LabVIEW FPGA實時仿真在現代電力電子技術實驗教學中的應用

茅靖峰， 申海群， 顧菊平， 華 亮， 李學祥

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

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LabVIEW FPGA實時仿真在現代電力電子技術實驗教學中的應用

茅靖峰， 申海群， 顧菊平， 華 亮， 李學祥

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

為了提高“現代電力電子技術”課程的教學效果，將LabVIEW FPGA實時仿真技術應用于課程的綜合性和研究性實驗教學。通過設計基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流電機H橋PWM調速開/閉環控制教學案例，進一步增進學生對電力電子典型拓撲電路及其閉環控制系統的理解，強化學生對現代電力電子系統的多學科點交叉應用、整機綜合分析、參數設計和測試技能的學習。教學實踐表明，采用上述實時仿真教學，有助于學生對現代電力電子技術系統級的把握和工程實踐能力培養，教學效果良好。

現代電力電子技術； 實時仿真技術； LabVIEW FPGA； PWM控制

0 引 言

現代電力電子技術是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的，是電氣工程與自動化專業不可缺少的一門核心專業課，在培養該專業人才中占有重要地位[1-3]。

現代電力電子技術課程的教學不僅要求學生掌握電力電子拓撲電路的基本原理和計算方法，更重要的是培養學生對基于工程應用的電力電子電路及其控制系統的綜合分析、設計和創新能力，因此綜合性的實驗教學是整個現代電力電子技術教學過程中的一個十分重要的環節。

傳統的電力電子技術課程教學，受限于硬件實驗裝置的功能復雜程度和成本，多側重于電力電子器件級的理論分析與特征驗證，更強調基于電力電子器件的電路拓撲解算，使得學生們將電力電子技術過多地關注在電力電子器件上，弱化了學生們從裝置級和系統級的角度對電力電子電路進行理解和認知，割裂了電力電子功率電路與基于反饋原理的數模電控制電路、自動控制原理、工程實際應用電路之間的關系[4]。

虛擬仿真技術恰好是彌補硬件實驗條件不足的一種最有效工具，它能夠模擬各種被控制對象和控制原型，以滿足相關應用領域的開發設計和測試需求[5-7]。本文將LabVIEW FPGA實時仿真技術應用到“現代電力電子技術”的綜合性和研究性教學實踐中，取得了良好的教學效果。

1 LabVIEW FPGA的功能與特點

LabVIEW是圖形化數據流的編程環境，能快速創建算法并解決各類工程問題。LabVIEW FPGA模塊賦予NI可重配置I/O硬件終端的FPGA芯片以圖形化開發功能。借助FPGA模塊，用戶可在Windows主機上利用LabVIEW平臺開發FPGA VI程序，而不需任何有關底層硬件描述語言(HDLs)的知識。同時，NI公司以PXIe硬件系統為基礎的LabVIEW FPGA模塊可達到嚴格實時性的要求，LabVIEW執行硬件中的代碼，準確并實時處理和生成同步模擬信號或數字信號。用戶可創建可直接訪問I/O且具有用戶定義的LabVIEW邏輯的嵌入式FPGA VI程序，從而實現數字協議通信、快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)以及硬件在環仿真HILS(Hardware in the Loop Simulation)等應用的硬件自定義[8-9]。

LabVIEW FPGA實時仿真系統為快速控制原型與硬件在回路仿真兩方面應用提供了一體化解決途徑。目前，LabVIEW FPGA在航空、航天、汽車、發動機、電力機車、機器人、新能源、驅動及工業控制等領域開始得到廣泛應用[10-13]。

2 實時仿真技術應用實例

2.1 實驗內容與目的

利用LabVIEW FPGA系統完成基于H橋驅動主電路的直流電機PWM調速開/閉環控制的快速原型設計仿真。該實驗案例需要學生掌握電力電子H橋電路的拓撲結構、MOSFET開關管的驅動電路、直流電機的PWM控制原理以及H橋電路的恒壓輸出PID閉

環控制系統。

通過實驗可以鞏固與深化H橋電路PWM控制的原理、形象地了解電力電子PID閉環控制系統的作用，掌握LabVIEW FPGA的實際應用技能，鍛煉學生在電力電子系統應用設計過程中綜合運用多學科知識的能力，培養學生發現問題、分析和解決問題的科研能力和工程素養。

2.2 實驗硬件配置

本實驗的硬件平臺為NI R系列多功能RIO設備，基于可重配置的FPGA芯片以及芯片外圍用于模擬和數字輸入輸出的固定I/O資源。設備與外部連接使用的是NI SHC68-68-EPM性能增強型屏蔽電纜和NI SCB-68A屏蔽式I/O接線盒。軟件部分主要使用LabVIEW 2014和FPGA設計模塊。被控對象包括12 V/1.68 A的直流電機，以及基于MOSFET開關管的雙H橋電路和通用霍爾電壓電流調理檢測電路，電路板實物如圖1所示。

(a) 雙H橋電路

(b) 霍爾檢測電路

本實驗采用NI PXIe-1062Q機箱，它具有4個PXI外圍插槽、1個具有系統定時功能的PXI Express插槽、2個既可接受PXI外圍模塊又可接受PXI Express外圍模塊的PXI Express混合插槽。其中需要使用到NI PXI-7854R板卡提供可編程FPGA芯片。NI SHC68-68-RDIO電纜，NI SCB-68A 屏蔽式68針接線盒用于將I/O信號連接至配有68針連接端口的插入式DAQ設備。連接屏蔽式電纜時，SCB-68A可提供堅固且噪音極低的信號終端。實物為圖2所示。

圖2 PXIe機箱及FPGA板卡

2.3 實驗步驟

基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流電機H橋PWM調速開/閉控制系統的實驗設計過程，主要包括以下步驟：

(1) 了解LabVIEW FPGA工作原理，熟悉PXI平臺中相關板卡的各引腳功能以及使用方法；

(2) 查閱NI公司的產品說明書和用戶手冊，并進行I/O口的硬件例程測試；

(3) 利用FPGA設計模塊編寫占空比可調節單路和多路實時PWM發生器VI程序，并將程序編譯到FPGA中進行PWM輸出引腳測試；

(4) 編寫FPGA 的轉速采集和PID算法VI程序，將PID模塊與實時PWM發生器模塊連接，進行閉環回路的功能測試和參數優選；

(5) 進行LabVIEW主VI和控制界面的編寫，并進行整個開/閉環控制程序的調試，以及外部硬件及I/O接口的連接；

(6) 通過LabVIEW主控制界面，實現對直流電機轉速的開/閉環控制，通過對參數設置值修改與轉速波形的結果分析，得出實驗結論。

2.4 快速原型建模

2.4.1 實時PWM發生器建模

利用LabVIEW FPGA來實現脈沖寬度調制(PWM)信號的輸出，其數據控件的設計步驟為“Functions→FPGA I/O→I/O Method”，可以設置PWM發生器信號的周期和脈沖寬度，這兩個參數都通過指定FPGA的時鐘周期(節拍)“Functions→Timing→Loop Timer”來實現，當然也可以選擇微秒或者毫秒模式的循環定時器和等待時間參數。

一個H橋電路需要有4路PWM控制輸入，因此，可以復制4條I/O Method單路程序予以實現，但這種方法復制了大量的代碼，占用了FPGA的很多空間使得效率很低。為此，可以設計一個基于多線邏輯的實施方案，使用一個循環更新4個PWM信號，4條線路都包含在一個數字端口中，而該端口作為一個整體進行更新。編程時使用板載內存來存儲PWM設置，極大地減少了該程序所需的FPGA空間量，特別是對額外的輸出通道使用多個端口時。圖3為PWM多路輸出程序[15]。

2.4.2 實時轉速采集建模

當磁通恒定的時候，直流電機的轉速與電壓近似成正比，因此，可通過7854R板卡的模擬輸入端口來采集電壓數據，以獲得實時的轉速信號反饋量。7854R板卡的輸入端口有三種輸入模式，可通過軟件選擇，分別為差分(DIFF)、參考單端(RSE)和非參考單端(NRSE)三種模式[11]。

配置輸入通道和進行信號連接時，必須首先確定信號源是浮動的還是接地的。需要注意的是浮接信號源在進行差分輸入時要分別在接線端并聯一個偏置電阻到板卡共地端。如未使用電阻，且信號源為浮接信號源，信號源可能不在儀器放大器的共模信號范圍內，從而導致錯誤讀數。參考單端模式，輸入信號連接至儀器放大器的正極輸入，儀器放大器的負極輸入接地。使用此模式的條件為輸入信號為大于1 V的較高電平，連接信號的導線長度小于3 m并且輸入信號可共享一個公共的參考點。非參考單端模式與參考單端模式的不同是信號的接地端應連接至AISENSE。在單端輸入模式下，信號連接的靜電噪聲和電磁噪聲多于DIFF輸入模式。

圖3 實時PWM多路發生器輸出

為了保證信號的完整度，本實驗使用差分輸入模式，因為是浮接信號源，所以并聯了一個10 kΩ的電阻。此板卡測量的電壓輸入范圍為±10 V。

2.4.3 實時PID控制建模

實驗中使用的PID控制器是在FPGA終端上實現的“Functions→FPGA Math→Control→PID”，PID比例、積分和微分增益表示為字節長度為16，整數字節長度為8的有符號定點數。分別給定比例增益(Kc)、積分時間(Ti,min)和衍生時間(Td,min)，可以根據下式歸一化上述增益：

式中:Ts為PID循環運行時的采樣時間。數字PID控制器的輸出為:

式中:

用戶可對FPGA進行重新配置，以滿足測量和控制系統的要求。可將用戶定義的動作通過FPGA VI實現，以創建一個應用程序特定的I/O設備。

2.4.4 系統總體模型整合

實時仿真系統總體模型軟件部分包括：主機界面、上位機LabVIEW主VI程序、FPGA板卡VI程序(包括數據采集、PID控制和實時PWM發生)。FPGA VI程序實時采集電壓(轉速)信號，將其與用戶給定轉速值進行比較，形成反饋偏差數據，再輸入PID算法計算，最終產生PWM控制信號。上位機LabVIEW主VI程序是對FPGA采集的數據進行處理和圖形化這些數據；主機界面是為了方便調節、設置電機控制模式和控制參數。圖4為直流電機PWM調速開/閉環控制系統的軟件結構圖。

圖4 系統軟件結構圖

建立新的工程的同時，將需要用到的端口添加到工程中，并新建FPGA目標后，在該工程目錄下進行FPGA程序的編寫。新建FPGA目標順序為“My Computer→New→Targets and Devices→FPGA Target”中選擇所需要的目標。

從圖5的FPGA VI圖形化程序中，可以直觀的看出程序的執行步驟，LabVIEW順序執行結構的優點就體現出來了，所有時鐘都是FPGA的自帶時鐘，FPGA的突出優點就在于可以保持精確的時序，其中PID的執行周期為微秒級別，PWM的執行周期為毫秒級別。

為了存儲采樣數據，需要使用FIFO寄存器“FPGA Target→New→FIFO”，一次存儲20個數據。本實驗采用DMA FIFO方式來傳遞數據，使用DMA方式可以使傳輸數據的雙方都不需要CPU參與進來，內存中的數據可以直接通過DMA控制器傳輸到另一方的內存中，這樣大大提升了傳輸效率。

3 實驗結果與分析

先將FPGA 板卡的VI程序進行編譯寫入硬件，然后運行程序，代表轉速的電壓信號通過接線盒采集到7854R板卡的FIFO寄存器中，經過處理后，再與上位機LabVIEW主VI程序進行數據傳遞，最后，上位機主程序將數據通過圖形化的方式在主界面顯示出來。系統運行主界面如圖6所示。

圖5 FPGA VI程序

圖6 LabVIEW開/閉環控制界面

圖6中，采集電壓的范圍根據實際的反饋值設置為0～10 V，代表轉速0～1 500 r/min。轉速反饋值是通過FPGA采集20次電壓的平均值轉換過來的，這樣能使反饋值更加準確又不影響速度控制精度。PWM占空比從0%～100%變化，表示開環狀態下，H橋電路輸出平均電壓由零到額定工作電壓。實驗中PWM信號的頻率設置為100 Hz，采樣頻率為2 kHz。

3.1 開環PWM調速實驗

將主機界面的開/閉環控制模式開關撥到開環位置。此時，PID閉環控制回路斷開，需要手動調節PWM占空比進行直流電機調速。

先將占空比設置為100%，然后啟動程序，直流電機轉速快速達到1 480 r/min且穩定運行。再將占空比從100%順序階躍調整到70%和35%，直流電機轉速則與PWM占空比成比例地下降到1 036 r/min和518 r/min，達到新的穩定運行轉速。獲得的轉速與占空比波形如圖7所示。

圖7驗證了H橋電路的直流電機PWM線性調速能力，以及FPGA快速原型程序的正確性。

直流電機在占空比70%條件下穩定運行時，H橋工作電壓突降25%，電機的轉速變化波形如圖8所示。

(a) 開環轉速波形

(b) 開環占空比設置

圖8 轉速開環帶擾動實驗波形

該圖表明，開環PWM調速控制模式下，外部擾

動，如H橋電路電壓變化，會導致直流電機轉速變化。該模式下，PWM占空比不能跟隨外部擾動而變化，使得轉速運行不恒定，即不具備抵御外部擾動的能力。

3.2 閉環PWM調速實驗

將主機界面的開/閉環控制模式開關撥到閉環位置。此時，PID閉環控制回路接入，PWM的占空比為PID算法的輸出量，轉速給定手動設置。

隨機設置轉速給定，直流電機的實際轉速可以實現快速跟蹤，如圖9所示。

(a) 閉環轉速跟蹤波形

(b) 閉環PWM占空比PID調節波形

當直流電機分別穩定運行在1 200 r/min和400 r/min的轉速狀態下，突然加入H橋工作電源的動態擾動，如圖10所示，電機轉速出現波動后，很快可以恢復到原設定值。

(a) 高速擾動

(b) 低速擾動

該實驗表明，在閉環PWM調速控制模式下，由于PID的調節作用，PWM占空比可以跟隨外部擾動而變化，使得轉速運行恒定，即具有抵御外部擾動的能力。

通過上述設計的實驗過程，學生可以觸摸到實物，看到實際波形，真切地感受到系統調整參數引起的波形變化情況。再通過多種類波形圖的分析，可進一步加深對電力電子H橋電路PWM控制的工作原理、開環/閉環控制的結構與方式，及其對直流電機恒轉速控制的影響等內容的理解。達到了實驗教學的目的。

顯然，相比于傳統的計算機軟件數值仿真實驗方式，基于真實被控對象的LabVIEW FPGA快速控制原型實時仿真實驗方式，學生在工程動手能力上獲得了鍛煉，學習的趣味性也獲得了提高，對于知識點概念理解更直觀，對實驗過程和結論分析的印象更深刻，更利于對復雜系統知識的掌握，可獲得更好的教學效果。

4 結 語

LabVIEW FPGA實時仿真技術作為現代電力電子技術課程綜合性和研究性實驗教學中的有效手段，可以解決復雜實驗硬件設計制作周期長成本高、抽象的控制理論與概念不易形象化理解等難點，有利于將學生的學習關注點從“電力電子電路本體”驗證性實驗的傳統思維過渡到對“電力電子電路及其控制系統”的綜合分析、整體設計和測試的多學科工程應用能力培養上。這種新興技術和新型實驗教學方法，對提高現代電力電子技術實驗教學質量，改善實驗教學效果起到了良好的作用。

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Real-time Simulation of Modern Power Electronics Experiment Teaching by Using LabVIEW FPGA

MAOJing-feng,SHENHai-qun,GUJu-ping,HUALiang,LIXue-xiang

(School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China)

In order to improve teaching quality of modern power electronics course, LabVIEW FPGA real-time simulation technique is applied to deign comprehensive and research experiments for the course. In this paper, an application experiment named as DC motor H-bridge PWM open/closed loop control system based on LabVIEW FPGA is design by using the rapid control prototyping method. The experiment is beneficial to students, it not only comprehends the complex working principles of traditional power electronics circuits as well as its closed loop control system, but also enhances the practical capabilities of multi-discipline cross application, general system analysis, parameter calculation, and test skills. Teaching practices prove that, the LabVIEW FPGA real-time simulation technique is a powerful tool in modern power electronics experiment teaching. The teaching quality is good, and it helps greatly for students to engineering practice ability cultivation.

modern power electronics; real-time simulation technique; LabVIEW FPGA; PWM control

2015-11-23

江蘇省高校品牌專業建設工程一期項目；江蘇省高等教育教改研究項目(2015jsjg234)；江蘇省研究生教育教學改革研究室與實踐課題(2012-96)；江蘇省高等學校大學生創新訓練計劃項目(201510304083X)

茅靖峰(1976-)，男，浙江寧波人，博士，副教授，研究方向為風力發電技術、電機及其控制。

Tel：15962979189；E-mail：mao.jf@ntu.edu.cn

G 642；TM 92

A

1006-7167(2016)09-0108-06