基于Matlab/GUI的電力電子電路仿真平臺構建

劉　芳, 吳成就, 潘俊濤

(北方民族大學 電氣信息工程學院, 寧夏 銀川　750021)

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基于Matlab/GUI的電力電子電路仿真平臺構建

劉芳, 吳成就, 潘俊濤

(北方民族大學 電氣信息工程學院, 寧夏 銀川750021)

基于Matlab的圖形用戶界面開發工具,構建了一套具有Windows風格的電力電子電路仿真平臺；以三相橋式全控整流電路為例,展示了該平臺的主要功能和實現方法。用戶無需具備專業的Matlab知識,即可利用該平臺進行工作原理分析、元器件參數設置、理論工作值計算并將仿真波形圖在仿真界面上以人機交互的動態方式進行實時顯示等一系列便捷操作。此外,該平臺還可供學生進行自主學習、自主創新設計。該平臺對于教師開展研究性和討論式教學,提供開放性實驗教學,增進學生對電力電子電路與系統的理解,提高學生自主學習和獨立研究的能力有一定的幫助。

整流電路; 仿真平臺； 人機交互界面； 圖形用戶界面

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化等本科專業的專業基礎課,也是一門實踐性和綜合性很強的必修課[1-3]。在“電力電子技術”課程教學過程中,常需借助大量波形圖來分析各種能量變換過程[4]。由于電路類型多、波形變化多,該課程不好講、不好學。為了在有限的課堂學時中能獲得更好的教學效果,開發一個電力電子電路仿真平臺是非常必要的。

1　構建電力電子電路仿真平臺的意義

在“電力電子技術”本科教學中,主要通過分析各類電力電子器件的通/斷情況來講解整流、逆變、斬波等典型電路的工作原理和電路各點的電流、電壓波形。對于大量的波形分析內容,不可避免地需要大量繪圖。然而,只靠圖形的說明,缺乏電路工作的真實性,并且在實際應用和電路分析中,學生難以直觀地看到波形的變化,所以感到波形分析復雜,從而影響學習的進度和效果。更為重要的是,相關教材只給出了主電路拓撲,而并未給出驅動電路及控制電路,使學生對電力電子電路的“系統觀”缺乏必要的理解和體會?？傊?電力電子技術教學具有理論與實踐并重、課時少、任務重的特點,但它又是電氣信息類專業本科生/研究生必須掌握的知識和研究生入學考試的必考科目。

南京航空航天大學基于Flash MX開發了一套ECWare1.0教學軟件,以二維動畫圖代替靜態波形圖和原理圖,提高了課堂教學的生動性和靈活性,提高了授課效率[5]。哈爾濱工業大學給學生提供了教師開發的硬件研究平臺和以PSpice、Matlab/Simulink為主的仿真實驗環境,通過構建研究性實驗教學體系，培養學生發現問題和解決問題的能力、自我獲取知識的能力[6]。這一平臺對學生的素質要求較為嚴格,對許多高校不具有可移植性和可借鑒性。華南理工大學采用PSim、Saber、PSpice等軟件開發了輔助課件,以提高學生的學習興趣和學習質量[7-8]。華北電力大學提出了一種基于Matlab和LabVIEW混合仿真技術的虛擬實驗方法,該方法能減少實驗設備的投入，且實驗不受時間和空間限制[9]。

筆者借助Matlab強大的電路仿真工具Simulink和便捷的圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)開發出一套電力電子技術仿真教學平臺。該平臺由整流、斬波、變頻、逆變、綜合創新等若干個子平臺構成,涵蓋了該課程的主要教學內容。利用該平臺,任課教師在課堂上能以人機交互的方式對相關內容進行講解,一方面可以使得枯燥且抽象的電路分析內容變得直觀生動,另一方面有助于加強實踐訓練,培養學生自主學習的能力,以適應培養卓越本科人才的需求[10]。本文以目前應用廣泛的三相橋式全控整流電路為例,闡述基于Matlab/GUI的整流電路仿真教學平臺的設計思想、整體功能及其實現方法。

2　面向對象的GUI設計流程

當前,基于圖形界面的人機交互模式應用廣泛[11],幾乎所有應用程序都是在GUI下運行的。用戶通過鼠標等輸入設備,可以方便地與計算機進行信息交流。Matlab中的GUI是包含窗口、圖標、選單和文本等圖形對象的用戶界面,每個圖形對象都有一個唯一的被稱為句柄(handle)的數字標識,獲取了圖形對象的句柄才能對該圖形對象進行控制、設置或修改屬性[12]。

GUI的建立大體有兩種方式:一種是利用用戶界面控制對象uicontrol、下拉式選單對象uimenu、內容式選單對象uicontextmenu等函數,以編程方式開發GUI,其缺點是GUI對象位置的配置對于初學者較難控制[13]；另一種是利用圖形用戶界面開發環境GUIDE，方便、快捷地創建用戶自己的GUI[14]。

GUIDE功能包括進行GUI面板設計和GUI組件回調程序編程[15]。使用這類開發環境,用戶只需通過鼠標將對象拖拽到目的區域即可快速地構建出GUI[16]。所開發的GUI是由窗口、光標、按鈕、選單、文字說明等圖形對象構成的一個用戶界面,用戶通過鼠標或鍵盤選擇、激活這些圖形對象,使計算機實現計算、繪圖、顯示等功能[17]。此外,這種方式在M文件的管理上也較為便捷。本文采用GUIDE構建了一套仿真平臺,既能在其GUI界面中嵌入仿真程序,又能將仿真的圖形化結果在仿真界面上以人機交互的動態方式實時顯示出來,具有界面友好、操作簡便的特點。圖1給出了GUI的設計流程,該流程遵循簡單化、一致性及習常性等原則[17-18]。

圖1　GUI界面設計流程

3　整流電路仿真平臺的實現

整流電路廣泛應用于直流輸電、直流電機拖動、開關電源等領域[19]。整流電路種類很多,按整流電源相數可分為單相和三相整流電路；按電路結構形式可分為半波、全波及橋式整流電路。

3.1整流電路仿真平臺主界面

本文根據王兆安所著《電力電子技術》一書中相關章節構建了整流電路仿真平臺主界面。該平臺包括單相可控整流電路、三相可控整流電路和電容濾波的不可控整流電路3個子仿真模塊,并對每個子模塊進行了細化。用戶只需點擊各模塊的“進入”按鈕即可進入相應的仿真界面。此外,為了便于用戶使用該整流電路仿真平臺,設計了“平臺簡介”浮動選單,點擊主界面選單欄中的“平臺簡介”選單即可調出簡介文本,并可將其自由拖拽到主界面的任意位置。

該平臺主要由GUIDE工具集中的選單、按鈕、坐標軸、靜態文本框和組合框等控件實現。對界面的設計包括界面控件的屬性、布局等。對界面控件屬性的設置包括背景顏色、Tag值、String 值、Value值等。屬性設計完成后,需要給控件編寫程序代碼來實現其功能。

3.2整流電路各仿真子界面

三相橋式全控整流電路適用于整流負載容量較大、直流電壓脈動較小的場合,是電力電子技術應用最為廣泛的電路之一[4]。本文以三相橋式全控整流電路仿真界面為例,說明仿真界面的主要功能及其實現方法。點擊主界面中三相橋式全控整流電路子模塊的“進入”按鈕,便可進入如圖2所示的仿真界面。界面的設計主要采用了靜態文本框、可編輯文本框、觸控按鈕、面板和坐標軸等控件來實現其功能,各個控件的功能通過編寫相應的回調函數來實現[17],主界面通過選單欄來切換各子界面。整個界面大體包含5個快捷選單欄、3個顯示區、1個參數設置區,此外還設計了4類按鈕。

圖2　基于GUI的三相橋式全控整流電路仿真界面

3.2.1快捷選單欄

快捷選單欄包括“整流電路選擇”、“電路工作原理”、“參考參數”、“仿真結果分析”、“幫助”5項。

“整流電路選擇”選單下設有子選單,方便用戶在整流電路子模塊仿真界面之間切換以及與Simulink工具箱的鏈接。

“電路工作原理”選單介紹仿真電路的工作原理,方便學生學習相關電路的工作原理。

“參考參數”選單主要對后臺Simulink構建的仿真模型中相關仿真參數的設置進行說明,方便用戶了解仿真參數。

“仿真結果分析”選單主要對仿真結果進行分析,將其歸納整理出來,便于學生掌握知識要點,分析問題和解決問題。

“幫助”選單用于標注整流電路Matlab仿真的相關注意事項,如模型的構建步驟及連接方法、仿真步驟、仿真結果的波形調整、仿真時間的設置等。

這些將為初學者——特別是對Matlab計算機仿真不甚了解的人員提供有效幫助。此類選單可通過建立GUI界面,在界面添加靜態文本框及輸入相關文字,然后通過回調命令“Callback”實現,其特點是在調用選單時無需關閉仿真界面。

3.2.2顯示區和參數設置區

在電力電子技術中,整流電路在不同條件下的輸出電壓/電流波形的測試和分析是技術的核心,因此，電路原理圖與仿真結果顯示、電路參數設置與計算結果顯示是平臺中最核心的內容。

“電路原理圖”顯示用戶選擇的仿真電路的原理圖,要實現電路原理圖，需先將坐標控件Axes拖至當前設計的面板上,調節尺寸并設置控件屬性,然后在M文件中編寫代碼,電路原理圖的顯示則通過imread和inshow函數實現。

“仿真波形”顯示Simulink運行后的仿真結果。在Simulink中構建的模型,其仿真結果可直接用示波器Scope模塊進行觀察。要實現仿真結果在GUI上顯示,就要求仿真平臺能實現GUI與Simulink之間的參數調用。然而,GUI與Simulink模型之間進行數據傳遞的困難在于:GUI界面實質是由多個底層函數所構成,其數據默認保存在建立GUI界面時自動生成的FIG文件中；而Simulink模型仿真的數據默認保存在Matlab的基本狀態空間內,兩者的數據無法直接相互調用。本文利用函數跨空間傳遞參數的方法[13]有效地解決了此難題。

“參數設置”采用可編輯文本框作為電源電壓、電阻、電感、脈沖觸發角的參數輸入區。設置參數后點擊“計算”按鈕,仿真電路的理論工作值就會自動顯示在GUI界面上的“計算結果”區,用戶可在仿真前對電路理論工作值進行驗證,以便與仿真結果進行比較。

3.2.3按鈕

(1) “計算”按鈕用于計算仿真電路的理論工作值。

(2) “仿真選擇”按鈕用于在不同的典型觸發角(0°、30°、60°、90°)之間進行選擇并將對應的波形繪制在仿真結果顯示區。其特點是可將某一典型觸發角對應的波形單獨顯示,亦可將4個波形同時放置于如圖2所示的仿真結果顯示區,以便進行分析。

(3) 點擊“顯示仿真模型”按鈕，可以在仿真平臺上以浮動選單的形式顯示相應的Simulink仿真模型。

為了方便用戶進一步了解整流電路的仿真模型和對仿真模型進行優化,進而達到創新實踐的效果,在GUI界面上設置了“其他波形”按鈕,點擊該按鈕即可進入系統后臺Simulink軟件構建的模型。圖3所示的三相橋式全控整流電路Simulink仿真模型即是點擊圖2中的“其他波形”后的效果。該按鈕動作是通過open_system函數來實現的。該控件的設置旨在使用戶進一步對具體電路的結構、參數設置及其工作過程進行深入了解與分析。需要說明的是,圖3所示的仿真模型是利用Simulink預先搭建的。

(4) “返回主界面”按鈕使得界面回到整流電路仿真平臺主界面。

(5) “退出”按鈕則使得界面退回到整個教學平臺的主界面。

圖3　三相橋式全控整流電路Simulink仿真模型及仿真結果

為了保持界面的統一性,整流電路仿真平臺的子界面設計風格基本一致。該平臺緊扣教學內容,包含了大量的仿真演示,每個仿真子界面均有詳細的幫助與原理說明。用戶可以在GUI界面改變元件的參數與條件,觀察、分析波形,還可以加載實例,自己動手編寫實驗?？梢暬慕缑嫘蜗笊鷦?、使用方便、交互性強,且具有較好的可擴展性[16]。

4　結語

計算機仿真是“電力電子技術”課程教學的一種有效手段,它既可以輔助工程設計、仿真分析和研究,也

可輔助教學。本文利用Matlab的圖形用戶界面開發環境GUIDE構建了一套具有Windows風格的整流電路仿真平臺,集電路原理說明、仿真參數設置、電路理論值計算、仿真波形顯示、仿真結果分析和輔助工具于一體。該平臺有利于開展研究性教學、開放實驗教學，培養學生的創新意識、激發學生的科研興趣,推進討論式教學、案例教學、網課等教學方法和合作式教學方式,提高學生自主學習和獨立研究的能力。

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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

國家自然科學基金項目(51367003)；寧夏回族自治區本科教學工程項目；寧夏回族自治區大學生創新訓練計劃項目(QJCX-2013-013)；北方民族大學教改重點項目(2013JY09-ZDB)

劉芳(1970—),女,寧夏中衛,博士,教授,碩士生導師,主要研究領域為電力電子技術及面向對象的計算機仿真技術.

E-mail：fangliu214@163.com

G642.4;TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0107- 04

虛擬仿真技術探索與實踐