贺 伟 张艳琴 毛明军

(1. 南京信息工程大学 自动化学院， 南京 210044)(2. 南京研旭电气科技有限公司， 南京 210000)

功率变换器主要用来调节电源端和负载端之间电压，拓扑结构主要包括buck、boost和buck-boost三种，其应用范围非常广泛，应用在微电网系统、电力分配系统、车船电力系统和家用电器等场合[1-3]。功率变换器的控制精度决定着上述系统的性能，而传统的控制方法已无法满足工程需求，研究如何进一步提升系统跟踪性能和抗干扰性能已然成为亟待解决的工程问题[4]。

基于社会需求，电气控制类专业教育的最终目标是培养既有创新精神，又有实践能力的社会主义接班人，而解决电气工程和控制系统问题的能力，就成为该专业学生进入社会的核心竞争力[5-6]。目前，工科专业均重视学生实践能力培养，并开设各类实践课程，例如，电气工程及其自动化专业开设了“电力电子与电力传动综合设计”课程；自动化专业开设了“控制系统综合课程设计”实践课程等等，这对学生实践能力的养成大有裨益，然而受教学经费与授课学时的限制，实践课程开展的深度和力度还不够，存在两类问题表征：一是实践课时较短。例如本科生以5人为小组设计一套完整的电力电子控制系统至少需要3个月的时间，而实践课学时通常只有32学时，致使学生根本无法全面了解控制系统的设计和开发流程，无法对实验结果进行合理化解析，仅仅停留在系统仿真研究，使实践课程开设流于形式，失其意义。二是实践课与理论课内容脱节。例如在“电力电子与电力传动综合设计”授课过程中，学生虽然能基于现有平台进行实验研究，但是无法运用理论知识自主开发电气控制系统。实践课程的开设应强化学生对于理论知识的理解，而现有教学形式未起到实践教学应有的作用[7-9]。

为了体现以生为本的理念，发挥学生在实验中的主体作用，切实提升实践教学质量，真正为学生搭建一个理论知识与实践能力相辅相成的桥梁，基于SP1000控制器，设计开发了一种功率变换器电压调节实验系统，为学生的“控制系统综合设计”和“电力电子与电力传动”实践教学提供了一个优良的平台。相较于Labview和dSPACE平台，教师可指导学生自行搭建出结构简洁、成本低廉、易于操作的实验平台[10]，具体设计步骤见第2节。可通过监控软件界面，向学生展示功率变换器控制系统各个运行变量，直观地呈现负载扰动和输入电压对于输出电压的影响。同时，学生可依据现代控制理论知识设计高性能控制器，研究先进控制方案。该系统可采用Matlab软件实时控制变换器，在简化控制方案设计的同时缩短了验证周期。激励学生将自动控制原理、现代控制理论知识与“电力电子技术”“电力传动与控制”“电机拖动”等课程建立联系，培养其建模、系统辨识、硬件电路与控制方案设计的能力。短期是为学生后续毕业设计打下坚实的基础，长期是为其进入职场能迅速解决工程问题做准备。设计的系统能够激发学生对于电力电子控制系统的兴趣，有利于电气工程专业和自动化专业学生的科学素养和实践创新能力的提升，为电力电子和自动控制方向的实践课程教学提供有效、可推广的实验平台，具有重要的意义。

1 系统结构

以面向气象能源微电网的控制方案设计为背景，以培养学生处理电气控制领域的工程问题为依托，以提升学生在实践课程中的动手能力和创新能力为目标，设计了基于SP1000的功率变换器系统。结构如图1所示，组成单元包括SP1000控制器、变量监控系统、直流电源和功率变换器等。

首先，学生可以参照专业书籍设计电路PCB板图；其次，可自行在此电路板焊接电子元器件；最后，学生可结合专业书籍，基于Matlab/Simulink软件独立开发控制方案。由于可以通过上位机监控软件实时观测所设计控制器作用下的系统电流电压曲线，因此能够快速验证所提方案的有效性。这满足了实践课程教学中个体差异性的需求，改变了所有学生只能完成同一个实验任务的传统教学模式，让其真正参与控制系统的设计过程。同时结合上位机的显示控件，学生可直观地观察实际输出曲线，更好地理解“控制理论”和“电力电子技术”课程的基础知识。

图1 基于SP1000的功率变换器控制系统结构图

2 系统设计

2.1 功率变换器硬件电路模块

为了节省系统成本，将直流变换器中常见的六路功率变换器集成设计在一个电路板，包括buck、boost、buck-boost、Cuk、Zeta、Sepic等拓扑，如图2所示。应该指出，电路板中的电感、电容和传感器等器件是不同拓扑的公用元件，可切换额外三路开关管的高低电平选择不同拓扑结构。

为了全面了解拓扑和测试变换器控制性能，只需搭建这样一个电路板即可，很好地降低了成本。此电路板包含的拓扑基本涵盖了电力电子技术所讲授的全部斩波变换器拓扑。电路板包含电感、电容、电阻、电流传感器、电压传感器以及其它外围电路。在教师的指导下，学生可对照专业书籍自行焊接几个或全部功率变换器电路，并进行开环调试，查看升降压效果，从而理解电力电子技术的相关知识。

图2 六路变换器电路板实物图

2.2 基于SP1000为核心的控制方案设计

在产品研发前期、算法验证阶段，若采用实际控制器进行控制，存在周期长、可靠性差等问题。若采用快速控制原型(Rapid Control Prototyping，简称RCP)，那么就可以高效且便捷地完成了前期算法的验证。YXSPACE-SP1000(以下简称SP1000)是由南京研旭公司基于快速控制原型控制思想，采用TI公司的C2000系列DSP-F28xx作为核心开发的一套教研实时控制器，主要应用于新能源领域系统的控制，比如光伏变流器、风机变流器、储能变流器等电力电子变换器。其优势在于以下几点：

(1)采用DSP作为控制芯片，实验结果紧密贴合工程应用；

(2)基于Matlab/Simulink开发控制算法，自动加载到实时目标机中运行，避免了繁琐的编程和Debug工作，特别适合实践课程学生所设计的方案验证工作；

(3)使用门槛低，会Matlab仿真即可完成实验测试工作，测试工作只需2～4人即可完成；

(4)保护机制齐全，此部分不需要用户实际搭建保护模型，只需配置控制量的极限值即可实现实时保护，让用户不用为安全保护费心，而是更多地关注于核心控制算法开发；

(5)模型与硬件接口连接简单，只需记住端口编号即可，不用配置硬件各类细节；

(6)性价比高，与国外昂贵的dSPACE和Labview平台相比，基于SP1000的实验平台成本更低；

(7)具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射，内含8种库文件，适用于各种工程调试需求；

(8)模型转换文件的透明化，用户可直接查看模型转换后的源码。

SP1000控制器采用一体式结构，简洁轻，易操作，其配置情况如表1所示。

表1 SP1000控制器配置情况

控制方案设计部分包括以下几个步骤：①针对六路拓扑变换器，根据基尔霍夫定律，建立其微分方程，并根据平均建模法，给出其数学模型；②理解系统的输入变量和输出变量的物理含义；③基于所学过的自动控制原理和现代控制理论知识，设计反馈控制方案；④基于Matlab软件先进行仿真研究；⑤将上位机和测试电路板通过数据线连接，借助TI公司提供的Code Composer Studio(CCS)开发环境，将编写完成的控制算法下载到SP1000控制器中，从而实时调节功率变换器的电压。此外，学生还可查看产生的源码文件、内存分配文件等，了解转换底层信息。只有这样学生才能更好地完成模型优化，甚至是产品级的代码优化。以滑模控制为例，搭建了如图3所示的控制算法模型。

图3 boost变换器控制模型

2.3 基于VIEW1000的上位机显示和参数调节

VIEW1000包括了6类监控功能，分别为功能按钮、通用DO按钮、通用DI指示灯、波形显示、设定数值、回显数值等。学生可以借助这些功能，直观、方便地了解控制器内部运行的详细信息。基于此，观测变换器的各个变量值，如输出电压、电感电流、占空比和输入电压。

实践教学中，通过形象生动的实验，将自动化专业和电气工程专业实践课程授课过程中一些枯燥、分散的知识点进行有效整合，不仅能加深学生对专业的认知和理解，还能够激发学生的探索兴趣。比如，在“电力电子与电力传动”实践课程授课之前，经常遇到学生对于电力电子技术或控制理论的基础知识理解不深的问题。然而，通过此实验平台的直观化教学，多数学生均表示采用此系统的实践课程的确加强了对理论知识的认知，激发了学生们浓厚的学习兴趣。

基于以上阐述，所设计的功率变换器电压调节实验系统的总体结构如图1所示，流程图如图4所示，主要实现变换器的输出电压调节的目的，从而满足电力分配系统的电压需求。其中，电路模块的参数如表2所示。

图4 基于SP1000功率变换器控制系统流程图

表2 电路模块参数

3 系统调试

系统调试以boost变换器为例，控制系统框图4所示，主控计算机主要完成系统建模、运行管理、数据监视和数据分析工作。以太网将SP1000控制器跟主控计算机连接，将控制算法代码传输到SP1000，板卡配置的模拟量输入与输出量接口与功率变换器的电流和电压传感器连接，形成电压闭环控制系统，便于学生调试和分析。

系统调试以滑模控制方案为例，监控界面显示了电感电流曲线、输出电压波形、输入电压波形和占空比信号等，如图5所示。学生可通过改变电压参考值，实时调节功率变换器的输出电压。也可以通过切换不同工况，研究设计先进控制方案，查看系统的控制效果是否跟理论分析一致，能否达到工程要求。

4 实验项目案例

以气象能源利用为背景，给出并网逆变器实验项目案例，如图6所示。

采用电压空间矢量控制算法，采集三相电网电压、三相并网电流，直流电压、直流电流等模拟量，进行有功、无功解耦，外环控制电压、内环控制电流，最终计算输出3组互补对SVPWM波形，驱动开关器件，从而实现并网逆变器功能。针对此系统，学生搭建的Simulink模型如图7所示。

图5 基于SP1000的实验结果图(输出电压设为24 V)

图6 基于SP1000并网变换器的实验项目结构

图7 并网变换器Simulink控制算法模型

通过SP1000软件配置控制器为控制步长10 KHz，PWM模式为互补对称模式，死区1 us等,如图8所示设置界面：

图8 控制器参数设置界面

然后在VIEW1000软件可以监控到电压波形、并网电流波形、直流电压和直流电流波形，同时可以通过静态框告知模型控制外环电压值等，如图9所示。通过录波功能，将实验过程的数据保存下来，利用Matlab的plot描点工具，将原始数据以图形形式展现出来。

图9 系统电压量和电流量曲线

将模型内部关键节点数据采用模拟量方式输出时，只需要调用SP1000的DAC模块驱动，然后通过实际示波器测量DAC接口即可。图10是将占空比与PWM信号同时测量的示波器屏幕截图，1通道为PWM实际输出波形，2通道为模拟量输出的占空比波形。

图10 占空比曲线

5 实践教学效果

为观测此系统的实践教学效果，以电气工程及其自动化专业的“电力电子与电力传动综合设计”实践教学为例。该课程旨在使学生进一步巩固和加深对“电力电子技术”“电机拖动”“自动控制原理”和“现代控制理论”等课程理论知识的理解，培养学生理论联系实际的能力、利用工程软件解决复杂工程问题的专业设计能力；使学生遵守安全实验规定、加强其环保意识；树立正确的专业志向，拥有求真务实、切问近思的科学精神。

严格遵循此实践课程的教学大纲，通过统计学生提交的课程总报告成绩，综合考虑实际操作、课程实验和答辩环节的分数，加权计算出课程目标的达成情况，并经过同行评价和第三方评价，进而得到课程质量分析报告，反映出每学年的教学质量。在此，为了便于说明问题，给出了2020-2021第二学年和2019-2020第二学年电气工程及其自动化专业学生的此课程达成度对比情况。统计结果如图11所示，表中横轴数字对应此实践课程的6个目标，纵轴表示达成度的数值。需要指出，2020-2021第二学年此实践课程教学采用了基于SP1000的实验系统，而2019-2020第二学年未采用。显然目标1、目标3、目标4相较于上一届，均有比较明显的上升，而其他课程目标达成度相差不大。从上述课程目标达成度对比可以看出，针对上一届学生基于问卷星反映出的问题：少部分学生对于基础的电力电子和电力传动以及自动控制知识掌握的不好，另外，上一届学生反应理论知识与实践课程有些脱节，存在实验结果不会分析等问题。本学年实践课程教学采用了此实验平台，指导学生自行搭建了功率变换器电路板，设计了基于SP1000的实验系统。这充分调动了学生的学习热情和对课堂及实验过程的积极性，使其关于电力电子与电力传动和自动控制方面的理论知识水平和实际操作能力都有了很大的提升。

图11 达到度对比情况

这说明本学期实践课程教学的确改进了之前存在的问题。绝大部分学生在实验过程中能积极进行系统的软硬件设计，熟悉此系统的基本原理，这一点在答辩环节体现得非常明显。因此，此实验平台的引入极大地提升了教学质量，取得了令人满意的课程目标达成结果。至于其它3个课程目标未见明显提升，主要是因为学生在撰写方面能力欠缺，在下一轮教学中，针对此问题将进行持续改进工作。

总之，基于此系统的实践课程不但注重个人学习能力的培养，还提升了学生团队协作和工程管理的能力；不但注重专业知识技能的训练，还使学生养成了在复杂社会环境中解决工程问题的思维方式。应该指出，实验平台的教学设计契合以生为本、成果导向、持续改进的教学理念。

6 结语

针对实践教学课程目标的要求，设计了一种基于SP1000的实验平台，给出了电气工程及其自动化专业“电力电子与电力传动综合设计”课程，自动化专业“控制系统综合课程设计”等实践课程教学的可行性方案。该实验平台的课程设计具有系统开发周期短、易于操作等优势，能够使学生建立起理论知识和实践能力相结合的体系，加深工程概念。基于教学实例，分析得出采用该系统持续改进了实践教学质量，课程目标达成度提升明显。