摘 要：電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)利用MATLAB/Simulink軟件編寫(xiě)內(nèi)核電路仿真程序，利用 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)用戶(hù)界面，基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)技術(shù)，完成電路仿真程序和用戶(hù)界面之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)真實(shí)電力電子電路實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)靈活設(shè)置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖形化顯示、分析等功能，有助于學(xué)生在課后利用計(jì)算機(jī)自主完成課程教學(xué)大綱所要求的電力電子電路實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可應(yīng)用于自動(dòng)化、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生電力電子技術(shù)課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

　　關(guān)鍵詞：LabVIEW;電力電子技術(shù);虛擬仿真

　　1 　研究背景

　　電力電子技術(shù)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課程，對(duì)于培養(yǎng)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才具有重要作用[1]。該課程內(nèi)容主要包括各種電力電子變換裝置的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計(jì)計(jì)算，要求學(xué)生掌握基本電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法，并具備一定的實(shí)驗(yàn)操作能力，所以它是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。然而，由于課程學(xué)時(shí)所限，大部分教學(xué)內(nèi)容只能采用電路原理分析和公式計(jì)算的方式，在課內(nèi)不能充分開(kāi)展硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

　　這樣的教學(xué)方式會(huì)給剛開(kāi)始學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生造成很大困難，使學(xué)生對(duì)電路的實(shí)際運(yùn)行缺乏直觀(guān)的感性認(rèn)識(shí)，因此很難在課后繼續(xù)開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入課程教學(xué)，可以幫助學(xué)生更好地掌握該門(mén)課程的主要內(nèi)容。

　　目前，LabVIEW在電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中已得到了大量的應(yīng)用[1-6]。基于LabVIEW的數(shù)據(jù)分析函數(shù)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征量，從而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。此外，還有多種仿真技術(shù)軟件也被廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中[7-11]。MATLAB/Simulink是理工科專(zhuān)業(yè)通用的仿真軟件，具有強(qiáng)大的仿真運(yùn)算功能，其電氣工具箱可提供各類(lèi)電力電子器件模型，能夠構(gòu)造各種電力電子電路，完成系統(tǒng)仿真。

　　在電力電子課程教學(xué)中應(yīng)用MATLAB/Simulink 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)已被證明是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑[9-10]。電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)基于MATLAB/Simulink工具箱編寫(xiě)內(nèi)核電路仿真程序，能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實(shí)際電路的工作過(guò)程。利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)仿真軟件界面和數(shù)據(jù)處理程序，能夠以圖形方式動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得學(xué)生能夠直觀(guān)地認(rèn)識(shí)真實(shí)電路的工作過(guò)程。

　　學(xué)生利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠輕松地完成教學(xué)大綱中要求掌握的所有基本電力電子電路的仿真實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)課程所學(xué)內(nèi)容的理解，從而在一定程度上彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)條件的不足。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠幫助學(xué)生盡快掌握電路的基本工作原理，并對(duì)實(shí)際電路運(yùn)行形成感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)為學(xué)生在課后開(kāi)展自主學(xué)習(xí)提供了條件。

　　2 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

　　2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成：利用Simulink軟件編寫(xiě)仿真電路程序、采用DLL技術(shù)生成數(shù)據(jù)接口、利用LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)界面。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分具體工作如下：一是仿真電路程序，根據(jù)系統(tǒng)界面的仿真參數(shù)設(shè)置，完成實(shí)驗(yàn)電路仿真運(yùn)行并且輸出仿真數(shù)據(jù);二是利用Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)(DLL)，實(shí)現(xiàn)Simulink仿真電路輸出數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)界面提供具有規(guī)范格式的測(cè)量數(shù)據(jù);三是利用LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)界面，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示和分析，觀(guān)察在控制輸入下電路中各電流、電壓的波形，并提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置接口。根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學(xué)要求，該仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了課程教學(xué)大綱中所規(guī)定的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)電路的仿真實(shí)驗(yàn)。

　　該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下四項(xiàng)功能：

　　一是用戶(hù)界面功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面和各個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)子模塊界面。主界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)導(dǎo)航功能，用戶(hù)通過(guò)主界面選擇自己需要的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入各類(lèi)電路仿真實(shí)驗(yàn)的子模塊界面。各子模塊界面能夠顯示仿真電路原理圖，圖形化顯示電路仿真結(jié)果以及波形分析結(jié)果。同時(shí)，能夠?yàn)橛脩?hù)提供電路參數(shù)設(shè)置接口。

　　二是電路仿真實(shí)驗(yàn)功能。根據(jù)教學(xué)大綱要求掌握的四類(lèi)電路，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)子模塊。根據(jù)子模塊界面設(shè)置的電路參數(shù)，分別完成四類(lèi)電路的仿真運(yùn)行并且將運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋至實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面。

　　三是實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示功能。用于接收仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的圖形化顯示和分析，并將在系統(tǒng)界面上顯示結(jié)果。

　　四是用戶(hù)參數(shù)調(diào)節(jié)功能。用于接收用戶(hù)在系統(tǒng)界面上輸入的電路參數(shù)，并將該參數(shù)傳送至對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)子模塊，進(jìn)行電路仿真。

　　2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：Simulink仿真電路設(shè)計(jì)與設(shè)置、DLL文件的生成、基于LabVIEW的仿真系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。

　　2.2.1 Simulink仿真電路設(shè)計(jì)與設(shè)置仿真電路是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心內(nèi)容。根據(jù)需要在Simulink中搭建電路，然后對(duì)所搭建的電路進(jìn)行一些特定的設(shè)置，為Simulink和LabVIEW之間的通信創(chuàng)設(shè)條件。這里的關(guān)鍵技術(shù)為電路數(shù)據(jù)接口端的設(shè)置。電路數(shù)據(jù)接口端有兩類(lèi)：輸入端(IN)和輸出端(OUT)。將Simulink中的POWERGUI設(shè)置為Discrete模式，并在Simulink的Configuration選項(xiàng)卡中設(shè)置IN和OUT端參數(shù)。輸入控制參數(shù)主要有兩個(gè)：晶閘管觸發(fā)角α和IGBT器件的占空比。在LabVIEW里輸入觸發(fā)角α，得到不同的波形，可以利用Pulse Generator， Variable TimeDelay，Product等模塊。

　　對(duì)于斬波電路的占空比設(shè)計(jì)，可以利用RelationalOperator，Repeating Sequence 等模塊。隨后點(diǎn)擊Simulink中的Build Model按鍵，如果電路連接正確，就會(huì)在當(dāng)前文件路徑下生成“XXX_ert_rtw”文件夾(“XXX”是.slx的文件名)，內(nèi)部含有一系列的.c和.h文件。

　　2.2.2 DLL文件的生成打開(kāi)Visual Studio 2015軟件，建立DLL空項(xiàng)目，并按照如下步驟進(jìn)行添加、修改工程：一是將文件夾中的.c文件全部添加到項(xiàng)目中;二是在源文件下添加.def文件;三是修改數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，在其中調(diào)用一次初始化函數(shù)，將生成的.h文件全部添加到項(xiàng)目中;四是將本地MATLAB安裝路徑文件夾里的頭文件添加至VC++目錄路徑;五是工程編譯后，在原項(xiàng)目文件夾Debug文件夾內(nèi)會(huì)自動(dòng)生成DLL文件。

　　2.2.3 仿真系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)在仿真系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中，將每個(gè)電路生成的DLL文件單獨(dú)建立VI文件，整合到一個(gè)VI文件中，進(jìn)行電路選取、參數(shù)設(shè)置。對(duì)于不同類(lèi)型電路子界面之間的切換，采用選項(xiàng)卡控件配合事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)界面對(duì)應(yīng)一個(gè)特征值，利用不同的按鈕觸發(fā)不同的事件結(jié)構(gòu)，使得該特征值與選項(xiàng)卡頁(yè)面保持一致。每個(gè)頁(yè)面之間相互獨(dú)立，可以單獨(dú)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與波形顯示。有的電路需要進(jìn)行電阻負(fù)載的選擇(即純阻性負(fù)載、阻感負(fù)載)，可以在每個(gè)頁(yè)面的程序中添加條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。在程序中使用了大量的局部變量以實(shí)現(xiàn)同一變量的不同調(diào)用。主界面的主要功能為軟件導(dǎo)航，用戶(hù)通過(guò)主界面可以選擇切換到任意電路仿真子模塊界面。

　　3 電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

　　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用，根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，主要分為以下四個(gè)方面。

　　3.1 整流電路仿真實(shí)驗(yàn)

　　整流電路實(shí)驗(yàn)仿真界面。本模塊由單相和三相可控整流電路兩部分組成，分別可以實(shí)現(xiàn)單相和三相可控整流電路的仿真實(shí)驗(yàn)。該模塊中以單相橋式半控整流電路為例說(shuō)明如何進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)界面由三部分組成：左側(cè)為實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)浜碗娐穮��?shù)設(shè)置;中間部分圖形演示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要包括電路中的關(guān)鍵電流和電壓等參數(shù);右側(cè)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的讀取和分析，能夠讀取圖像中各參數(shù)在任意時(shí)刻的具體取值，并計(jì)算電路輸出有效值、最大值等性能參數(shù)。

　　3.2 逆變電路仿真實(shí)驗(yàn)

　　本模塊由兩種單相逆變電路的仿真模塊組成，分別可以實(shí)現(xiàn)兩種電壓型逆變電路的仿真實(shí)驗(yàn)。該模塊中以單相半橋式逆變電路為例。由三部分組成：左側(cè)為實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)浜碗娐穮��?shù)設(shè)置;中間部分圖形演示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要包括電路中的關(guān)鍵電流和電壓等參數(shù);右側(cè)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的讀取和分析，能夠讀取實(shí)驗(yàn)圖像中各參數(shù)在任意時(shí)刻的具體取值，并計(jì)算電路輸出有效值、最大值等性能參數(shù)。

　　3.3 直流斬波電路仿真實(shí)驗(yàn)

　　本模塊由四種基礎(chǔ)直流斬波電路的仿真模塊組成，分別可以實(shí)現(xiàn)四種基礎(chǔ)直流斬波電路的仿真實(shí)驗(yàn)。該模塊中以降壓斬波電路為例說(shuō)明如何進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。由三部分組成：左側(cè)為實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)浜碗娐穮��?shù)設(shè)置;中間部分圖形演示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要包括電路中的關(guān)鍵電流和電壓等參數(shù);右側(cè)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的讀取和分析，能夠讀取實(shí)驗(yàn)圖像中各參數(shù)在任意時(shí)刻的具體取值，并計(jì)算電路輸出均值、紋波等性能參數(shù)。

　　3.4 交流調(diào)壓電路仿真實(shí)驗(yàn)

　　本模塊由兩種單相逆變電路的仿真模塊組成，分別可以實(shí)現(xiàn)兩種基礎(chǔ)電壓型逆變電路的仿真實(shí)驗(yàn)。該模塊中以單相調(diào)壓電路為例。由三部分組成：左側(cè)為實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)浜途чl管控制角α設(shè)置;中間部分圖形演示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要包括電路中的關(guān)鍵電流和電壓等參數(shù);右側(cè)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的讀取和分析，能夠讀取實(shí)驗(yàn)圖像中各參數(shù)在任意時(shí)刻的具體取值，并計(jì)算電路輸出電壓有效值。

　　4　教學(xué)效果

　　本仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)利用MATLAB軟件編寫(xiě)系統(tǒng)電路仿真程序，從而保證了仿真軟件的科學(xué)性;利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)界面，能夠完成仿真數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析和存儲(chǔ)，界面功能完整，外觀(guān)簡(jiǎn)潔美觀(guān)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合了MATLAB和LabVIEW編程軟件的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到課程教學(xué)目的。該仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件在山東科技大學(xué)2017級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中得到應(yīng)用，取得良好的教學(xué)效果。學(xué)生使用仿真軟件可以學(xué)習(xí)設(shè)置電路控制參數(shù)，觀(guān)察電路中主要電量的波形、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完成數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)課后自主學(xué)習(xí)，加深對(duì)電路工作原理的理解。

　　5　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于學(xué)生自主完成課程教學(xué)大綱要求的電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)，克服了原有硬件實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和實(shí)驗(yàn)時(shí)間固定的缺點(diǎn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生能夠直觀(guān)認(rèn)識(shí)電路的工作過(guò)程，快速理解和掌握電路工作原理，取得了較好的教學(xué)應(yīng)用效果。今后的工作中，還需要進(jìn)一步豐富和提高該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

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　　作者：鐘寧帆 曹峻虎 王玉良