子器件的原理、特性，了解整流、逆變、斬波、變頻電路的工作原理以及控制方法[3]。

高校的電力電子技術(shù)教學(xué)模式通常為理論學(xué)習(xí)+課程實(shí)驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)，其中課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中某些電力電子器件、設(shè)備如果使用實(shí)物成本較高，不太現(xiàn)實(shí)。因此不可避免地需要計(jì)算機(jī)仿真來(lái)完成實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)的內(nèi)容，常用MATLAB/Simulink來(lái)對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真[4]，本文介紹的基于MATLAB/Simulink的半實(shí)物仿真平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，相對(duì)于離線仿真更加精確。

1 半實(shí)物仿真技術(shù)

半實(shí)物仿真技術(shù)是一種接近實(shí)際的仿真技術(shù)，通過(guò)將實(shí)物與在計(jì)算機(jī)上建立的目標(biāo)電力電子系統(tǒng)的仿真模型聯(lián)接在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，常用于工程的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。電力電子的半實(shí)物仿真通?？煞譃閮刹糠郑弘娏﹄娮酉到y(tǒng)建模和實(shí)時(shí)仿真[5]。電力電子系統(tǒng)建模是根據(jù)電力電子系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)搭建離線仿真模型。其中通過(guò)建立電路結(jié)構(gòu)的仿真模型再轉(zhuǎn)化為離散狀態(tài)方程的稱為基于電路拓?fù)涞慕＃煌ㄟ^(guò)電力電子系統(tǒng)直接推導(dǎo)出系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程再建立離散仿真模型的稱為基于數(shù)學(xué)方程的建模。

實(shí)時(shí)仿真是將離散仿真模型轉(zhuǎn)化為c代碼，并生成目標(biāo)碼載入實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以通過(guò)I/O接口將所需的數(shù)據(jù)在實(shí)物與數(shù)學(xué)模型之間交換并通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，從而完成實(shí)時(shí)性的數(shù)學(xué)計(jì)算。

2 半實(shí)物仿真平臺(tái)在電力電子中的應(yīng)用

電力電子實(shí)踐中常見(jiàn)的半實(shí)物仿真平臺(tái)有RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，它們?cè)陔娏﹄娮酉到y(tǒng)建模部分均可采用MATLAB/Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同之處在于實(shí)時(shí)仿真部分，RT-LAB的仿真建模與運(yùn)算能力較強(qiáng)，主要運(yùn)用于電力系統(tǒng)中，而dSPACE更加適合系統(tǒng)測(cè)試，主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。

2.1 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的應(yīng)用

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，由主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成，它能夠使用MATLAB或其他開(kāi)發(fā)軟件中建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、測(cè)試和控制，常應(yīng)用于工程的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。它的主要特點(diǎn)是具有分布式的仿真系統(tǒng)，按照RT-LAB的模型分割方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分割、編輯、編譯、c代碼生成等實(shí)時(shí)化處理，這樣在處理復(fù)雜的系統(tǒng)模型時(shí)能夠使其在一個(gè)具有多個(gè)目標(biāo)機(jī)的分布式網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，以達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，該仿真系統(tǒng)不僅能提高仿真的速度還能滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)硬件在回路中低風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)試。

在利用RT-LAB進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí)的主要步驟如下：首先打開(kāi)模型，打開(kāi)MATLAB/Simulink中已經(jīng)建立好的模型，如果需要可以用Edit功能編輯或者修改模型，通過(guò)Configuration來(lái)調(diào)整配置。接下來(lái)是編譯過(guò)程，用代碼生成工具將各個(gè)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行文件，通常情況其編譯是自動(dòng)完成的，雖然實(shí)際過(guò)程比較復(fù)雜，但只需要點(diǎn)擊Compile按鈕即可完成。而后是分配節(jié)點(diǎn)，將系統(tǒng)分割好的子系統(tǒng)的可執(zhí)行文件并分配至目標(biāo)機(jī)上。最后下載可執(zhí)行文件并用Execute執(zhí)行程序即可運(yùn)行程序得到仿真波形。RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的主界面圖如圖1所示。

圖1 RT-LAB主界面圖

在電力電子教學(xué)中，整流、逆變、斬波、變頻這四類(lèi)電路是電力電子技術(shù)中最基本的變換電路，使用仿真平臺(tái)對(duì)這些基本電路建模仿真能夠加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也激發(fā)了同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣。AC/DC整流電路通過(guò)改變電壓和頻率實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，圖2為單相橋式全控整流電路的仿真圖，四個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成兩對(duì)橋臂，所接負(fù)載類(lèi)型可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)選擇。調(diào)整電源、脈沖、負(fù)載等參數(shù)后運(yùn)行在右側(cè)示波器上將顯示出電路的各元件參數(shù)的波形，可見(jiàn)，使用半實(shí)物仿真平臺(tái)建模仿真時(shí)電路結(jié)構(gòu)直觀清晰地展示在同學(xué)們面前，有利于同學(xué)們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和吸收，同時(shí)也提高了同學(xué)們的動(dòng)手能力。

圖2 單相橋式全控整流電路仿真圖

DC/AC逆變電路通過(guò)改變電壓和頻率實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，圖3為單相半橋逆變電路仿真圖，該電路有兩個(gè)橋臂，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管VT1和VT2的導(dǎo)通角，使其在一個(gè)周期內(nèi)各有正偏、反偏，且二者互補(bǔ)，最終負(fù)載上將得到直流的電流。運(yùn)用半實(shí)物仿真平臺(tái)可以隨時(shí)地修改電源、負(fù)載或者導(dǎo)通信號(hào)的參數(shù)，使同學(xué)們能夠通過(guò)控制變量獲得多樣的實(shí)驗(yàn)電路波形，有利于進(jìn)一步地理解、吸收知識(shí)點(diǎn)。

圖3 單相半橋逆變電路仿真圖

2.2 dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的應(yīng)用

dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一款基于MATLAB的實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)和測(cè)試工作平臺(tái)，包括硬件部分和軟件部分，主要硬件為Micro AutoBox，主要軟件是RTI和Control Desk。它具有強(qiáng)大的控制算法和控制器功能和檢驗(yàn)功能，常用于設(shè)計(jì)和仿真控制以及實(shí)時(shí)快速控制原型，能應(yīng)用于大部分工程。其特點(diǎn)是高度集成性與模塊性，以及與MATLAB/Simulink的高度的契合性，該半實(shí)物仿真系統(tǒng)不僅能夠加快仿真的速度，也為用戶提供了多種仿真的選擇，以滿足用戶不同的使用需求。

不論是在利用RT-LAB進(jìn)行快速控制原型驗(yàn)證（RCP）還是半實(shí)物仿真（HLLS），都會(huì)使用到它的計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具 CDP，CDP軟件組件包括MATLAB/Simulink、RTW、RTI、dSPACE tools。其開(kāi)發(fā)步驟如下。

與RT-LAB類(lèi)似，首先是在dSPACE MATLAB/ Simulink上對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、建模和仿真。然后使用RTI庫(kù)中的指令模塊把邏輯連接關(guān)系變?yōu)橛布涌陉P(guān)系，并設(shè)置I/O、A/D、D/A接口參數(shù)。而后利用RTW build將模型轉(zhuǎn)換為c代碼、編譯、連接并下載，RTI和RTW都可以在MATLAB中輸入命令調(diào)用，十分方便。最后通過(guò)Control Desk進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)和測(cè)試環(huán)境，與硬件系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互操作，如調(diào)整參數(shù)、顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)的參數(shù)波形等。dSAPCE仿真系統(tǒng)中的Control Desk軟件主界面如圖4所示。

圖4 Control Desk主界面圖

直流降壓斬波電路（buck變換器）是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的PWM控制或改變開(kāi)關(guān)周期的頻率調(diào)制使電壓減小的電力電子電路。其實(shí)驗(yàn)仿真圖如圖5所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源給電感充能，并向負(fù)載供電；關(guān)斷時(shí)，電感經(jīng)續(xù)流二極管向負(fù)載供電，并不斷減小，從而實(shí)現(xiàn)降壓的目的。dSPACE仿真系統(tǒng)與MATLAB具有高度的契合性，同學(xué)們?cè)谑褂玫臅r(shí)候會(huì)感覺(jué)十分得心應(yīng)手，許多功能可以輸入指令直接調(diào)用，提高了建立電路模型時(shí)的效率，使電力電子教學(xué)的進(jìn)度能夠有條不紊地進(jìn)行。

圖5 直流降壓斬波電路仿真圖

單相交流調(diào)壓電路是分別對(duì)兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管VT1和VT2（或一個(gè)雙向晶閘管）的觸發(fā)延遲角α進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。其仿真圖如圖6所示。在電力電子教學(xué)中，不僅能深入地剖析電路結(jié)構(gòu)的原理和作用，還能培養(yǎng)同學(xué)們的自主思考和創(chuàng)新能力，激發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

圖6 單相交流調(diào)壓電路仿真圖

由以上的仿真圖可見(jiàn)，半實(shí)物仿真平臺(tái)能準(zhǔn)確而直觀地展示課程的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)讓同學(xué)們手動(dòng)地建立模型、調(diào)節(jié)參數(shù)，切實(shí)地參與到電路的驗(yàn)證與設(shè)計(jì)中來(lái)。

3 結(jié)論

半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、快速性、可拓展性等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用于電力電子課程的實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真建模時(shí)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的效率，加深學(xué)生對(duì)電路原理、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解程度，提高同學(xué)們的動(dòng)手能力，鍛煉自主思考能力。其直觀的波形和電路框架免去了繁瑣的實(shí)物操作，而只需通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)連接至硬件模塊，避免許多誤操作造成的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失，加上其易于調(diào)節(jié)參數(shù)的特點(diǎn)，在一定程度上有利于電力電子的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和研究。