汤龙飞, 许志红

(福州大学 电气工程与自动化学院,福州 350116)

0 引 言

智能电器是建设现代化电力系统的基础，从电器的种类分主要包括：智能断路器、智能接触器、智能电机软启动器、智能继电器及智能开关柜等其他组合电器[1]。在技术层面上，智能电器融合了传统电器与现代传感技术、电力电子技术、数字控制技术、计算机接口及网络技术等多个学科[2]。“智能电器”课程是一门应用性很强的专业核心课程，实验在教学中占有重要的位置，通过实验可以直观的展示各种电器的智能控制方案，对其控制过程及控制原理进行分析，从而对抽象的理论知识进行具体化、形象化，便于学生理解，同时也提高了学生的动手能力[3]。但实验往往受种种客观条件的限制，如：设备、场地、时间等，因此在实际的实验教学中往往只能设计固定的几种实验方案，且大部分方案的硬件电路采用设计好的模块，学生仅需选择需要的模块进行拼接，这种按部就班的程序化操作难以激起学生的兴趣，且在这种实验模式下，学生无法充分验证自己的新的控制思路，不利于创新能力的培养[4]。“智能电器”这类综合性的专业应用课程，其课堂教学往往只能以讲解理论知识为主，枯燥乏味，课堂实践内容涉及较少。而仿真技术的使用在一定程度上弥补了实验的客观条件限制，不仅可以构建专门的虚拟实验课程，部分替代实验教学，同时也可以随时穿插在课堂教学中进行，改进教学方法和教学手段，及时加深学生对专业理论知识的理解，提高理论知识的实际应用能力[5]。

智能电器在结构上主要包括智能控制器及电器本体两部分，在智能控制器中通常又存在数字控制电路及模拟控制电路，因此实现智能电器数字控制电路、模拟控制电路及电器本体之间的一体化仿真，是一项较为困难的任务。本文以接触器的智能控制为例，介绍了一种智能电器的联合仿真方法，实现了智能接触器的数字控制电路、模拟控制电路及接触器本体的一体化仿真，仿真界面友好、直观，交互性强，便于学生充分理解智能电器的控制原理及动态运行过程，同时模拟控制电路及数字控制程序可以方便地进行任意修改，便于学生探索新的智能控制方案，提高学生的创新能力。因此，联合仿真方法不仅可以成为“智能电器”课堂教学的有效补充，进行讲练结合，同时也可以作为实验教学的辅助手段，应用到课程设计、生产实习、毕业设计等实践环节中。

1 联合仿真的原理及特点

一个完整的电气控制系统往往包括数字控制电路及模拟控制电路部分，这两部分间通过反馈环节相互作用，决定着控制系统的整体运行效果。传统的仿真平台不能准确地将数字电路部分及模拟电路部分进行综合仿真，可能与实际控制系统产生较大误差，进而影响控制系统的设计效率。因此，在设计这些系统时需要采用有效的方法，将数字电路部分及模拟电路部分联合起来，实现一体化的综合性分析，方能准确地设计完整的电气控制系统。本文采用具有全新联合仿真能力的Multisim和LabVIEW软件来构建实时联动仿真系统，实现电气控制系统模拟电路部分与数字电路部分的逐点闭环仿真[6]，联合仿真需要的软件有：LabVIEW、LabVIEW控制设计与仿真模块、Multisim。

LabVIEW是一种通用的程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：LabVIEW使用的是图形化的编程语言(G语言)，以数据流的形式来编写框图程序，框图程序中节点之间的数据流向决定了函数的执行顺序[7]；其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序[8]；LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，并且以G语言的直观形式实现框图编程，可以快速、方便地构建各种数据采集系统及虚拟仪器设备，提高了工作效率[9]。

LabVIEW控制设计与仿真模块主要包括：PID设计、模糊逻辑设计、仿真设计、控制设计及系统识别5大部分，可用于仿真动态系统，采用经典或状态空间法来设计繁复的控制器[10]，并将控制系统部署至实时硬件，实现快速控制原型和硬件在环(HIL)应用，功能强大且复杂[11]。在智能电器的联合仿真中主要应用其仿真设计这一小部分功能。

Multisim是业界一流的SPICE仿真标准环境，包含多达22 000个元器件的器件库，用户可从器件列表中进行选择，包括各种最新的放大器、二极管、三极管、激励源及各种常见的集成芯片等，来创建完整的SPICE仿真电路[12]；包含20种行业标准的SPICE分析(如：交流分析、傅立叶分析、噪声分析，等)以及22种直观的测量仪器(如：示波器、万用表、逻辑分析器、网络分析仪，等)，配合LabVIEW不断扩展的自定义仿真分析库，用户还可以在Multisim中创建自己的LabVIEW分析仪器[13]。

采用LabVIEW及Multisim构建的联合仿真系统原理如图1所示。首先利用Multisim丰富的元件库构建完整的模拟控制电路，之后利用LabVIEW的图形化、数据流编程环境构建数字控制程序，最后利用LabVIEW控制设计与仿真模块构建LabVIEW与Multisim间数据的传输通道；两个独立的仿真软件同时进行非线性时域仿真，并在每个仿真步长结束时交互仿真数据，更新仿真状态，之后进入下一个仿真步长，依次循环仿真。因此，联合仿真系统实现了LabVIEW与Multisim间的逐点闭环仿真，做到了两个仿真软件之间的实时联动，可以充分验证模拟电路和数字电路的相互作用，为完整的电气系统仿真提供有效的解决方案。

2 联合仿真关键步骤构建

联合仿真构建过程中最关键的步骤即实现LabVIEW与Multisim间的联合，充分结合两个软件在仿真领域的应用优势，构建逐点闭环仿真系统。

图1 联合仿真系统原理

在Multisim中构建完成任意的模拟控制电路后，需要在电路图中添加LabVIEW交互接口，才能实现与LabVIEW仿真引擎之间的数据收发，交互接口如图2所示。分为输入接口及输出接口，输入接口在每个仿真步长中接收从LabVIEW输入到Multisim中的仿真数据；输出接口则在每个仿真步长中将Multisim中的仿真数据输出到LabVIEW中。

图2 LabVIEW交互接口

在添加交互接口过程中，图3所示的“Multisim design VI preview”窗口会根据接口的数量及输入/输出属性不断更新，这个预览是之后映射到LabVIEW中用作与Multisim电路交互的虚拟仪器(VI)。在Multisim中，完成模拟电路及交互接口的构建后，保存，方便后续LabVIEW的调用。

图3 Multisim design VI preview

要在LabVIEW和Multisim之间传送数据，在LabVIEW中必须首先放置控制与仿真循环(Control & Simulation Loop)，该结构在LabVIEW控制设计与仿真模块中，如图4所示。可以在其配置面板中对仿真初始时间、结束时间、求解算法、仿真步长等参数进行直接设置，或通过外部输入控件进行设置，仿真设计面板中的其他子VI均需要这些仿真参数的支持才能运行，因此这些子VI只能放入控制与仿真循环中运行。

之后需添加仿真挂起(Halt Simulation)函数，同时在VI的前面板上创建一个布尔控件来控制程序的挂起，停止仿真VI的运行。Multisim Design VI负责管理

图4 控制设计与仿真循环

LabVIEW和Multisim仿真引擎间的通信，将其放置到程序框图中会自动弹出：选择一个Multisim设计(Select a Multisim Design )对话框，在对话框中浏览并选择之前保存的Multisim文件。

通过以上配置即可快速构建图5所示联合仿真的基本结构，Multisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI preview一致，具有相对应的输入与输出。该Multisim Design VI完全融入LabVIEW开发环境，同时能够在每个仿真步长中与Multisim进行数据交换，是实现联合仿真的桥梁。

图5 联合仿真基本结构

3 联合仿真在智能电器中的应用实例

智能接触器是重要的智能电器之一，交流接触器的高压直流起动、低压直流保持是常用的接触器智能控制方案，其主要控制原理为：在起动过程中施加一高压直流，使接触器克服弹簧反力而迅速起动，当动静铁心闭合后，仅需施加一较低的直流低压即可实现接触器的可靠保持[14]。该控制原理使交流接触器的激磁方式从交流转向直流，实现其节能、无声运行，相较于电流闭环控制方案，该控制原理简单易行，便于学生理解[15]。因此，本文以该控制方案为例，构建智能接触器的联合仿真系统，从而深入、直观地展示、剖析接触器的智能控制过程，更好地进行智能电器的实验教学及课堂教学。

3.1 接触器建模

智能接触器主要包括智能控制器及接触器本体两部分，在智能控制器中包含着以单片机为核心的数字控制电路及以线圈驱动电路为核心的模拟控制电路，因此可采用联合仿真技术对该控制器进行数模混合仿真。但目前的SPICE仿真软件中通常缺少电器本体(如：继电器、接触器、断路器，等)的精确模型，故要实现智能接触器整体仿真，尚需构建接触器本体模型，该步骤可采用LabVIEW灵活的图形化语言来实现。

在LabVIEW中构建图6所示接触器动态模型，其主要子模型包括：电压平衡子模型、电磁吸力子模型、机械运动子模型、动态电感子模型及反求电流子模型。电压平衡子模型根据输入的线圈电压ucoil、线圈电流icoil结合线圈电阻Rcoil，通过积分算子1/S的运算，得到磁链ψ；电磁吸力子模型根据输入的磁链ψ，结合铁心端面积S，线圈匝数N及空气磁导率μ0，来计算电磁吸力Fx；机械运动子模型根据电磁吸力Fx及弹簧反力Ff，配合接触器可动部分质量m，经积分算子1/S的运算得到动铁心速度v及动铁心位移x；动态电感子模型主要根据磁链ψ及线圈电流icoil，来计算接触器的动态电感L；反求电流子模型主要根据磁链ψ及动铁心位移x插值，来反求线圈电流icoil。

图6 接触器动态模型

接触器动态模型具体的建模原理及建模过程见参考文献[16-17]，该接触器动态模型在输入的线圈电压激励下，可以迭代出整个动态运动过程，并输出对应的机械参量及电磁参量曲线。为了降低教学应用的难度，该接触器模型在LabVIEW中封装成子VI的形式，直接供学生调用即可，将教学的重点放在智能控制器的设计与仿真中，使学生理解智能控制的实现过程。

3.2 模拟控制电路的构建

根据联合仿真的构建步骤，首先要在Multisim中构建模拟控制电路，如图7所示。图中u1为交流电源，可设置电压有效值、频率及初始相角等参数；D1、D2、D3、D4为整流二极管，组成全桥整流电路；C1为输入滤波电容，其CAP节点用于接收LabVIEW输入的电容值，配置滤波电容；L1为可变电感，其Lcoil节点用于接收LabVIEW中接触器动态模型输入的动态电感值，模拟接触器运动过程中的“机电耦合”效应[16]；R1为可变电阻，其Rcoil节点用于接收LabVIEW输入的电阻值，配置线圈电阻；S1、S2分别为高压MOSFET开关及低压MOSFET开关，SH及SL节点用于接收LabVIEW输入的开关驱动信号，来控制开关的通断(图中开关采用的是通用MOSFET模型，该模型不需要采用悬浮驱动方式，即可进行仿真驱动，与实际驱动电路稍有不同，为了更贴近实际控制电路,也可在Multisim中选择实际的开关模型，并配合IR公司的专用MOSFET驱动芯片模型或采用隔离光耦模型进行驱动)；U2为低压保持电源，W1为可设置限流值的稳压片，D5为高压二极管，防止起动高压串入保持低压回路；D6为续流二极管，D7为稳压二极管，D6、D7共同组成接触器的线圈消磁回路；XCP1、XCP2、XCP3、XCP4为电流探针，检测支路中的电流，节点IH、IL、Icoil、ID分别将检测到的高压支路电流、低压支路电流、线圈电流及消磁支路电流送入到LabVIEW中；Ucoil节点将线圈电压值送入LabVIEW中，为接触器动态模型提供电压激励。

图7 联合仿真模拟控制电路

3.3 数字控制程序的构建

在实际电路中接触器的数字控制是通过单片机控制模拟电路中开关管的通断时序来实现的，在联合仿真中该时序控制可用LabVIEW实现，数字控制程序如图8所示。图7的模拟控制电路映射到LabVIEW编程环境中，并产生与定义一致的输入/输出接口；添加输入控件来配置输入滤波电容，创建局部变量来更新线圈电阻及磁路电感；时序控制程序通过设置的起动时刻、保持时刻及分断时刻与当前仿真时间比较来产生开关驱动信号SH及SL；构建显示控件来储存电路的输出数据，其线圈电压数据为接触器的动态模型提供激励；添加波形图表控制来构建波形显示程序；在LabVIEW的程序框图中完成程序构建后，可以对前面板的各种输入及显示控件进行布局调整，得到图9所示简洁、直观的联合仿真前面板，可以对整个联合仿真过程进行设置及波形显示。

图8 联合仿真数字控制程序

图9 联合仿真前面板

3.4 仿真波形分析

联合仿真波形如图10所示，可以通过前面板的波形显示窗口方便地导出：t0时刻高压驱动SH置高电平(增益50)，S1导通，整流滤波后的直流高压施加在线圈两端，线圈电流icoil快速上升，电磁吸力Fx快速增大并大于弹簧反力Ff，动铁心速度v逐渐增大；至t1时刻动静铁心闭合，动铁心位移x(增益100)达到最大值，同时icoil在运动反电势的影响下，被迫下跌到最低点；t2时刻SH置低电平，SL置高电平(增益50)，S1关闭，S2打开，接触器高压起动过程结束，开始转入低压保持过程，在t1～t2时段内，线圈电流icoil等于高压支路电流iH。

图10 联合仿真波形

S1关闭，S2打开后，由于线圈的阻感特性，线圈电流通过消磁回路连续衰减，消磁支路电流为iD,线圈电压ucoil约为负的D7管压降(本文设置为-50 V)，此时低压保持回路工作于恒流输出模式(该模式可防止从低压回路抽出过大的电流，导致低压回路不稳定)，低压支路电流iL输出最大值(本文设置为1 A)，试图弥补线圈电流的衰减，电流关系为：icoil=iD+iL；随着负压消磁回路的作用，线圈电流快速衰减，至t3时刻低压保持回路能够提供全部的线圈电流，iD衰减为0，电流关系为：icoil=iL，低压回路退出恒流模式，ucoil为恒定低压(本文设置为20 V)，iL逐渐下降，至t4时刻iL恒定，完全转入恒压保持状态，完成起动到保持的切换过程。在t5时刻开始分断过程，SL置低电平，S2关闭，线圈电流在消磁回路的负压作用下衰减，至t6时刻Fx小于Ff，动铁心开始回弹，至t7时刻分断结束。

在以上仿真过程中可以灵活修改时序控制过程及模拟控制电路的器件参数，便于学生探索相关控制规律及新的控制思路。

4 结 语

本文以接触器的智能控制为例介绍了一种智能电器的联合仿真方法，将接触器本体在LabVIEW中封装成子VI的形式，降低了智能电器联合仿真的教学应用难度，之后利用Multisim丰富的元件库构建电器智能控制器的模拟控制电路，利用LabVIEW强大的数据流编程环境构建电器智能控制器的数字控制程序，实现智能电器模拟控制电路及数字控制程序之间逐点闭环的联合仿真，仿真界面友好、直观，交互性强，便于学生充分理解智能电器的控制原理及动态运行过程，因此联合仿真方法可以成为智能电器实验教学及课堂教学的有效辅助手段。