PSIM數字控制平臺在電力電子類課程實驗教學中的應用

代云中

摘? 要：在“電力電子技術”和“新能源轉換與控制技術”等電氣工程學科的課程中，文章設計了數字平均電流控制BUCK電路的實驗教學方案，提出在該類課程的實驗教學中引入PSIM數字控制平臺。該實驗教學方案不僅能夠使學生在實驗過程中方便地獲得電力電子系統的數字控制程序及其實驗結果，還能夠增強學生的動手能力，提高學生的工程實踐與創新能力。

關鍵詞：電力電子;數字控制;實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0082-03

Abstract： For the courses of "power electronics technology" and "new energy conversion and control technology"， this paper designs an experimental teaching scheme based on digital average current control BUCK converter， and PSIM digital control platform is introduced. This reform can make students to easily get the digital control program and experimental results of power electronic system， which also can cultivate manipulative ability， and improve students' engineering practice and innovative abilities.

Keywords： power electronics; digital control; experimental teaching

一、概述

在“電力電子技術”和“新能源轉換與控制技術”等電氣工程學科的課程中都涉及到電力電子中的各種電力變換器技術[1]。該類課程在現代科學技術發展中具有重要作用，從普通工業、新能源轉換與控制、交通運輸、電力系統到一般家用電器都有廣泛應用[2]。因此若學生能結合現實工程需要深入掌握該技術，將具有廣闊的就業空間[3]。電力電子類課程的主要授課內容為AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大變換電路的原理和相應控制技術等，主要特點是應用性、實踐性和創新性[4]。隨著電力電子行業的數字化和智能化的提高，要求電力專業學生具有較強工程實踐和創新能力。為了使學生適應現代電力變換技術、能源轉換與控制技術進步的現實需要，要提高該類課程的學習效果，實驗課程教學是必須的。然而現有多數高校本科電力電子類課程實驗大多是模擬仿真平臺，或MATLAB、PSPICE、Saber等現代仿真工具來實現。這些輔助軟件本質上還是仿真，僅能簡單驗證理論的正確性，與真實的硬件實驗、產品開發有較大不同，這就造成了學生學習完電力電子類課程后還是難以進行數字控制電力電子系統的硬件產品開發。針對該現實問題，固緯公司開發了基于PSIM及其數字控制平臺，該平臺不僅可進行電路設計、電力仿真還可以生成數字控制程序，然后結合該平臺提供的電力電子硬件系統進行程序燒寫和實驗調試。因此，PSIM數字控制平臺應用于該課程實踐教學中就顯得特別必要了。

二、認識PSIM及其數字控制平臺

PSIM及其數字控制平臺工作原理及其照片如圖1所示，該平臺目的在提供為學習數字控制電力電子的學生提供學習平臺，讓學生通過PSIM軟件，除了學習電力電子變換器的原理、分析和設計，也可以通過PSIM的SimCoder工具將所設計的控制電路轉換為數字控制程序，并可以用實際的DSP程序取代控制電路再做一次仿真。最后可將仿真驗證正確的DSP程序燒錄到DSP芯片中，再由DSP作為控制器控制變換器，以驗證所設計電路及控制器的正確性。

圖1 PSIM及其數字控制平臺

三、數字平均電流控制BUCK電路實驗教學設計

為了使學生能夠快速理解掌握PSIM及其數字控制平臺在電力電子變換器中的應用，本實驗選擇基本變換電路-直流降壓變換器（BUCK）。數字平均電流控制BUCK電路實驗案例設計分為五步。

第一步采用PSIM軟件搭平均電流控制BUCK模擬連續時域系統進行仿真調試，這一步和傳統基于PSIM的電路仿真相同。在本實驗教學設計中系統參數為直流輸入電壓udc=12V，開關頻率fs=20kHz，濾波電感L=0.6mH，濾波電容C=200uF，負載電阻R=2.5Ω，參考電流為Iref=2A，控制器采用平均電流控制。仿真結果如圖2所示，從圖2可以看出，電感電流iL約為2A，紋波電流約為0.2A，輸出電壓Vo約為5V。因此，PSIM模擬仿真結果驗證了BUCK電路及其平均電流控制設計的正確性。

第二步將第一步的連續BUCK系統仿真改為離散仿真調試。具體實施方法如圖2所示，在負載電流采樣和控制器輸出處增加零階采樣保持器，采樣頻率設為20kHz，且將連續PI控制器改為離散數字PI控制器。

第三步將第二步的離散系統電路仿真改為與硬件相匹配的數字離散控制仿真系統。具體實施如圖2所示，將數字仿真中的比較器和載波信號替換為SimCoder庫中的1-ph PWM模塊，1-ph PWM的輸入為平均電流控制器的輸出，1-ph PWM的輸出作為BUCK開關管硬件驅動電路的輸入。此外，1-ph PWM模塊開關頻率設置為20kHz;由于實際控制芯片采用的是數字控制，需要將模擬信號轉換為數字信號，因此需要在負載電流檢測處增加Digital I/O中的模擬數字轉換模塊，其模擬仿真電路波形如圖3所示。

第四步，當完成上述數字離散平均電流控制BUCK系統調試后就可以用PSIM SimCoder將數字控制電路部分生成DSP程序代碼。

第五步利用軟件平臺自帶的TI Code Composer將第四步產生的DSP程序刻錄至DSP芯片進行實驗調試。實驗波形如圖4所示，從圖中可以看出V0約5V，iL約為2A，驗證了PSIM數字控制平臺產生的DSP程序的正確性。若要觀察其它控制參數或控制方法對系統性能的影響，可改變控制參數或控制方法重復第一步到第五步，通過仿真和實驗結果進行觀察分析。

四、結束語

綜上所述，PSIM及其數字控制平臺為“電力電子技術”和“電力電子建模與仿真”課程提供了新的數字控制實驗開發平臺。本文基于PSIM及其數字控制平臺設計了一個數字平均電流控制BUCK變換器實驗教學，以此說明利用該平臺進行教學的可行性和必要性。并可以根據課程學習內容，讓學生自主進行參數和控制方法調整，觀察不同控制參數或不同控制方法對電力電子電路的影響。以期加強學生對電力電子類課程核心知識的掌握，提高學生設計電力電子變換器的工程實踐和創新能力。通過PSIM及其數字控制平臺實施創新模式的教學方法，可顯著提升學生實踐動手能力，更適應社會發展對電氣人才的需求。

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]孫成正.基于PSIM三相橋式全控整流電路的仿真研究[J].安陽工學院學報，2014（2）：40-42.

[3]成新民，李祖欣.基于Multisim的電力電子電路仿真技術[J].現代電子技術，2004（21）：12-14.

[4]汪先兵，王祥傲.應用型本科院校電力電子技術實驗教學模式的探索[J].滁州學院學報，2017，19（5）：128-126.