張波濤，王 琦，劉 追，徐 蔚

(武漢科技大學(xué)a,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b.信息科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢，430081)

一種新型Buck電路調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張波濤a，王 琦b，劉 追b，徐 蔚a

(武漢科技大學(xué)a,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，b.信息科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢，430081)

Buck電路常見(jiàn)于DC-DC系統(tǒng)中。針對(duì)不同需求的DC-DC系統(tǒng)，必須對(duì)Buck電路進(jìn)行不同的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以確保其工作性能符合要求。針對(duì)常用物理測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)靈活性欠佳的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了Buck電路半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在軟件中建立Buck電路測(cè)試系統(tǒng)仿真模型，對(duì)IGBT#的控制單元利用TMS320F28335實(shí)現(xiàn)PWM控制，通過(guò)eMEGAsim實(shí)時(shí)仿真器，將控制單元信號(hào)輸入到測(cè)試系統(tǒng)軟件模型中，形成控制回路。通過(guò)測(cè)量可知，軟件系統(tǒng)控制信號(hào)能夠與控制單元實(shí)際輸出控制信號(hào)保持一致，有效控制Buck電路輸出電壓值。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中軟件和硬件均能夠進(jìn)行靈活修改，可用于對(duì)Buck電路控制單元的性能調(diào)控與測(cè)試中。

Buck電路； 脈沖寬度調(diào)制； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 半實(shí)物仿真

0 引 言

Buck電路是DC-DC電源中的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)從直流到直流的降壓變換，被廣泛地運(yùn)用在各類直流供電系統(tǒng)中。對(duì)于Buck電路控制性能的研究，一直是電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，基于Buck電路新控制方法的設(shè)計(jì)研究很多，均需要對(duì)其控制性能進(jìn)行分析、調(diào)試或?qū)崿F(xiàn)，主要采用到的性能評(píng)估方法有仿真分析、板極測(cè)試分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等。其中文獻(xiàn)[1-2]中主要采用了軟件仿真對(duì)Buck電路的新型控制方法進(jìn)行分析研究，在軟件中建立控制算法和控制電路仿真模型，把控制仿真模塊輸出的信號(hào)連接到全控元件中控制其導(dǎo)通和開端。仿真分析便于對(duì)控制系統(tǒng)的超調(diào)量、超調(diào)時(shí)間、魯棒性等進(jìn)行觀察和分析，主要側(cè)重于控制算法性能分析。文獻(xiàn)[3-5]中對(duì)于Buck電路中的元件控制部分進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，將控制算法通過(guò)DSP、PLC等實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)電路，形成完整的控制器模塊，然后對(duì)控制器進(jìn)行板極測(cè)試，觀察測(cè)量整個(gè)控制器的控制性能。這種調(diào)試方法面向了整個(gè)Buck電路中的控制器，有利于分析控制器的實(shí)際工程特性。上述兩種研究調(diào)試手段雖然在其特征分析中各具優(yōu)勢(shì)，但是都無(wú)法完整呈現(xiàn)整個(gè)Buck電路在直流系統(tǒng)中的使用特性。文獻(xiàn)[6-9]中均搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將所研究的Buck電路應(yīng)用到物理系統(tǒng)中，得到相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。搭建物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)分析Buck電路固然有利于對(duì)其進(jìn)行分析研究，但是在以下方面存在不足： ① 過(guò)程安全性無(wú)法得到完全控制。物理實(shí)驗(yàn)中的電源需要采用直流電源或者等效電容，濾波電路必須使用電容和電感，負(fù)載至少需要大電阻。上述總成元件都需要確保其在使用過(guò)程中的安全性。② 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺乏靈活性。不同的Buck電路由于應(yīng)用環(huán)境不同，需要不同的測(cè)試條件，物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)法隨之任意改變。③ 實(shí)驗(yàn)成本較高。物理實(shí)驗(yàn)需要購(gòu)置大量實(shí)驗(yàn)材料和測(cè)試儀器，成本較高。

針對(duì)以上不同調(diào)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)Buck電路性能調(diào)試半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠綜合軟件仿真測(cè)試分析、板極測(cè)試分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析的優(yōu)點(diǎn)[10-13]，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，大大提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性。

1 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

本文中搭建半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用了eMEGAsim實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。系統(tǒng)主要有軟件和硬件兩大部分。軟件采用其配套的工業(yè)級(jí)系統(tǒng)平臺(tái)軟件包RT-LAB，利用該軟件可以在一個(gè)半實(shí)物仿真平臺(tái)上去實(shí)現(xiàn)包括工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)仿真以及快速原型與硬件在回路測(cè)試的全套解決方案。硬件為型號(hào)OP5600目標(biāo)機(jī)。OP5600配置FPGA板，可用于管理模擬和/或數(shù)字I/O，在I/O接口有6個(gè)可配置組(32個(gè)數(shù)字信號(hào)I/O線或16個(gè)模擬信號(hào)I/O線)，采樣時(shí)間為100 MHz或200 MHz。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1軟件部分設(shè)計(jì)

在Matlab/Simulink中搭建Buck電路測(cè)試系統(tǒng)的仿真模型，整個(gè)系統(tǒng)由電源(蓄電池)、IGBT以及控制單元、濾波單元和電阻負(fù)載組成。仿真模型如圖1所示。圖1中黑框中部分為Buck電路的控制單元，可以根據(jù)Buck電路的服務(wù)對(duì)象設(shè)置。其他為供電電路系統(tǒng)。仿真模型中各元器件的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

在RT-LAB中對(duì)圖2中的模型進(jìn)行分割解耦，形成SM_MAIN模塊和SC_SCOPE模塊。

在SM_MAIN模型中，設(shè)置信號(hào)接口，圖3中黑色框內(nèi)部分為控制單元，負(fù)載端電壓由電壓表模塊采集后通過(guò)增益環(huán)節(jié)將其縮小至±5V的范圍，在點(diǎn)1處，

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Simulink仿真模型

表1 仿真模型主要參數(shù)表

圖2 RT-LAB模型

連接I/O板卡控制，將端電壓信號(hào)以模擬量的形式輸送到下位機(jī)OP5600仿真器，并連接到控制單元硬件中，由控制單元硬件產(chǎn)生控制信號(hào)，再通過(guò)I/O板卡，輸送到軟件中的點(diǎn)2，并控制軟件中的IGBT模塊。

圖3 接口設(shè)置

2.2控制電路設(shè)計(jì)

Bcuk電路由控制電路和主回路兩部分構(gòu)成。主回路中的開關(guān)元器件使用IGBT，二極管使用二單元IGBT中的反并聯(lián)二極管。IGBT驅(qū)動(dòng)電路選擇PI公司的2SP0105。控制電路使用TI公司的TMS320F28335為核心，專為電力電子控制開發(fā)，此電路板可以實(shí)現(xiàn)如下功能：① 模擬信號(hào)通道。使用DSP片上AD，外部擴(kuò)展10路模擬信號(hào)接口電路，帶抗混疊濾波，量程可設(shè)定；② PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算。程序內(nèi)置5套前向差分式PI調(diào)節(jié)器，帶飽和自動(dòng)校正功能，每個(gè)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)可自設(shè)定；③ PWM脈沖輸出。12路脈沖輸出，光耦隔離輸出，每路驅(qū)動(dòng)能力2A；④ 帶Buck，Boost。單相逆變電源，三相逆變電源，PWM整流器，異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)和PMSM驅(qū)動(dòng)開發(fā)函數(shù)包；⑤ QEP接口：測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速；⑥ 帶CAN和SCI接口，實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控和參數(shù)修改。

此控制電路板已經(jīng)用于多家公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，算法可靠，接口簡(jiǎn)單。

2.3半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

圖1所示為系統(tǒng)中蓄電池、IGBT、濾波電路和負(fù)載在eMEGAsim仿真器中采用RT-LAB軟件模擬，負(fù)載端電壓信號(hào)通過(guò)eMEGAsim仿真器的I/O連接IGBT控制單元硬件控制電路(見(jiàn)圖4)，原系統(tǒng)一半使用軟件仿真一半通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)控制，形成半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

控制單元輸出波形如圖5所示，I/O板卡輸入到軟件的波形見(jiàn)圖6。

圖5 控制單元輸出波形

圖6 I/O板卡輸入到軟件的波形

圖5和圖6的波形頻率一致，從控制板發(fā)出的PWM信號(hào)波形通過(guò)eMEGAsim仿真器I/O板卡采集到仿真器軟件系統(tǒng)中，控制IGBT橋開斷，向負(fù)載輸出直流電壓。該直流電壓通過(guò)功率放大器縮小到原值1/85后，波形通過(guò)OUT1接口輸出(見(jiàn)圖7)，可見(jiàn)輸出電壓值為4 V。

圖7 Buck電路輸出電壓波形

2.4對(duì)比分析

為了更好地對(duì)所設(shè)計(jì)的Buck電路進(jìn)行控制性能調(diào)試，需要搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制程序調(diào)試。對(duì)于圖1所示系統(tǒng)，搭建的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8(a)所示，采用半實(shí)物仿真技術(shù)后，利用eMEGAsim仿真器開發(fā)的Buck電路性能調(diào)試半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8(b)所示。通過(guò)對(duì)比可知，所開發(fā)的Buck電路性能調(diào)試半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)空間，而且系統(tǒng)組成成分均工作在低電壓等級(jí)，更能確保實(shí)驗(yàn)人員的操作安全。

(a)物理試驗(yàn)系統(tǒng)(b)半實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)比圖

3 結(jié) 語(yǔ)

利用半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行Buck電路的性能調(diào)控，能夠針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象，根據(jù)需求靈活地改變軟件部分中的電源、濾波單元和負(fù)載的參數(shù)?？梢栽贐uck電路控制單元硬件中的DSP中寫入控制程序，隨時(shí)觀測(cè)不同控制程序下Buck電路的特性。但是該平臺(tái)對(duì)于軟件設(shè)計(jì)和軟硬件聯(lián)調(diào)環(huán)節(jié)有較高要求，需要實(shí)驗(yàn)人員熟悉所采用的軟硬件，并有相應(yīng)的仿真調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效輔助電力電子技術(shù)、單片機(jī)方向教學(xué)人員進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生動(dòng)手能力，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，同時(shí)有利于研發(fā)人員進(jìn)行相應(yīng)程序開發(fā)調(diào)試。

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Design and Realization of a New Experiment Platform of Buck Circuit

ZHANGBotaoa,WANGQib,LIUZhuia,XUWeia

(a.College of Computer Science and Technology; b.College of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Buck circuit is often used in DC-DC control system.The usual experiment platforms,which are made of real power source,buses and loads,are often uneasy to change the situation.The authors designed a flexible semi-physical experiment platform for testing buck circuit.Simulation models were built in its software,and the hardware of TMS320F28335 was used for PWM control process.Using eMEGAsim simulator,the signals generated in the hardware were sent into the software successfully without change.The whole system is proved to produce obtainable direct current,as well as available for buck circuit function testing experiments.

Buck circuits; pulse width modulation (PWM); experiment platform; semi-physical simulation

2016-11-22

湖北省教學(xué)研究項(xiàng)目(2014234)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目(Q20161105)

張波濤(1973-)，男，湖北天門人，博士，副教授，研究方向：電力電子先進(jìn)裝備制造。

Tel.：18086058996; E-mail: zhangbt2000@163.com

GM 64/TM 77

：A

1006-7167(2017)07-0076-04