仿真軟件在課程設計中的綜合運用及問題對策

許俊云

華南農業大學工程學院 廣東廣州 441052

仿真軟件在課程設計中的綜合運用及問題對策

許俊云

華南農業大學工程學院 廣東廣州 441052

介紹了一種指導學生綜合運用仿真軟件進行電力電子技術課程設計的方法。通過對兩種仿真軟件特點的分析，引導學生利用Matlab/Simulink的系統級仿真功能輔助進行電力電子主電路的設計，利用Orcad的器件級仿真功能輔助進行電力電子控制電路的設計，并針對仿真軟件在仿真中容易出現的收斂性問題提出了一種有用的對策。實踐表明，這種綜合運用仿真軟件輔助電力電子技術電路設計的方法有效地幫助學生提高了課程設計的效果和效率。

仿真；課程設計；效果；效率

高校實踐教學是一項需要不斷創新的工作，實踐課教師有必要探索新的實踐教學方法，改進實踐教學效果。因此，筆者在本校電氣工程及其自動化專業的專業課—電力電子技術的實踐教學的指導方法上做了改進，引導學生采用一種綜合應用仿真軟件輔助電力電子電路課程設計的方法。

1 電力電子電路常用仿真軟件特點分析

目前在電力電子電路設計和分析上主要采用Matlab/Simulink和Orcad/Pspice這兩種仿真軟件。在Matlab/Simulink仿真平臺，電力電子器件模型使用的是簡化宏模型，它只要求元器件的外特性與實際元器件特性基本相符，而不考慮元器件的內部細微結構，屬于系統級模型。 Orcad/Pspice是不同于Matlab/Simulink的仿真平臺，它構建的元器件模型除了要求元器件的外特性與實際元器件特性相符，還要考慮元器件內部的細微結構，相比Matlab/Simulink的宏模型更詳細，更復雜，是屬于器件級的模型，用Pspice仿真可以細致地反映元器件的工作情況。雖然Matlab/Simulink的電力電子器件模型較為簡單，但是它占用的系統資源較少，因而在仿真時出現不收斂的幾率相比Orcad/Pspice要少。鑒于此，可以考慮將這兩種仿真軟件有機結合起來，取長補短，以提高仿真的效率。

下面以一種基于TL494控制的開關電源的設計為例，介紹在電力電子技術課程設計實踐教學中建議學生采用的綜合性設計方法。

2 基于TL494控制的開關電源設計舉例

本示例要求設計出一種以TL494為控制器件的開關電源，電源電壓范圍為0～12 V。要求該開關電源性能可靠，紋波電壓小，控制精度高。

2.1 設計步驟1—主電路的原理電路設計

主電路的原理電路設計方案利用所學知識，學生容易確定。如本設計中的主電路可采用常規的非隔離式Buck電路，開關管采用P溝道MOSFET，驅動采用“圖騰柱”電路，輸出電壓反饋電路由一個比例運放電路構成(如圖1所示)。

圖1 主電路、驅動電路及電壓反饋原理電路

2.2 設計步驟2—控制電路原理電路設計

控制電路原理電路方案參照相關資料，并利用所學自動控制理論知識，學生也較容易確定。本部分要求以TL494作為控制芯片。

TL494控制原理電路(如圖2所示)，1和2腳前接上兩相同阻值的電阻，起到限流阻隔的作用，其中1腳接主電路輸出反饋電壓Vo，2腳接設定電壓Vset，當改變Vset的值時，Vo和Vset經誤差比較后控制PWM信號的輸出；3腳經一個PI比例積分回路串上2腳，起到反饋的作用；4腳接地；5腳經一個電容接地，6腳經一個電阻接地，5，6腳共同構成振蕩回路；8，11腳與12腳共同接工作電壓；13腳接地，使9，10腳以并聯工作方式輸出。

圖2 TL494控制原理電路

2.3 設計步驟3—開關電源系統仿真預設計

這個環節是整個設計的重點和難點。對學生而言，設計原理電路并不難，難的就在于如何確定原理電路中具體的元器件參數，在這方面學生缺乏經驗。

2.3.1 仿真軟件使用方案及問題對策

按常規設計方法，直接將Orcad/Pspice仿真軟件用于電力電子電路設計，對初學者特別是學生來說，往往困難較大。學生在使用該軟件的時候，很容易碰到仿真不收斂的問題，從而一籌莫展。

因此，在教學實踐中，引導學生首先利用Matlab中Simulink仿真平臺仿真快而不易出現收斂問題的優勢進行主電路的仿真設計，較高效地確定出主電路中的電感、電容和電阻的最佳參數值。然后再利用Orcad/Pspice仿真軟件進行控制電路的仿真設計。控制電路部分設計的難點在于PI參數的選擇，因此要引導學生采用Orcad/Pspice仿真軟件來進行。因為Orcad/ Pspice是器件級仿真軟件，仿真精度高，輔助控制電路參數的確定最佳。

對Orcad/Pspice在電力電子電路整體仿真中容易遇到的收斂性問題，筆者通過和學生一起分析研究、查找資料，積累了一些解決問題的經驗。實踐表明，這些經驗對開關電源系統電路的仿真設計是有用的。下面給出一個對此問題有用的對策。

在用Orcad/Pspice進行仿真調試的時候，經常出現ERROR -- Convergence problem in transient analysis at Time =？ Time step =？, minimum allowable step size =？這個問題。一個有效的解決方法就是修改參數。系統默認參數及參數修改的方法如圖3和圖4所示。

圖3 PSpice系統默認參數

圖4 參數修改圖

2.3.2 系統仿真輸出波形圖示例

通過對不同參數條件下仿真結果的比較，按照開關電源紋波電壓小，控制精度高等要求可確定原理電路參數。下面是利用仿真平臺方便的參數比較功能得出的主電路最佳仿真輸出波形圖及控制電路采用最佳PI參數值時系統的輸出電壓仿真波形(如圖5，圖6所示)。

圖5 主電路負載電壓仿真輸出波形(Simulink)

圖6 總電路負載電壓仿真輸出波形3(Pspice)

圖5是在開環狀態下選擇出的相對最優電感、電容和電阻參數值下的負載電壓波形；圖6是在控制電路選用相對最優比例系數和積分電容參數時的負載電壓波形。

2.4 設計步驟4—實際開關電源系統測試

依據仿真預定元器件參數構建出具體的電路。在實驗室調試中，要求學生利用示波器等檢測儀器分析電路中的問題，幫助進一步確定最佳元器件參數。下面是對系統進行實際測試的一些數據(見表1，表2)。

表1 輸入設定電壓和輸出實際電壓

表2 輸入設定電壓和輸出實際電壓

實驗測試結果表明：本電路系統可以穩定地輸出0～12 V的直流電壓。

實踐表明，引導學生將不同仿真軟件綜合應用于電力電子電路的設計，不僅能有效地幫助學生提高電路設計的效率，而且對開拓學生思維，培養學生的創新能力也是有益的。

[1] 許俊云.實驗設備的改進與使用[J].實驗室研究與探索,2010,8:337-339.

[2] 洪乃剛.電力電子、電機控制系統建模與仿真[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3] 盧學英.關于高校實驗室開放的研究[J].實驗技術與管理,2006,5:122-124.

Comprehensive application for the simulation software in the course design and the measures for some problems

Xu Junyun
South China of agriculture university, Guangzhou, 441052, China

Introduced a method for conducting students to apply the simulation software comprehensively to do course design about the power electronics system. Through analyzing the characteristics for two kinds of simulation softwares, guided students to use Matlab/Simulink to do power electronic main circuit design, and to use Orcad/Pspice to do the power electronic control circuit design, and give a useful measure for convergence problem in the simulation. The practices show that the comprehensive application of simulation softwares can effectively help students improve the effect and eff ciency of the power electronics circuit design.

emulation; course design; effect; eff ciency

2011-11-29

許俊云，碩士，工程師。