刘　芳, 吴成就, 潘俊涛

(北方民族大学 电气信息工程学院, 宁夏 银川　750021)



基于Matlab/GUI的电力电子电路仿真平台构建

刘芳, 吴成就, 潘俊涛

(北方民族大学 电气信息工程学院, 宁夏 银川750021)

基于Matlab的图形用户界面开发工具,构建了一套具有Windows风格的电力电子电路仿真平台；以三相桥式全控整流电路为例,展示了该平台的主要功能和实现方法。用户无需具备专业的Matlab知识,即可利用该平台进行工作原理分析、元器件参数设置、理论工作值计算并将仿真波形图在仿真界面上以人机交互的动态方式进行实时显示等一系列便捷操作。此外,该平台还可供学生进行自主学习、自主创新设计。该平台对于教师开展研究性和讨论式教学,提供开放性实验教学,增进学生对电力电子电路与系统的理解,提高学生自主学习和独立研究的能力有一定的帮助。

整流电路; 仿真平台； 人机交互界面； 图形用户界面

“电力电子技术”是电气工程及其自动化等本科专业的专业基础课,也是一门实践性和综合性很强的必修课[1-3]。在“电力电子技术”课程教学过程中,常需借助大量波形图来分析各种能量变换过程[4]。由于电路类型多、波形变化多,该课程不好讲、不好学。为了在有限的课堂学时中能获得更好的教学效果,开发一个电力电子电路仿真平台是非常必要的。

1　构建电力电子电路仿真平台的意义

在“电力电子技术”本科教学中,主要通过分析各类电力电子器件的通/断情况来讲解整流、逆变、斩波等典型电路的工作原理和电路各点的电流、电压波形。对于大量的波形分析内容,不可避免地需要大量绘图。然而,只靠图形的说明,缺乏电路工作的真实性,并且在实际应用和电路分析中,学生难以直观地看到波形的变化,所以感到波形分析复杂,从而影响学习的进度和效果。更为重要的是,相关教材只给出了主电路拓扑,而并未给出驱动电路及控制电路,使学生对电力电子电路的“系统观”缺乏必要的理解和体会。总之,电力电子技术教学具有理论与实践并重、课时少、任务重的特点,但它又是电气信息类专业本科生/研究生必须掌握的知识和研究生入学考试的必考科目。

南京航空航天大学基于Flash MX开发了一套ECWare1.0教学软件,以二维动画图代替静态波形图和原理图,提高了课堂教学的生动性和灵活性,提高了授课效率[5]。哈尔滨工业大学给学生提供了教师开发的硬件研究平台和以PSpice、Matlab/Simulink为主的仿真实验环境,通过构建研究性实验教学体系，培养学生发现问题和解决问题的能力、自我获取知识的能力[6]。这一平台对学生的素质要求较为严格,对许多高校不具有可移植性和可借鉴性。华南理工大学采用PSim、Saber、PSpice等软件开发了辅助课件,以提高学生的学习兴趣和学习质量[7-8]。华北电力大学提出了一种基于Matlab和LabVIEW混合仿真技术的虚拟实验方法,该方法能减少实验设备的投入，且实验不受时间和空间限制[9]。

笔者借助Matlab强大的电路仿真工具Simulink和便捷的图形用户界面(graphical user interface,GUI)开发出一套电力电子技术仿真教学平台。该平台由整流、斩波、变频、逆变、综合创新等若干个子平台构成,涵盖了该课程的主要教学内容。利用该平台,任课教师在课堂上能以人机交互的方式对相关内容进行讲解,一方面可以使得枯燥且抽象的电路分析内容变得直观生动,另一方面有助于加强实践训练,培养学生自主学习的能力,以适应培养卓越本科人才的需求[10]。本文以目前应用广泛的三相桥式全控整流电路为例,阐述基于Matlab/GUI的整流电路仿真教学平台的设计思想、整体功能及其实现方法。

2　面向对象的GUI设计流程

当前,基于图形界面的人机交互模式应用广泛[11],几乎所有应用程序都是在GUI下运行的。用户通过鼠标等输入设备,可以方便地与计算机进行信息交流。Matlab中的GUI是包含窗口、图标、选单和文本等图形对象的用户界面,每个图形对象都有一个唯一的被称为句柄(handle)的数字标识,获取了图形对象的句柄才能对该图形对象进行控制、设置或修改属性[12]。

GUI的建立大体有两种方式:一种是利用用户界面控制对象uicontrol、下拉式选单对象uimenu、内容式选单对象uicontextmenu等函数,以编程方式开发GUI,其缺点是GUI对象位置的配置对于初学者较难控制[13]；另一种是利用图形用户界面开发环境GUIDE，方便、快捷地创建用户自己的GUI[14]。

GUIDE功能包括进行GUI面板设计和GUI组件回调程序编程[15]。使用这类开发环境,用户只需通过鼠标将对象拖拽到目的区域即可快速地构建出GUI[16]。所开发的GUI是由窗口、光标、按钮、选单、文字说明等图形对象构成的一个用户界面,用户通过鼠标或键盘选择、激活这些图形对象,使计算机实现计算、绘图、显示等功能[17]。此外,这种方式在M文件的管理上也较为便捷。本文采用GUIDE构建了一套仿真平台,既能在其GUI界面中嵌入仿真程序,又能将仿真的图形化结果在仿真界面上以人机交互的动态方式实时显示出来,具有界面友好、操作简便的特点。图1给出了GUI的设计流程,该流程遵循简单化、一致性及习常性等原则[17-18]。

图1　GUI界面设计流程

3　整流电路仿真平台的实现

整流电路广泛应用于直流输电、直流电机拖动、开关电源等领域[19]。整流电路种类很多,按整流电源相数可分为单相和三相整流电路；按电路结构形式可分为半波、全波及桥式整流电路。

3.1整流电路仿真平台主界面

本文根据王兆安所著《电力电子技术》一书中相关章节构建了整流电路仿真平台主界面。该平台包括单相可控整流电路、三相可控整流电路和电容滤波的不可控整流电路3个子仿真模块,并对每个子模块进行了细化。用户只需点击各模块的“进入”按钮即可进入相应的仿真界面。此外,为了便于用户使用该整流电路仿真平台,设计了“平台简介”浮动选单,点击主界面选单栏中的“平台简介”选单即可调出简介文本,并可将其自由拖拽到主界面的任意位置。

该平台主要由GUIDE工具集中的选单、按钮、坐标轴、静态文本框和组合框等控件实现。对界面的设计包括界面控件的属性、布局等。对界面控件属性的设置包括背景颜色、Tag值、String 值、Value值等。属性设计完成后,需要给控件编写程序代码来实现其功能。

3.2整流电路各仿真子界面

三相桥式全控整流电路适用于整流负载容量较大、直流电压脉动较小的场合,是电力电子技术应用最为广泛的电路之一[4]。本文以三相桥式全控整流电路仿真界面为例,说明仿真界面的主要功能及其实现方法。点击主界面中三相桥式全控整流电路子模块的“进入”按钮,便可进入如图2所示的仿真界面。界面的设计主要采用了静态文本框、可编辑文本框、触控按钮、面板和坐标轴等控件来实现其功能,各个控件的功能通过编写相应的回调函数来实现[17],主界面通过选单栏来切换各子界面。整个界面大体包含5个快捷选单栏、3个显示区、1个参数设置区,此外还设计了4类按钮。

图2　基于GUI的三相桥式全控整流电路仿真界面

3.2.1快捷选单栏

快捷选单栏包括“整流电路选择”、“电路工作原理”、“参考参数”、“仿真结果分析”、“帮助”5项。

“整流电路选择”选单下设有子选单,方便用户在整流电路子模块仿真界面之间切换以及与Simulink工具箱的链接。

“电路工作原理”选单介绍仿真电路的工作原理,方便学生学习相关电路的工作原理。

“参考参数”选单主要对后台Simulink构建的仿真模型中相关仿真参数的设置进行说明,方便用户了解仿真参数。

“仿真结果分析”选单主要对仿真结果进行分析,将其归纳整理出来,便于学生掌握知识要点,分析问题和解决问题。

“帮助”选单用于标注整流电路Matlab仿真的相关注意事项,如模型的构建步骤及连接方法、仿真步骤、仿真结果的波形调整、仿真时间的设置等。

这些将为初学者——特别是对Matlab计算机仿真不甚了解的人员提供有效帮助。此类选单可通过建立GUI界面,在界面添加静态文本框及输入相关文字,然后通过回调命令“Callback”实现,其特点是在调用选单时无需关闭仿真界面。

3.2.2显示区和参数设置区

在电力电子技术中,整流电路在不同条件下的输出电压/电流波形的测试和分析是技术的核心,因此，电路原理图与仿真结果显示、电路参数设置与计算结果显示是平台中最核心的内容。

“电路原理图”显示用户选择的仿真电路的原理图,要实现电路原理图，需先将坐标控件Axes拖至当前设计的面板上,调节尺寸并设置控件属性,然后在M文件中编写代码,电路原理图的显示则通过imread和inshow函数实现。

“仿真波形”显示Simulink运行后的仿真结果。在Simulink中构建的模型,其仿真结果可直接用示波器Scope模块进行观察。要实现仿真结果在GUI上显示,就要求仿真平台能实现GUI与Simulink之间的参数调用。然而,GUI与Simulink模型之间进行数据传递的困难在于:GUI界面实质是由多个底层函数所构成,其数据默认保存在建立GUI界面时自动生成的FIG文件中；而Simulink模型仿真的数据默认保存在Matlab的基本状态空间内,两者的数据无法直接相互调用。本文利用函数跨空间传递参数的方法[13]有效地解决了此难题。

“参数设置”采用可编辑文本框作为电源电压、电阻、电感、脉冲触发角的参数输入区。设置参数后点击“计算”按钮,仿真电路的理论工作值就会自动显示在GUI界面上的“计算结果”区,用户可在仿真前对电路理论工作值进行验证,以便与仿真结果进行比较。

3.2.3按钮

(1) “计算”按钮用于计算仿真电路的理论工作值。

(2) “仿真选择”按钮用于在不同的典型触发角(0°、30°、60°、90°)之间进行选择并将对应的波形绘制在仿真结果显示区。其特点是可将某一典型触发角对应的波形单独显示,亦可将4个波形同时放置于如图2所示的仿真结果显示区,以便进行分析。

(3) 点击“显示仿真模型”按钮，可以在仿真平台上以浮动选单的形式显示相应的Simulink仿真模型。

为了方便用户进一步了解整流电路的仿真模型和对仿真模型进行优化,进而达到创新实践的效果,在GUI界面上设置了“其他波形”按钮,点击该按钮即可进入系统后台Simulink软件构建的模型。图3所示的三相桥式全控整流电路Simulink仿真模型即是点击图2中的“其他波形”后的效果。该按钮动作是通过open_system函数来实现的。该控件的设置旨在使用户进一步对具体电路的结构、参数设置及其工作过程进行深入了解与分析。需要说明的是,图3所示的仿真模型是利用Simulink预先搭建的。

(4) “返回主界面”按钮使得界面回到整流电路仿真平台主界面。

(5) “退出”按钮则使得界面退回到整个教学平台的主界面。

图3　三相桥式全控整流电路Simulink仿真模型及仿真结果

为了保持界面的统一性,整流电路仿真平台的子界面设计风格基本一致。该平台紧扣教学内容,包含了大量的仿真演示,每个仿真子界面均有详细的帮助与原理说明。用户可以在GUI界面改变元件的参数与条件,观察、分析波形,还可以加载实例,自己动手编写实验。可视化的界面形象生动、使用方便、交互性强,且具有较好的可扩展性[16]。

4　结语

计算机仿真是“电力电子技术”课程教学的一种有效手段,它既可以辅助工程设计、仿真分析和研究,也

可辅助教学。本文利用Matlab的图形用户界面开发环境GUIDE构建了一套具有Windows风格的整流电路仿真平台,集电路原理说明、仿真参数设置、电路理论值计算、仿真波形显示、仿真结果分析和辅助工具于一体。该平台有利于开展研究性教学、开放实验教学，培养学生的创新意识、激发学生的科研兴趣,推进讨论式教学、案例教学、网课等教学方法和合作式教学方式,提高学生自主学习和独立研究的能力。

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Construction of simulation platform for power electronic circuits based on Matlab/GUI

Liu Fang, Wu Chengjiu, Pan Juntao

(College of Electrical and Information Engineering, North China University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

A Windows style simulation platform for the power electronic circuits is constructed by exploiting Matlab’s graphical user interface (GUI), and its main features and implementation methods are showed with a three-phase bridge type full-control rectifying circuit as an example. Without any professional knowledge of Matlab, a series of convenient operations, such as analyzing the working principle, setting parameters, calculating theoretical values, displaying the simulation waveforms dynamically on the platform with a good interactive interface, etc., can be carried out with the developed platform by the users. Furthermore, the proposed platform can be used for the students to implement their active learning and independent innovation design. It is shown that the proposed platform could be used not only to help teachers in study-based teaching, study-discussion teaching and opening experimental teaching, but also to offer guidance to students to develop a better understanding in dealing with the power electronic circuits and systems, and to obtain their ability for learning and researching corresponding power electronics technology on their own.

rectifier circuit; simulation platform; interactive interface; graphical user interface (GUI)

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.027

2015- 06- 19

国家自然科学基金项目(51367003)；宁夏回族自治区本科教学工程项目；宁夏回族自治区大学生创新训练计划项目(QJCX-2013-013)；北方民族大学教改重点项目(2013JY09-ZDB)

刘芳(1970—),女,宁夏中卫,博士,教授,硕士生导师,主要研究领域为电力电子技术及面向对象的计算机仿真技术.

E-mail：fangliu214@163.com

G642.4;TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0107- 04

虚拟仿真技术探索与实践