PSIM数字控制平台在电力电子类课程实验教学中的应用

代云中

摘  要：在“电力电子技术”和“新能源转换与控制技术”等电气工程学科的课程中，文章设计了数字平均电流控制BUCK电路的实验教学方案，提出在该类课程的实验教学中引入PSIM数字控制平台。该实验教学方案不仅能够使学生在实验过程中方便地获得电力电子系统的数字控制程序及其实验结果，还能够增强学生的动手能力，提高学生的工程实践与创新能力。

关键词：电力电子;数字控制;实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）07-0082-03

Abstract： For the courses of "power electronics technology" and "new energy conversion and control technology"， this paper designs an experimental teaching scheme based on digital average current control BUCK converter， and PSIM digital control platform is introduced. This reform can make students to easily get the digital control program and experimental results of power electronic system， which also can cultivate manipulative ability， and improve students' engineering practice and innovative abilities.

Keywords： power electronics; digital control; experimental teaching

一、概述

在“电力电子技术”和“新能源转换与控制技术”等电气工程学科的课程中都涉及到电力电子中的各种电力变换器技术[1]。该类课程在现代科学技术发展中具有重要作用，从普通工业、新能源转换与控制、交通运输、电力系统到一般家用电器都有广泛应用[2]。因此若学生能结合现实工程需要深入掌握该技术，将具有广阔的就业空间[3]。电力电子类课程的主要授课内容为AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC四大变换电路的原理和相应控制技术等，主要特点是应用性、实践性和创新性[4]。随着电力电子行业的数字化和智能化的提高，要求电力专业学生具有较强工程实践和创新能力。为了使学生适应现代电力变换技术、能源转换与控制技术进步的现实需要，要提高该类课程的学习效果，实验课程教学是必须的。然而现有多数高校本科电力电子类课程实验大多是模拟仿真平台，或MATLAB、PSPICE、Saber等现代仿真工具来实现。这些辅助软件本质上还是仿真，仅能简单验证理论的正确性，与真实的硬件实验、产品开发有较大不同，这就造成了学生学习完电力电子类课程后还是难以进行数字控制电力电子系统的硬件产品开发。针对该现实问题，固纬公司开发了基于PSIM及其数字控制平台，该平台不仅可进行电路设计、电力仿真还可以生成数字控制程序，然后结合该平台提供的电力电子硬件系统进行程序烧写和实验调试。因此，PSIM数字控制平台应用于该课程实践教学中就显得特别必要了。

二、认识PSIM及其数字控制平台

PSIM及其数字控制平台工作原理及其照片如图1所示，该平台目的在提供为学习数字控制电力电子的学生提供学习平台，让学生通过PSIM软件，除了学习电力电子变换器的原理、分析和设计，也可以通过PSIM的SimCoder工具将所设计的控制电路转换为数字控制程序，并可以用实际的DSP程序取代控制电路再做一次仿真。最后可将仿真验证正确的DSP程序烧录到DSP芯片中，再由DSP作为控制器控制变换器，以验证所设计电路及控制器的正确性。

图1 PSIM及其数字控制平台

三、数字平均电流控制BUCK电路实验教学设计

为了使学生能够快速理解掌握PSIM及其数字控制平台在电力电子变换器中的应用，本实验选择基本变换电路-直流降压变换器（BUCK）。数字平均电流控制BUCK电路实验案例设计分为五步。

第一步采用PSIM软件搭平均电流控制BUCK模拟连续时域系统进行仿真调试，这一步和传统基于PSIM的电路仿真相同。在本实验教学设计中系统参数为直流输入电压udc=12V，开关频率fs=20kHz，滤波电感L=0.6mH，滤波电容C=200uF，负载电阻R=2.5Ω，参考电流为Iref=2A，控制器采用平均电流控制。仿真结果如图2所示，从图2可以看出，电感电流iL约为2A，纹波电流约为0.2A，输出电压Vo约为5V。因此，PSIM模拟仿真结果验证了BUCK电路及其平均电流控制设计的正确性。

第二步将第一步的连续BUCK系统仿真改为离散仿真调试。具体实施方法如图2所示，在负载电流采样和控制器输出处增加零阶采样保持器，采样频率设为20kHz，且将连续PI控制器改为离散数字PI控制器。

第三步将第二步的离散系统电路仿真改为与硬件相匹配的数字离散控制仿真系统。具体实施如图2所示，将数字仿真中的比较器和载波信号替换为SimCoder库中的1-ph PWM模块，1-ph PWM的输入为平均电流控制器的输出，1-ph PWM的输出作为BUCK开关管硬件驱动电路的输入。此外，1-ph PWM模块开关频率设置为20kHz;由于实际控制芯片采用的是数字控制，需要将模拟信号转换为数字信号，因此需要在负载电流检测处增加Digital I/O中的模拟数字转换模块，其模拟仿真电路波形如图3所示。

第四步，当完成上述数字离散平均电流控制BUCK系统调试后就可以用PSIM SimCoder将数字控制电路部分生成DSP程序代码。

第五步利用软件平台自带的TI Code Composer將第四步产生的DSP程序刻录至DSP芯片进行实验调试。实验波形如图4所示，从图中可以看出V0约5V，iL约为2A，验证了PSIM数字控制平台产生的DSP程序的正确性。若要观察其它控制参数或控制方法对系统性能的影响，可改变控制参数或控制方法重复第一步到第五步，通过仿真和实验结果进行观察分析。

四、结束语

综上所述，PSIM及其数字控制平台为“电力电子技术”和“电力电子建模与仿真”课程提供了新的数字控制实验开发平台。本文基于PSIM及其数字控制平台设计了一个数字平均电流控制BUCK变换器实验教学，以此说明利用该平台进行教学的可行性和必要性。并可以根据课程学习内容，让学生自主进行参数和控制方法调整，观察不同控制参数或不同控制方法对电力电子电路的影响。以期加强学生对电力电子类课程核心知识的掌握，提高学生设计电力电子变换器的工程实践和创新能力。通过PSIM及其数字控制平台实施创新模式的教学方法，可显著提升学生实践动手能力，更适应社会发展对电气人才的需求。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]孙成正.基于PSIM三相桥式全控整流电路的仿真研究[J].安阳工学院学报，2014（2）：40-42.

[3]成新民，李祖欣.基于Multisim的电力电子电路仿真技术[J].现代电子技术，2004（21）：12-14.

[4]汪先兵，王祥傲.应用型本科院校电力电子技术实验教学模式的探索[J].滁州学院学报，2017，19（5）：128-126.