摘 要：電力電子技術仿真實驗教學系統利用MATLAB/Simulink軟件編寫內核電路仿真程序，利用 LabVIEW軟件設計用戶界面，基于動態鏈接庫(DLL)技術，完成電路仿真程序和用戶界面之間的實時數據交互。實驗系統能夠準確復現真實電力電子電路實驗，實現電路參數靈活設置和實驗結果的圖形化顯示、分析等功能，有助于學生在課后利用計算機自主完成課程教學大綱所要求的電力電子電路實驗。該實驗系統可應用于自動化、電力系統及其自動化專業本科生電力電子技術課程的仿真實驗教學。

　　關鍵詞：LabVIEW;電力電子技術;虛擬仿真

　　1 　研究背景

　　電力電子技術是自動化專業、電力系統及其自動化專業核心基礎課程，對于培養電類專業人才具有重要作用[1]。該課程內容主要包括各種電力電子變換裝置的電路結構、工作原理、控制方法、設計計算，要求學生掌握基本電路的工作原理和設計方法，并具備一定的實驗操作能力，所以它是一門實踐性很強的課程。然而，由于課程學時所限，大部分教學內容只能采用電路原理分析和公式計算的方式，在課內不能充分開展硬件實驗項目。

　　這樣的教學方式會給剛開始學習本課程的學生造成很大困難，使學生對電路的實際運行缺乏直觀的感性認識，因此很難在課后繼續開展自主學習。將計算機仿真技術引入課程教學，可以幫助學生更好地掌握該門課程的主要內容。

　　目前，LabVIEW在電力電子技術實驗課程中已得到了大量的應用[1-6]。基于LabVIEW的數據分析函數能夠根據實驗需求提取實驗數據的特征量，從而加深學生對實驗原理的理解。此外，還有多種仿真技術軟件也被廣泛應用于電力電子技術課程的教學中[7-11]。MATLAB/Simulink是理工科專業通用的仿真軟件，具有強大的仿真運算功能，其電氣工具箱可提供各類電力電子器件模型，能夠構造各種電力電子電路，完成系統仿真。

　　在電力電子課程教學中應用MATLAB/Simulink 軟件進行仿真實驗已被證明是提高教學質量的有效途徑[9-10]。電力電子技術仿真實驗教學系統基于MATLAB/Simulink工具箱編寫內核電路仿真程序，能準確復現實際電路的工作過程。利用LabVIEW軟件設計仿真軟件界面和數據處理程序，能夠以圖形方式動態顯示實驗數據，使得學生能夠直觀地認識真實電路的工作過程。

　　學生利用該實驗系統能夠輕松地完成教學大綱中要求掌握的所有基本電力電子電路的仿真實驗，加深對課程所學內容的理解，從而在一定程度上彌補了硬件實驗條件的不足。該實驗系統能夠幫助學生盡快掌握電路的基本工作原理，并對實際電路運行形成感性認識，同時為學生在課后開展自主學習提供了條件。

　　2 仿真實驗系統介紹

　　2.1 實驗系統結構

　　實驗系統由三部分組成：利用Simulink軟件編寫仿真電路程序、采用DLL技術生成數據接口、利用LabVIEW語言設計仿真系統界面。實驗系統各部分具體工作如下：一是仿真電路程序，根據系統界面的仿真參數設置，完成實驗電路仿真運行并且輸出仿真數據;二是利用Windows動態鏈接庫技術(DLL)，實現Simulink仿真電路輸出數據的格式轉換，為系統界面提供具有規范格式的測量數據;三是利用LabVIEW語言設計的仿真系統界面，完成實驗數據的圖形化顯示和分析，觀察在控制輸入下電路中各電流、電壓的波形，并提供實驗參數設置接口。根據電力電子技術課程教學要求，該仿真實驗系統主要實現了課程教學大綱中所規定的基礎實驗電路的仿真實驗。

　　該實驗系統主要實現以下四項功能：

　　一是用戶界面功能。實驗系統界面包括系統主界面和各個仿真實驗子模塊界面。主界面實現系統導航功能，用戶通過主界面選擇自己需要的電路進行仿真實驗，進入各類電路仿真實驗的子模塊界面。各子模塊界面能夠顯示仿真電路原理圖，圖形化顯示電路仿真結果以及波形分析結果。同時，能夠為用戶提供電路參數設置接口。

　　二是電路仿真實驗功能。根據教學大綱要求掌握的四類電路，該實驗系統設計了四個仿真實驗子模塊。根據子模塊界面設置的電路參數，分別完成四類電路的仿真運行并且將運行數據反饋至實驗系統界面。

　　三是實驗結果展示功能。用于接收仿真實驗數據，并完成數據的圖形化顯示和分析，并將在系統界面上顯示結果。

　　四是用戶參數調節功能。用于接收用戶在系統界面上輸入的電路參數，并將該參數傳送至對應的仿真實驗子模塊，進行電路仿真。

　　2.2 實驗系統設計

　　該實驗系統主要包括三個部分：Simulink仿真電路設計與設置、DLL文件的生成、基于LabVIEW的仿真系統界面設計。

　　2.2.1 Simulink仿真電路設計與設置仿真電路是該實驗系統的核心內容。根據需要在Simulink中搭建電路，然后對所搭建的電路進行一些特定的設置，為Simulink和LabVIEW之間的通信創設條件。這里的關鍵技術為電路數據接口端的設置。電路數據接口端有兩類：輸入端(IN)和輸出端(OUT)。將Simulink中的POWERGUI設置為Discrete模式，并在Simulink的Configuration選項卡中設置IN和OUT端參數。輸入控制參數主要有兩個：晶閘管觸發角α和IGBT器件的占空比。在LabVIEW里輸入觸發角α，得到不同的波形，可以利用Pulse Generator， Variable TimeDelay，Product等模塊。

　　對于斬波電路的占空比設計，可以利用RelationalOperator，Repeating Sequence 等模塊。隨后點擊Simulink中的Build Model按鍵，如果電路連接正確，就會在當前文件路徑下生成“XXX_ert_rtw”文件夾(“XXX”是.slx的文件名)，內部含有一系列的.c和.h文件。

　　2.2.2 DLL文件的生成打開Visual Studio 2015軟件，建立DLL空項目，并按照如下步驟進行添加、修改工程：一是將文件夾中的.c文件全部添加到項目中;二是在源文件下添加.def文件;三是修改數據傳輸函數，在其中調用一次初始化函數，將生成的.h文件全部添加到項目中;四是將本地MATLAB安裝路徑文件夾里的頭文件添加至VC++目錄路徑;五是工程編譯后，在原項目文件夾Debug文件夾內會自動生成DLL文件。

　　2.2.3 仿真系統界面設計在仿真系統界面設計中，將每個電路生成的DLL文件單獨建立VI文件，整合到一個VI文件中，進行電路選取、參數設置。對于不同類型電路子界面之間的切換，采用選項卡控件配合事件結構實現。每個界面對應一個特征值，利用不同的按鈕觸發不同的事件結構，使得該特征值與選項卡頁面保持一致。每個頁面之間相互獨立，可以單獨進行參數設置與波形顯示。有的電路需要進行電阻負載的選擇(即純阻性負載、阻感負載)，可以在每個頁面的程序中添加條件結構進行選擇。在程序中使用了大量的局部變量以實現同一變量的不同調用。主界面的主要功能為軟件導航，用戶通過主界面可以選擇切換到任意電路仿真子模塊界面。

　　3 電力電子技術仿真實驗

　　虛擬仿真實驗系統在電力電子技術課程中的應用，根據課程教學內容，主要分為以下四個方面。

　　3.1 整流電路仿真實驗

　　整流電路實驗仿真界面。本模塊由單相和三相可控整流電路兩部分組成，分別可以實現單相和三相可控整流電路的仿真實驗。該模塊中以單相橋式半控整流電路為例說明如何進行仿真實驗。實驗界面由三部分組成：左側為實驗電路拓撲和電路參數設置;中間部分圖形演示仿真實驗結果，主要包括電路中的關鍵電流和電壓等參數;右側是實驗結果的讀取和分析，能夠讀取圖像中各參數在任意時刻的具體取值，并計算電路輸出有效值、最大值等性能參數。

　　3.2 逆變電路仿真實驗

　　本模塊由兩種單相逆變電路的仿真模塊組成，分別可以實現兩種電壓型逆變電路的仿真實驗。該模塊中以單相半橋式逆變電路為例。由三部分組成：左側為實驗電路拓撲和電路參數設置;中間部分圖形演示仿真實驗結果，主要包括電路中的關鍵電流和電壓等參數;右側是實驗結果的讀取和分析，能夠讀取實驗圖像中各參數在任意時刻的具體取值，并計算電路輸出有效值、最大值等性能參數。

　　3.3 直流斬波電路仿真實驗

　　本模塊由四種基礎直流斬波電路的仿真模塊組成，分別可以實現四種基礎直流斬波電路的仿真實驗。該模塊中以降壓斬波電路為例說明如何進行仿真實驗。由三部分組成：左側為實驗電路拓撲和電路參數設置;中間部分圖形演示仿真實驗結果，主要包括電路中的關鍵電流和電壓等參數;右側是實驗結果的讀取和分析，能夠讀取實驗圖像中各參數在任意時刻的具體取值，并計算電路輸出均值、紋波等性能參數。

　　3.4 交流調壓電路仿真實驗

　　本模塊由兩種單相逆變電路的仿真模塊組成，分別可以實現兩種基礎電壓型逆變電路的仿真實驗。該模塊中以單相調壓電路為例。由三部分組成：左側為實驗電路拓撲和晶閘管控制角α設置;中間部分圖形演示仿真實驗結果，主要包括電路中的關鍵電流和電壓等參數;右側是實驗結果的讀取和分析，能夠讀取實驗圖像中各參數在任意時刻的具體取值，并計算電路輸出電壓有效值。

　　4　教學效果

　　本仿真實驗教學系統利用MATLAB軟件編寫系統電路仿真程序，從而保證了仿真軟件的科學性;利用LabVIEW軟件設計教學系統界面，能夠完成仿真數據的采集、顯示、分析和存儲，界面功能完整，外觀簡潔美觀。實驗系統綜合了MATLAB和LabVIEW編程軟件的優點，能夠達到課程教學目的。該仿真實驗教學軟件在山東科技大學2017級自動化專業、電力系統及其自動化專業本科生電力電子技術課程的教學中得到應用，取得良好的教學效果。學生使用仿真軟件可以學習設置電路控制參數，觀察電路中主要電量的波形、存儲實驗結果、完成數據分析，從而實現課后自主學習，加深對電路工作原理的理解。

　　5　結語

　　本文介紹了電力電子技術仿真實驗教學系統的設計、制作與應用。該實驗系統有助于學生自主完成課程教學大綱要求的電力電子電路仿真實驗，克服了原有硬件實驗場所和實驗時間固定的缺點。通過該實驗系統，學生能夠直觀認識電路的工作過程，快速理解和掌握電路工作原理，取得了較好的教學應用效果。今后的工作中，還需要進一步豐富和提高該實驗系統的各項功能。

　　參考文獻

　　[1] J.特拉維斯.LabVIEW大學實用教程[M].3版.喬瑞萍,等,譯.北京:電子工業出版社,2016.

　　[2] 王超,李可,杜奔新.虛擬儀器技術在實驗室的應用研究[J].實驗技術與管理,2013(12):105-107.

　　[3] 韋青燕.基于LabVIEW和Multisim的串聯校正實驗軟件平臺開發[J].實驗室研究與探索,2015(2):128-131.

　　[4] 樂建華,黃家才.檢測技術與虛擬儀器實驗室建設[J].實驗室研究與探索,2016(12):96-99.

　　[5] 李光林,關維國,曹洪奎.面向應用型人才培養的虛擬儀器教學[J].實驗室科學,2019(1):119-121

　　.[6] 呂昌遠.基于LabVIEW的虛實結合遠程模擬電路實驗平臺設計[M].南京:東南大學,2016.

　　[7] 梁梅,馮藝,羅璇,等.電力電子電路探索性實驗研究與實現[J].實驗室研究與探索,2017(3):167-170,175.

　　[8] 周凱,那日沙,王旭東.Saber在電力電子技術仿真中的應用[J].實驗技術與管理,2015(3):126-128,140.

　　作者：鐘寧帆 曹峻虎 王玉良