高校創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)特色解讀

岳雨霏 楊 禧 賈奧祺 孫博寧

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410114）

2017 年7 月，習(xí)近平總書(shū)記針對(duì)強(qiáng)化實(shí)踐育人和高校思想政治等問(wèn)題作出了重要指示。2020 年9 月18 日，習(xí)近平總書(shū)記在湖南考察時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要把課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)”；指出教學(xué)工作應(yīng)當(dāng)朝著更高質(zhì)量水平的目標(biāo)發(fā)展，共同建設(shè)高水平、高質(zhì)量的湖南特色高校教育。國(guó)務(wù)院提出全面加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，大幅度提升原始創(chuàng)新能力，組建若干國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)重組國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室體系。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點(diǎn)》[1-2]等相關(guān)文件要求，教育部積極推進(jìn)和加強(qiáng)智能信息技術(shù)與高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，持續(xù)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的使用效率和應(yīng)用能力，重點(diǎn)關(guān)注高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)操作性能。科技部、財(cái)政部對(duì)相關(guān)高校實(shí)驗(yàn)配套資源進(jìn)行整合與共享，要求高校項(xiàng)目立項(xiàng)后，其相應(yīng)的資源應(yīng)面向全國(guó)范圍在一定程度上免費(fèi)開(kāi)放和共享，并提供對(duì)應(yīng)的在線開(kāi)放服務(wù)。在國(guó)家大力支持下，全國(guó)高等院校積極開(kāi)展獨(dú)具特色的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)工作，逐步形成以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)、穩(wěn)定安全的開(kāi)放運(yùn)行模式、敬業(yè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍、不斷改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆u(píng)價(jià)機(jī)制以及具備示范作用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。[3-6]近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于仿真與實(shí)驗(yàn)充分結(jié)合的與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)的工作基礎(chǔ)仍較薄弱，湖南省目前將仿真虛擬環(huán)境與實(shí)驗(yàn)測(cè)試充分融合的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)極少，該類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)工作有待進(jìn)一步改善和強(qiáng)化。

本文利用實(shí)驗(yàn)與仿真相輔相成的教學(xué)思想，設(shè)計(jì)了一套面向“電力電子技術(shù)”課程并融合了全仿真、半實(shí)物、全實(shí)物多功能的創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)特色和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖1（p39）為創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用了分層遞進(jìn)的思路，將一個(gè)系統(tǒng)分解成多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)試，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解構(gòu)，降低了入門(mén)的難度和實(shí)驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。該創(chuàng)新型平臺(tái)將電力電子實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)層次。

圖1 創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

第一層，在上位計(jì)算機(jī)的MATLAB/Simulink 仿真環(huán)境下搭建模塊化結(jié)構(gòu)的全數(shù)字仿真模型，通過(guò)仿真測(cè)試結(jié)果，初步檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的可行性。

第二層，基于第一層方案驗(yàn)證，將全數(shù)字仿真模型中的控制算法進(jìn)行控制模塊封裝，借助CAN 通訊經(jīng)由實(shí)時(shí)仿真器，實(shí)現(xiàn)控制模塊生成物理控制器可識(shí)別的C/C++程序源代碼的操作，并將仿真模型的輸出控制信號(hào)經(jīng)接線端子下載到半實(shí)物仿真的物理控制器中。

第三層，通過(guò)半實(shí)物仿真調(diào)試結(jié)果，完成物理控制器發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)至電力電子變換器物理主電路的操作，測(cè)試整體實(shí)驗(yàn)裝置及方案的可行性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)物理主電路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線觀測(cè)。

2 創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)特色

2.1 平臺(tái)特色

2.1.1 教學(xué)性

創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的6 個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、4 個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)和1 個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等11 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅涵蓋了傳統(tǒng)的整流實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還提供了模塊化多電平波形發(fā)生器裝置測(cè)試、漏電測(cè)量與保護(hù)測(cè)試等新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)條件，三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可支撐“解決簡(jiǎn)單工程問(wèn)題能力→解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力→創(chuàng)新思維”的培養(yǎng)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可采用傳統(tǒng)模式的教學(xué)方法，學(xué)生在教師的規(guī)范示范下學(xué)習(xí)如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證理論的正確性。拓展實(shí)驗(yàn)可采用啟發(fā)式教學(xué)方法，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，在教師指導(dǎo)下綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)搭建電路完成實(shí)驗(yàn)。自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可采用討論式教學(xué)，學(xué)生利用平臺(tái)資源自主完成從方案設(shè)計(jì)到驗(yàn)證的整套實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并自主地運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。

2.1.2 創(chuàng)新性

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用分層遞進(jìn)的思路，將一個(gè)系統(tǒng)分解成多個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，降低了入門(mén)的難度和實(shí)驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。基于MATLAB/Simulink 模塊化搭建全數(shù)字仿真模型，初步檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的可行性；仿真算法通過(guò)封裝后下載到半實(shí)物仿真的物理控制器，檢查控制算法、寄存器配置等軟件設(shè)計(jì)的正確性；用半實(shí)物仿真調(diào)試好的軟件控制物理的主電路，測(cè)試整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的可行性。所設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真方式，不需要傳統(tǒng)硬件在環(huán)技術(shù)中高速采集卡和I/O 接口板，采用串口通訊實(shí)現(xiàn)物理部分和仿真部分之間的數(shù)據(jù)交換，雖然會(huì)增加一些時(shí)間消耗，但極大地降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)維成本，更適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.1.3 實(shí)用性

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用常用軟件和器件組建而成，（1）全數(shù)字仿真：硬件是上位機(jī)，上位機(jī)軟件是MATLAB/Simulink；（2）半實(shí)物仿真：軟件采用MATLAB/Simulink 和CCS，硬件有上位機(jī)和主控板（含主控芯片TMS320F28335）；（3）全實(shí)物實(shí)驗(yàn)：軟件是MATLAB/Simulink、CCS和監(jiān)控軟件，其中，MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)控制代碼的自動(dòng)生成并下載到DSP的flash，硬件是上位機(jī)、通用底板和功能模塊（包括電能變換電路、電源模塊、主控制板、檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路等單元）。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用硬件在環(huán)技術(shù)提供半實(shí)物仿真，將傳統(tǒng)全數(shù)字仿真和全實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，便于學(xué)生驗(yàn)證創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性和正確性。此外，實(shí)驗(yàn)硬件采用通用底板+功能單元形式，最高工作電壓為24V，降低了實(shí)驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維成本，增加了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通用性和可擴(kuò)展性。

2.1.4 先進(jìn)性

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可直觀了解四種交直流電能變換實(shí)驗(yàn)裝置，掌握實(shí)際電力電子功率器件特性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基本運(yùn)行原理。三個(gè)仿真和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可對(duì)電力電子裝置的實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)（仿真環(huán)節(jié)可利用Simulink 中示波器觀測(cè)仿真波形，物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可利用上位機(jī)監(jiān)控軟件或示波器觀測(cè)電壓和電流波形），并通過(guò)修改模型參數(shù)，觀測(cè)不同的實(shí)驗(yàn)波形，切身感受自行設(shè)計(jì)的模型或控制參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，在實(shí)驗(yàn)效果啟發(fā)下熟練掌握電能變換的工作原理、控制方法和參數(shù)設(shè)計(jì)原則。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

由表1 可知，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)相比，創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠貫穿課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛實(shí)結(jié)合，借助仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)將仿真模型與物理控制器完美結(jié)合，并融合了上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)全實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)的一次重大變革。

表1 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)可總結(jié)如下：

可開(kāi)展多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了全數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、全實(shí)物仿真三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可完成上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、仿真與物理控制器聯(lián)合運(yùn)行并在上位計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)波形觀測(cè)、仿真與物理控制器聯(lián)合運(yùn)行利用示波器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。高校教師可利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，提升學(xué)生對(duì)電氣類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的認(rèn)知水平與能力，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)創(chuàng)新方法進(jìn)行驗(yàn)證，使學(xué)生最終形成“解決簡(jiǎn)單問(wèn)題→解決復(fù)雜工程問(wèn)題→創(chuàng)新思維”的學(xué)習(xí)理念。

具備高開(kāi)源仿真系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可提供具有高度開(kāi)源性的仿真模型，學(xué)生可根據(jù)研究的理論和方法對(duì)控制模型進(jìn)行參數(shù)修正或架構(gòu)優(yōu)化，并利用仿真與物理控制器聯(lián)合運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)對(duì)所提方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)類(lèi)型易于擴(kuò)展。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于已有實(shí)驗(yàn)裝置，為用戶提供高兼容性接口，用于學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ā?/p>

3 結(jié)論

為了進(jìn)一步提高“電力電子技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平、增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力，本文構(gòu)建了一種適用于高校教學(xué)的創(chuàng)新型電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并對(duì)其教學(xué)性、創(chuàng)新性、實(shí)用性、先進(jìn)性等主要特色和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)仿真模型的實(shí)踐化，為電氣類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)時(shí)在線控制提供了一個(gè)有效可行的方案。