電力電子教學虛擬仿真實驗平臺的搭建與研究

馬勇++查國翔+王聰

摘 要： 針對電力電子課程課時短、概念多、知識面廣、實踐性強等特點，該文討論了基于Matlab GUI與Simulink結合的電力電子虛擬仿真實驗平臺的構建。以直流?直流變流技術主界面為例，敘述了主界面的內容，原理分析界面的內容和功能，運行界面的基本特征，以及閉環仿真實例分析。電力電子教學可視化平臺界面友好、操作簡單，其應用有助于加深學生對基本理論、基本概念的理解，提高實驗教學質量，推進實驗教學改革。

關鍵詞： 電力電子技術； MatlabGUI； 虛擬仿真平臺； 教學可視化平臺

中圖分類號： TN99?34； TM743 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0063?03

Abstract： In view of the advantages of short class time， more concepts， wide knowledge scope and strong practice of the power electronic curriculum， the construction of power electronic virtual simulation platform based on Matlab GUI （graphical user interface） and Simulink is discussed. Taking the main interface of DC?DC converting technique as an example， contents of main interface， contents and functions of principle analysis interface， basic characteristics of running interface and closed?loop simulation instance are described. The interface of visualization platform for power electronic teaching is friendly and easy to operate. It is helpful to deepen students' understanding of basic concepts， improve the quality of experimental teaching. Its application can deepen students′ comprehension to the basic theory and concept of their courses， improve the experimental teaching quality， and promote the experimental teaching reform.

Keywords： power electronic technology； Matlab GUI； virtual simulation platform

電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術[1]。它是以高等數學、電路原理及模擬電子技術等課程為基礎，同時也是自動控制原理，電機與拖動等專業課程的基礎課，具有很強的實用性和綜合性，是電氣工程領域理論和實踐相結合的專業核心課程之一，因此電力電子技術教學質量的好壞，將直接影響后續課程的學習[2?4]。電力電子課程概念多、知識面廣、實踐性強，這給老師講課和學生理解帶來很大的困惑，所以借助實驗來加深學生對基本概念、基本理論和基本方法的理解很有必要。而傳統電力電子實驗教學受場地、器材、時間等諸多因素的影響，難以讓學生達到基本的實驗目標。虛擬仿真實驗平臺投入小，不受時間、地點的限制，具有一定的開放性，方便學生創新等優點。所以借助虛擬仿真平臺來輔助課堂及實驗教學會起到巨大的幫助作用[5?7]。本文借助Matlab/Simulink仿真環境，以及GUI（Graphical User Interface）設計友好的人機界面，通過GUI輸入框中數值的不同，改變電路參數，即可在界面觀察對應的波形變化。同時在界面中添加不同的入口畫面，可以觀察仿真原理圖，以及該電路的原理分析。同時，在虛擬仿真平臺中加入電路的閉環實例分析，加深學生對該電路的理解，提高學生的積極性和學習效率[8?9]。

1 電力電子虛擬仿真平臺的建立

1.1 電力電子虛擬仿真平臺結構

在設計GUI界面之前，首先需要確定虛擬仿真平臺的結構。由于設計該平臺的主要目的是為電力電子課程提供一個教學和實驗的仿真平臺，對電力電子課程中的一些常用電路進行動態仿真，幫助學生深刻理解電力電子課程中電路拓撲和電路實例。根據這些基本要求，并結合電力電子課程的特點，確定了虛擬仿真平臺的結構框圖，如圖1所示。該平臺包含了電力電子技術中常用電路，如整流電路、逆變電路、直流?直流變流技術、交流?交流變流技術及PWM控制技術5個基本模塊。課程的其他內容可在虛擬仿真平臺的基礎上擴展，因此，該平臺具有很強的通用性。

為了使每個模塊設計更加簡單，虛擬仿真平臺采用了分層設計方法，將該平臺分為若干個模塊，每個模塊包括一些子模塊。圖2給出了直流?直流變流技術模塊的組成框圖，它包括原理分析、運行界面和實例分析三個子模塊，其他模塊的設計思想同該模塊基本相同。

1.2 Matlab圖形用戶界面設計

Matlab為用戶提供了強大的集成圖形用戶界面開發環境（GUIDE），用戶可以方便地設計圖形用戶界面，開發自己的用戶程序[10]。圖形用戶界面（GUI）是由窗口、菜單、文字說明、標簽等控件構成。用戶通過提供的控件，如按鈕、滑塊、列表框等可以設計出易于理解的人機界面。一個圖形用戶界面必須包括控件（Component）、圖形窗口（Graphics）和回調函數（Callback）三個部分，利用GUIDE創建GUI是常用方法之一。使用GUIDE創建GUI的基本步驟如下：

（1） 選擇控件類型。根據預期的界面設計，選擇控件類型。電力電子教學虛擬仿真平臺中使用的控件主要包括按鈕、輸入框、標簽、坐標軸及面板等。

（2） 設置控件屬性。控件的基本屬性包括字符（String）、標簽（Tag）、字體大小（FontSize）、前景色（ForegroundColor）等。通過設置控件屬性，實現預期的功能指標。

（3） 編寫回調函數。確定整個界面布局之后，需要編寫控件的回調函數。鼠標右鍵單擊控件，選擇“查看回調”→“callback”，編寫回調函數。

在界面設計中用到的主要函數如下：

get_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′）；

%獲取電路輸入電壓幅值

set_param（′boostdianlu/Vin′，′Amplitude′，a）；

%設置輸入電壓幅值

options = simset（′SrcWorkspace′，′current′）；

%指定模型從當前空間運行，獲取編輯框中輸入電壓幅值參數

sim（′boostdianlu′，[]，options）；

%使用sim（）函數使仿真模型從當前GUI函數空間進行仿真

plot（tout，yout）； %將輸出波形繪制到當前坐標軸對象上

1.3 Simulink仿真模型

Simulink是Matlab的一個功能組件，為用戶提供建模和仿真的工作平臺。Simulink的SimPowerStems仿真工具箱提供電機與拖動、電力系統與自動化以及電力電子等仿真模塊，幾乎涵蓋所有電力電子電路的仿真模塊。按照電力電子電路的基本原理，利用工具箱提供的模塊可以進行仿真電路的搭建[11]。以“升壓斬波閉環仿真電路”為例，說明建立仿真模型的基本步驟：

（1） 調用功能模塊。根據升壓斬波電路原理圖，確定所需功能模塊，找到它們所在模塊庫。

（2） 創建并保存模型。建好模型后，使用Save命令保存，以便下次使用時直接調用。

（3） 連接模塊并設置參數。將各個功能模塊按照布局進行連接，并設置每個模塊的參數。

（4） 運行仿真并顯示結果。

2 電力電子仿真平臺實例

根據圖1所示的虛擬仿真平臺結構框圖和圖2所示的直流?直流變流技術模塊結構框圖，采用GUIDE設計各基本模塊和子模塊的圖形用戶界面，編寫各控件對應的回調函數，響應用戶操作。該GUI界面由主界面、原理分析界面、運行界面以及仿真模型四個部分組成。

2.1 直流?直流變流技術主界面

主界面是訪問該節的第一個用戶界面，如圖3所示。直流?直流變流技術主界面由標題和功能選擇按鈕組成。在主界面中列出了包括降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路等常用的六大類基本斬波電路。每一類電路中有三個按鈕，對應三個入口，分別是“原理分析”、“運行界面”以及“實例分析”。用戶點擊其中任意一個按鈕，即可進入對應的功能界面。

2.2 升壓斬波電路原理分析界面

以升壓斬波電路為例，當點擊“原理分析”按鈕后，通過按鈕對應的回調函數，就可跳轉到升壓斬波電路的原理分析界面，如圖4所示。原理分析界面由三部分構成，分別是電路原理圖、原理分析文字說明以及主界面按鈕。學生通過原理分析界面鞏固所學內容，進一步加深對升壓斬波電路基本原理的理解，提高理論知識的學習效果。當點擊“主界面”按鈕時即可返回圖3所示的直流?直流變流技術的主界面。

2.3 升壓斬波電路運行界面

當點擊升壓斬波電路“運行界面”按鈕后，跳轉到對應的運行界面，如圖5所示。運行界面由參數設置欄，波形欄以及菜單欄三部分組成。在參數欄設置需要改變的參數，分別為電壓E、電容R、電感L、電阻R。在輸入框中輸入對應的數值可改變仿真電路的參數[12]。波形欄共有三個坐標軸，分別顯示輸出電壓，電感電壓以及開關信號波形。菜單欄包括仿真按鈕和主界面按鈕兩部分。點擊“仿真”按鈕進行電路仿真，點擊“主界面”按鈕返回圖3對應的直流?直流變流技術的主界面。

通過輸入框改變仿真電路參數，不用在仿真模型中雙擊元件改變，提高了仿真效率，同時該界面可直觀地觀察電路參數的改變而引起的波形的變化。

2.4 實例分析電路

當點擊“實例分析”按鈕后，打開以升壓斬波電路為基礎的閉環仿真電路圖。“運行界面”只是針對課本中開環升壓斬波電路進行操作，而在實際工程中，幾乎所有的電路均使用閉環模型，由于閉環仿真電路在課堂中不作講述重點，學生對閉環設計無從下手，不能將所學知識應用于實際工程。因此，在虛擬仿真平臺添加“實例分析”入口，有助于學生從工程的角度理解閉環仿真電路的設計方法，以及閉環參數改變對電路的影響。

3 結 語

在電力電子教學過程中，針對課程課時短、概念多、知識面廣、實踐性強等特點，電力電子教學虛擬仿真平臺可以達到輔助教學的目的。通過Matlab GUI，設計友好的人機交互界面，搭建電力電子技術虛擬仿真平臺。對于一個基本電路，其“原理分析”界面鞏固所學理論知識、“運行界面”分析參數改變引起的波形變化、“實例分析”界面理解閉環電路設計思想。學生不僅學習基本電路拓撲，鞏固課堂所學知識，而且真正學會該電路在工程實際中的使用方法。

參考文獻

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 劉桂英，粟時平.“電力電子技術”的Matlab/Simulink教學仿真實踐[J].電氣電子教學學報，2011（1）：87?89.

[3] 王春鳳，李旭春，薛文軒，等.電力電子技術實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（9）：127?129.

[4] 夏小虎，張春鵬，馮敏亮.“電力電子技術”課程可視化實踐教學改革與探索[J].中國電力教育，2011（12）：146?147.

[5] 楊蕊，王曉燕，楊婷.基于Multisim虛擬仿真技術的電工電子實驗室建設[J].實驗技術與管理，2015（10）：129?131.

[6] 朱高中.基于Multisim仿真軟件在高頻實驗教學中的應用研究[J].實驗技術與管理，2012（11）：106?108.

[7] 尚麗，淮文軍.基于Matlab/Simulink和GUI的運動控制系統虛擬實驗平臺設計[J].實驗室研究與探索，2010（6）：66?71.

[8] 杜世民，楊潤萍.基于Matlab GUI的“信號與系統”教學仿真平臺開發[J].實驗技術與管理，2012（3）：87?90.

[9] 牛天林，樊波，張強，等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術教學中應用[J].實驗室研究與探索，2015（2）：84?87.

[10] 王巧花，葉平，黃民.基于Matlab的圖形用戶界面（GUI）設計[J].煤礦機械，2005（3）：60?62.

[11] 張敬南，張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2013（12）：101?104.

[12] 謝暉.Matlab GUI與Simulink之間參數互調方法探討[J].貴州師范學院學報，2013（6）：21?24.