張陽，羅超逵，程諄

（1.湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007；

2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院 軌道交通裝備智能制造學院，湖南 株洲 412001）

0 引言

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行變換控制的一種現(xiàn)代技術(shù)[1]，結(jié)合了電力、電子、材料科學、計算機、通信、控制理論等知識，能應(yīng)用于新能源發(fā)電、航空航天、電動汽車、智能機器人等當今比較熱門、前沿的科技領(lǐng)域。電力電子技術(shù)作為電氣工程及其自動化專業(yè)開設(shè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]，旨在使學生掌握電力電子器件的原理、特性，了解整流、逆變、斬波、變頻電路的工作原理以及控制方法[3]。

高校的電力電子技術(shù)教學模式通常為理論學習+課程實驗+課程設(shè)計，其中課程實驗和課程設(shè)計中某些電力電子器件、設(shè)備如果使用實物成本較高，不太現(xiàn)實。因此不可避免地需要計算機仿真來完成實驗或設(shè)計的內(nèi)容，常用MATLAB/Simulink來對電力電子系統(tǒng)進行離線仿真[4]，本文介紹的基于MATLAB/Simulink的半實物仿真平臺能夠?qū)崟r地對目標系統(tǒng)進行模擬仿真，相對于離線仿真更加精確。

1 半實物仿真技術(shù)

半實物仿真技術(shù)是一種接近實際的仿真技術(shù)，通過將實物與在計算機上建立的目標電力電子系統(tǒng)的仿真模型聯(lián)接在一起進行實驗，常用于工程的設(shè)計與驗證。電力電子的半實物仿真通?？煞譃閮刹糠郑弘娏﹄娮酉到y(tǒng)建模和實時仿真[5]。電力電子系統(tǒng)建模是根據(jù)電力電子系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)搭建離線仿真模型。其中通過建立電路結(jié)構(gòu)的仿真模型再轉(zhuǎn)化為離散狀態(tài)方程的稱為基于電路拓撲的建模；通過電力電子系統(tǒng)直接推導出系統(tǒng)數(shù)學方程再建立離散仿真模型的稱為基于數(shù)學方程的建模。

實時仿真是將離散仿真模型轉(zhuǎn)化為c代碼，并生成目標碼載入實時仿真系統(tǒng)，實時仿真系統(tǒng)可以通過I/O接口將所需的數(shù)據(jù)在實物與數(shù)學模型之間交換并通過計算機計算處理，從而完成實時性的數(shù)學計算。

2 半實物仿真平臺在電力電子中的應(yīng)用

電力電子實踐中常見的半實物仿真平臺有RT-LAB實時仿真平臺和dSPACE實時仿真平臺，它們在電力電子系統(tǒng)建模部分均可采用MATLAB/Simulink來實現(xiàn)。不同之處在于實時仿真部分，RT-LAB的仿真建模與運算能力較強，主要運用于電力系統(tǒng)中，而dSPACE更加適合系統(tǒng)測試，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)。

2.1 RT-LAB實時仿真平臺的應(yīng)用

RT-LAB實時仿真平臺，由主機和目標機組成，它能夠使用MATLAB或其他開發(fā)軟件中建立的系統(tǒng)數(shù)學模型進行實時仿真、測試和控制，常應(yīng)用于工程的設(shè)計和開發(fā)。它的主要特點是具有分布式的仿真系統(tǒng)，按照RT-LAB的模型分割方法對數(shù)學模型進行分割、編輯、編譯、c代碼生成等實時化處理，這樣在處理復(fù)雜的系統(tǒng)模型時能夠使其在一個具有多個目標機的分布式網(wǎng)絡(luò)中運行，以達到實時性的要求，該仿真系統(tǒng)不僅能提高仿真的速度還能滿足應(yīng)用的實時硬件在回路中低風險的測試。

在利用RT-LAB進行實時仿真時的主要步驟如下：首先打開模型，打開MATLAB/Simulink中已經(jīng)建立好的模型，如果需要可以用Edit功能編輯或者修改模型，通過Configuration來調(diào)整配置。接下來是編譯過程，用代碼生成工具將各個子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行文件，通常情況其編譯是自動完成的，雖然實際過程比較復(fù)雜，但只需要點擊Compile按鈕即可完成。而后是分配節(jié)點，將系統(tǒng)分割好的子系統(tǒng)的可執(zhí)行文件并分配至目標機上。最后下載可執(zhí)行文件并用Execute執(zhí)行程序即可運行程序得到仿真波形。RT-LAB實時仿真平臺的主界面圖如圖1所示。

圖1 RT-LAB主界面圖

在電力電子教學中，整流、逆變、斬波、變頻這四類電路是電力電子技術(shù)中最基本的變換電路，使用仿真平臺對這些基本電路建模仿真能夠加深學生對知識的理解，也激發(fā)了同學們學習的興趣。AC/DC整流電路通過改變電壓和頻率實現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，圖2為單相橋式全控整流電路的仿真圖，四個開關(guān)管構(gòu)成兩對橋臂，所接負載類型可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)選擇。調(diào)整電源、脈沖、負載等參數(shù)后運行在右側(cè)示波器上將顯示出電路的各元件參數(shù)的波形，可見，使用半實物仿真平臺建模仿真時電路結(jié)構(gòu)直觀清晰地展示在同學們面前，有利于同學們對知識點的理解和吸收，同時也提高了同學們的動手能力。

圖2 單相橋式全控整流電路仿真圖

DC/AC逆變電路通過改變電壓和頻率實現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，圖3為單相半橋逆變電路仿真圖，該電路有兩個橋臂，通過控制開關(guān)管VT1和VT2的導通角，使其在一個周期內(nèi)各有正偏、反偏，且二者互補，最終負載上將得到直流的電流。運用半實物仿真平臺可以隨時地修改電源、負載或者導通信號的參數(shù)，使同學們能夠通過控制變量獲得多樣的實驗電路波形，有利于進一步地理解、吸收知識點。

圖3 單相半橋逆變電路仿真圖

2.2 dSPACE實時仿真平臺的應(yīng)用

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是一款基于MATLAB的實時開發(fā)和測試工作平臺，包括硬件部分和軟件部分，主要硬件為Micro AutoBox，主要軟件是RTI和Control Desk。它具有強大的控制算法和控制器功能和檢驗功能，常用于設(shè)計和仿真控制以及實時快速控制原型，能應(yīng)用于大部分工程。其特點是高度集成性與模塊性，以及與MATLAB/Simulink的高度的契合性，該半實物仿真系統(tǒng)不僅能夠加快仿真的速度，也為用戶提供了多種仿真的選擇，以滿足用戶不同的使用需求。

不論是在利用RT-LAB進行快速控制原型驗證（RCP）還是半實物仿真（HLLS），都會使用到它的計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的工具 CDP，CDP軟件組件包括MATLAB/Simulink、RTW、RTI、dSPACE tools。其開發(fā)步驟如下。

與RT-LAB類似，首先是在dSPACE MATLAB/ Simulink上對目標系統(tǒng)進行分析、設(shè)計優(yōu)化、建模和仿真。然后使用RTI庫中的指令模塊把邏輯連接關(guān)系變?yōu)橛布涌陉P(guān)系，并設(shè)置I/O、A/D、D/A接口參數(shù)。而后利用RTW build將模型轉(zhuǎn)換為c代碼、編譯、連接并下載，RTI和RTW都可以在MATLAB中輸入命令調(diào)用，十分方便。最后通過Control Desk進行綜合實驗和測試環(huán)境，與硬件系統(tǒng)實時交互操作，如調(diào)整參數(shù)、顯示實時狀態(tài)的參數(shù)波形等。dSAPCE仿真系統(tǒng)中的Control Desk軟件主界面如圖4所示。

圖4 Control Desk主界面圖

直流降壓斬波電路（buck變換器）是通過控制開關(guān)導通時間的PWM控制或改變開關(guān)周期的頻率調(diào)制使電壓減小的電力電子電路。其實驗仿真圖如圖5所示，當開關(guān)管導通時，電源給電感充能，并向負載供電；關(guān)斷時，電感經(jīng)續(xù)流二極管向負載供電，并不斷減小，從而實現(xiàn)降壓的目的。dSPACE仿真系統(tǒng)與MATLAB具有高度的契合性，同學們在使用的時候會感覺十分得心應(yīng)手，許多功能可以輸入指令直接調(diào)用，提高了建立電路模型時的效率，使電力電子教學的進度能夠有條不紊地進行。

圖5 直流降壓斬波電路仿真圖

單相交流調(diào)壓電路是分別對兩個反并聯(lián)晶閘管VT1和VT2（或一個雙向晶閘管）的觸發(fā)延遲角α進行控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。其仿真圖如圖6所示。在電力電子教學中，不僅能深入地剖析電路結(jié)構(gòu)的原理和作用，還能培養(yǎng)同學們的自主思考和創(chuàng)新能力，激發(fā)創(chuàng)新性實驗的開展。

圖6 單相交流調(diào)壓電路仿真圖

由以上的仿真圖可見，半實物仿真平臺能準確而直觀地展示課程的知識點，通過讓同學們手動地建立模型、調(diào)節(jié)參數(shù)，切實地參與到電路的驗證與設(shè)計中來。

3 結(jié)論

半實物仿真系統(tǒng)具有實時性、快速性、可拓展性等優(yōu)點，在應(yīng)用于電力電子課程的實驗或設(shè)計進行仿真建模時，能激發(fā)學生的學習興趣，提高學習的效率，加深學生對電路原理、結(jié)構(gòu)的認識和理解程度，提高同學們的動手能力，鍛煉自主思考能力。其直觀的波形和電路框架免去了繁瑣的實物操作，而只需通過系統(tǒng)自動連接至硬件模塊，避免許多誤操作造成的時間和經(jīng)濟上的損失，加上其易于調(diào)節(jié)參數(shù)的特點，在一定程度上有利于電力電子的創(chuàng)新性實驗和研究。