朱文杰， 林旭梅， 馬兆興， 王素珍， 丁新平， 田艷兵

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是教育部與工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，是面向全國所有大學(xué)生的科技活動(dòng)，涉及高校、學(xué)生眾多。2015年共有1 097所高校、13 063支代表隊(duì)、39 189名同學(xué)報(bào)名參賽，參與高校和學(xué)生之廣泛可見一斑[1]。參加競(jìng)賽培訓(xùn)和比賽過程中，采用理論知識(shí)結(jié)合動(dòng)手實(shí)踐的學(xué)習(xí)方式，使得學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域的理論水平和工程技術(shù)能力迅速提高，為學(xué)生的職業(yè)發(fā)展鋪平了道路。

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽過程和培訓(xùn)時(shí)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制作和調(diào)試，前期設(shè)計(jì)需要大量理論計(jì)算和分析[3-6]，往往因?yàn)闀r(shí)間緊促或者疏忽大意而犯錯(cuò)，如果此時(shí)貿(mào)然進(jìn)行電路制版或者面包板焊接調(diào)試，會(huì)浪費(fèi)本來就不充裕的時(shí)間和精力，甚至還會(huì)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞或者人身傷害。如果在此之前，采用仿真技術(shù)對(duì)于所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，這將極大縮短方案設(shè)計(jì)時(shí)間和競(jìng)賽準(zhǔn)備時(shí)間，降低材料無謂損耗，大大降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。從長遠(yuǎn)來看，掌握熟練仿真技術(shù)之后，將為學(xué)生成長為優(yōu)秀工程師的職業(yè)之路提供極大便利。本文將主要針對(duì)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的電力電子類題目仿真助力進(jìn)行討論。

1 競(jìng)賽培訓(xùn)和試題分析的快速驗(yàn)證

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，針對(duì)電氣信息類專業(yè)本科生，是該類專業(yè)最高級(jí)別的全國賽事。全國高校學(xué)子同臺(tái)競(jìng)技，充分展示學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)功底和實(shí)踐動(dòng)手能力，競(jìng)賽結(jié)果反應(yīng)出高校相關(guān)學(xué)科本科實(shí)踐教育水平和競(jìng)賽培訓(xùn)的效果。

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的培訓(xùn)內(nèi)容很豐富，如電力電子方向培訓(xùn)更接近工程實(shí)踐和電氣電子產(chǎn)品研發(fā)：單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、微控制器外圍采樣和輸出電路設(shè)計(jì)、高性能信號(hào)鏈電路、電力電子功率處理電路。制作樣機(jī)的過程相當(dāng)于模擬了一個(gè)小型電子產(chǎn)品開發(fā)的完整流程，最后的目標(biāo)類似于培養(yǎng)一個(gè)電氣電子類的研發(fā)工程師[8-10]。

電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)過程和競(jìng)賽期間需要正確設(shè)計(jì)整體解決方案，通常學(xué)生通過查閱大量相關(guān)的書籍資料，經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算、推導(dǎo)和驗(yàn)證過程才能設(shè)計(jì)出效果良好的解決方案。而此過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，稍微不小心就會(huì)犯錯(cuò)，特別是在時(shí)間緊張且心情急躁的競(jìng)賽期間。如果設(shè)計(jì)方案有誤，會(huì)白白浪費(fèi)時(shí)間制作錯(cuò)誤電路，無謂耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)材料，還可能因?yàn)殄e(cuò)誤的電路連接引起設(shè)備故障或者人身傷害，最后嚴(yán)重影響競(jìng)賽培訓(xùn)的進(jìn)度，乃至競(jìng)賽成績。

為了實(shí)現(xiàn)快速有效的驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，提高培訓(xùn)和競(jìng)賽過程的效率，可以采用仿真驗(yàn)證的方法。仿真技術(shù)使得一些經(jīng)驗(yàn)性的思路和初步設(shè)想可以得到快速的驗(yàn)證。但電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目類型眾多，涉及內(nèi)容廣,如電力電子技術(shù)、電機(jī)控制、信號(hào)鏈電路、儀器儀表等。就單單電力電子類題目中就有好多種不同的類型。同時(shí)可供選擇的仿真軟件也琳瑯滿目，每個(gè)軟件針對(duì)的對(duì)象和特點(diǎn)都不盡相同。應(yīng)該根據(jù)培訓(xùn)或者題目類型來選擇合適的仿真軟件和方法，而國內(nèi)很少文獻(xiàn)專門針對(duì)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中電力電子類題目如何選擇仿真軟件和仿真方法的介紹。

本文將按照電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中電力電子類題目的內(nèi)容進(jìn)行分類，以具體真實(shí)的競(jìng)賽題目為例，分別給出快速仿真驗(yàn)證的解決方法，最后提出針對(duì)各種電力電子類型題目的推薦仿真軟件和仿真方法。研究結(jié)論有助于提高電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)和競(jìng)賽過程的效率，提高競(jìng)賽成績，更為學(xué)生的優(yōu)秀工程師成長之路打下良好基礎(chǔ)。

2 競(jìng)賽培訓(xùn)及競(jìng)賽內(nèi)容仿真效果分類解析

電力電子類題目的共同點(diǎn)是要對(duì)輸入的電能進(jìn)行處理，或者在交直流之間切換，或者在電壓等級(jí)上有所變換。但在主電路的結(jié)構(gòu)和功能上會(huì)有許多種類，因而其控制方法也不一樣。下面總結(jié)十幾年來大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的電力電子類題目，分類及其仿真方法。

2.1 線性電源及其控制

該類題目通常以線性的穩(wěn)壓電源、恒流電源或者電子負(fù)載為主要載體。以2012年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)制作(F題)”為例進(jìn)行說明。題目要求設(shè)計(jì)并制作電子負(fù)載，有恒流和恒壓2種工作方式。恒壓方式時(shí)，電子負(fù)載端電壓保持恒定，電壓值1～20 V步進(jìn)可調(diào)。恒流模式下電流值100 mA～2.00 A步進(jìn)可調(diào)。要求誤差為5%。在題目中還增加了恒電阻模式的要求[2]。具體的參數(shù)要求如表1所示。

表1 直流電子負(fù)載主要參數(shù)表

先從極限的要求看：最小的電流誤差是在恒流100 mA時(shí)的5%，也就是5 mA。要想采用開關(guān)電源的模式實(shí)現(xiàn)該精度的困難較大，故方案中采用MOSFET構(gòu)成的線性電源[7],具體方案如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)的步進(jìn)可調(diào)和對(duì)于不同參數(shù)的精確控制，采用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)更加靈活的不同參數(shù)分段反饋控制，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性和控制精度。

圖1 數(shù)字控制直流電子負(fù)載系統(tǒng)框圖

對(duì)于仿真的要求是兼具功率器件的特性和閉環(huán)控制方案，具體到這個(gè)題目中就是仿真模型需要不僅反映MOSFET的電氣特性，還需要對(duì)于數(shù)字反饋控制的方案進(jìn)行仿真。Saber軟件中的仿真元件庫既有常見各類型號(hào)的MOSFET、三極管、運(yùn)算放大器的仿真模型也有模擬控制、數(shù)字控制模塊及控制模塊與機(jī)械量、壓力和電氣量的互相轉(zhuǎn)換功能，完全可以實(shí)現(xiàn)題目中的電力電子器件以及恒壓恒流控制系統(tǒng)的整體仿真驗(yàn)證。

從圖2(a)中看出，方案中的單片機(jī)控制系統(tǒng)可以采用Saber里的控制器來替代。這里關(guān)鍵的一點(diǎn)是Saber中轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)電氣量和控制量之間的轉(zhuǎn)換，這在PSpice、Tina等軟件中實(shí)現(xiàn)起來很困難。由圖2(b)可見,采用仿真中的電路和控制方案，在給定值在1～20 V之間切換時(shí)，輸出電壓可以快速跟蹤期望值，且誤差完全滿足要求。在競(jìng)賽里學(xué)生也采用了此方案，取得了省一等獎(jiǎng)的好成績，性能指標(biāo)完全滿足題目的要求。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結(jié)果圖

2.2 直流開關(guān)電源及其控制

以2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽A題“雙向 DC-DC 變換器”為例，要求用30 V直流電源經(jīng)電力電子電路向5節(jié)18650型電池充電，要求最高效率大于95%；電池還可以反過來給放電，放電電壓需要穩(wěn)定在30 V[1]，具體參數(shù)如表2所示。線性電源的效率很低，最高的效率為70%，肯定達(dá)不到95%的要求，所以必須采用開關(guān)電源方案[7]。綜合功能性和復(fù)雜程度，選擇buck電路來實(shí)現(xiàn)。 該類型的題目，除了與圖2(a)中的主電路為開關(guān)電源電路及其驅(qū)動(dòng)電路不同外，其他如控制策略，檢測(cè)電路等大致類似。而Saber中有開關(guān)電源電路中所用的IR2110、UC3842等常見驅(qū)動(dòng)芯片，廠商提供的IGBT和MOSFET等開關(guān)器件，或者為了節(jié)約搭建模型時(shí)間，還可以用邏輯控制的理想開關(guān)來代替功率器件。所以直流開關(guān)電源主電路及其單片機(jī)控制系統(tǒng)的仿真完全可以用Saber輕松實(shí)現(xiàn)。

仿真的原理圖和波形圖如圖3所示。仿真所需的鋰電池、電力電子開關(guān)、比例積分控制器、調(diào)制用鋸齒波發(fā)生器等都可以直接調(diào)用，直接設(shè)置模塊參數(shù)即可。通過該電路充電電流的紋波大小、控制速度和控制精度等仿真結(jié)果，方便地選擇輸出電感、調(diào)節(jié)器參數(shù)等，給最后的參數(shù)設(shè)定提供了重要參考。從圖3(b)的啟動(dòng)輸出電流波形中看出，在10 ms內(nèi)達(dá)到期望值1 A；并在0.3 s時(shí)，命令值從1 A變化到2 A，輸出電流在0.01 s內(nèi)穩(wěn)定到2 A，精度和控制速度均十分令人滿意。在競(jìng)賽里學(xué)生采用此方案，取得了國家一等獎(jiǎng)的好成績，性能指標(biāo)完全滿足題目的要求。

表2 雙向DC-DC變換器主要參數(shù)表

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結(jié)果圖

2.3 交流開關(guān)電源及其較復(fù)雜控制方法

不同于直流電源的控制，交流逆變器輸出的控制或者是帶有最大功率跟蹤等特殊功能時(shí)，控制算法復(fù)雜[11-15]，再采用電路仿真軟件仿真就顯得十分費(fèi)力。推薦采用算法功能強(qiáng)大的Matlab軟件來編程實(shí)現(xiàn)。

這里以2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽A題“光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置”為例進(jìn)行說明，要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置。光伏電池用一個(gè)直流電源和一個(gè)模擬內(nèi)阻來代替，其中內(nèi)阻在30～36 Ω之間變化。輸出要求為工頻的正弦波，其頻率、周期和相位都要與電網(wǎng)正弦參考信號(hào)一致。要求在負(fù)載和內(nèi)阻變化時(shí)該變換器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能，具體的參數(shù)要求及指標(biāo)如表3所示。

表3 光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

常用的MPPT算法有恒壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法和干擾觀測(cè)法，實(shí)現(xiàn)起來需要計(jì)算功率、比較、選擇步長等，再用現(xiàn)成的模塊搭建就非常不方便，采用Matlab中Sfunction的編程功能則顯得非常靈活，通過改變關(guān)鍵的程序語句就可以改變算法，以驗(yàn)證不同的控制方法。實(shí)現(xiàn)MPPT電路及其控制的仿真如圖4所示。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結(jié)果圖

按照干擾觀測(cè)法編寫Sfunction實(shí)現(xiàn)MPPT控制，從圖4(b)的電路啟動(dòng)輸出功率波形中看出，在0.2 s內(nèi)達(dá)到期望值24 W；并在0.4 s時(shí)，內(nèi)阻值從36 Ω變化到30 Ω，輸出功率在0.2 s內(nèi)穩(wěn)定到最大功率29 W，功率控制精度和控制速度均十分令人滿意。在競(jìng)賽里學(xué)生采用此方案，取得了省一等獎(jiǎng)，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)達(dá)到題目的要求。

2.4 集成芯片控制開關(guān)電源

近年來，競(jìng)賽命題有向贊助商的一些特殊芯片傾斜的趨勢(shì)，如2016年TI杯20省市大學(xué)生電子設(shè)計(jì)聯(lián)賽A題 “降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源”[2]，要求用LM5117芯片和CSD18532KCS MOS場(chǎng)效應(yīng)管為核心器件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入電壓16 V，輸出5 V，3 A的電流。并滿足規(guī)定的負(fù)載調(diào)整率、噪聲紋波電壓峰峰值和電壓調(diào)整率等要求。具體的參數(shù)要求及指標(biāo)如表4所示。

表4 光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置

對(duì)于此類芯片及其外圍電路初步設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的時(shí)候，要是自己再建模型仿真就顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此TI公司提供了此類芯片的Pspice模型。采用TI公司提供TINA仿真軟件可以方便的調(diào)用這些模型，并合理配置外圍的控制器電路參數(shù)、主電路參數(shù)和采樣電路，很快就會(huì)建立起整個(gè)系統(tǒng)的模型。

根據(jù)該題目內(nèi)容所建立的模型和仿真結(jié)果如圖5所示。電路及外圍控制電路見圖5(a)，主電路采用同步整流的降壓電路，設(shè)計(jì)其工作在電流連續(xù)模式下，通過配置控制電路的參數(shù)，來取得比較理想的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓輸出波形。電路中主要的波形見圖5(b)，可以看出在啟動(dòng)1 ms內(nèi)，電路輸出Uout達(dá)到5 V，電感電流IL1連續(xù)，沒有降到零的部分，并進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在競(jìng)賽期間，學(xué)生利用TINA仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)方案的初步驗(yàn)證和設(shè)計(jì)，快速形成外圍電路參數(shù)，縮短了調(diào)試時(shí)間，各項(xiàng)指標(biāo)完成良好，指導(dǎo)學(xué)生取得了山東省一等獎(jiǎng)的成績。

(a) 仿真主電路圖

(b) 仿真輸出電壓結(jié)果圖

3 仿真軟件選擇和仿真方法的確定

3.1 線性電源及其控制

競(jìng)賽題目要求目標(biāo)電壓或者電流的紋波非常小，如電壓紋波小于10 mV，電流紋波小于10 mA，步進(jìn)可調(diào)的步長也分別在幾mV或者mA之內(nèi)。此時(shí)只有線性電源能夠滿足這些性能指標(biāo)，特別是對(duì)于轉(zhuǎn)換效率沒有特殊要求的場(chǎng)合。線性電源主電路中的常見廠家功率器件如MOSFET，IGBT，三極管等，單片機(jī)控制算法，運(yùn)算放大器電路驅(qū)動(dòng)等都可以方便地在仿真軟件Saber中實(shí)現(xiàn)。而其他仿真軟件中，Pspice側(cè)重模擬電路的仿真，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)字算法的仿真。Matlab側(cè)重控制算法的仿真，但對(duì)于具體功率器件的建模要自己完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用仿真軟件Saber可以將線性電源類題目實(shí)際方案的各部分聯(lián)合綜合仿真，準(zhǔn)確而方便驗(yàn)證方案的效果。

3.2 直流開關(guān)電源及其控制

該類題目有以下特點(diǎn)之一：要求電能轉(zhuǎn)換的效率高，如效率達(dá)到80%以上；同時(shí)具有升壓和降壓功能；轉(zhuǎn)換功率較大且重量要求要很輕；兩個(gè)以上電路均流輸出。仿真軟件中Matlab和Saber均適合此類仿真：具有各種理想的開關(guān)器件模型，驅(qū)動(dòng)和可編輯的數(shù)字控制算法模塊。文中以Saber為例對(duì)具體題目進(jìn)行了仿真并說明了仿真方法。

3.3 交流開關(guān)電源及其較復(fù)雜控制方法

交流電源控制通常采用比較復(fù)雜的算法：重復(fù)控制、諧振控制有時(shí)候還有各種最大功率控制測(cè)量。Matlab中的Sfunction模塊編程方便、靈活，各種運(yùn)算，數(shù)組操作和邏輯判斷等均可以輕松實(shí)現(xiàn)。另外Matlab中建有一般性的理想半導(dǎo)體功率器件的模型，可以直接調(diào)用，非常方便。

3.4 集成芯片控制開關(guān)電源

該類題目常常推薦某類專用芯片來實(shí)現(xiàn)題目中的主要功能，此芯片為贊助商獨(dú)有。因而采用贊助商提供的配套的軟件最為合適，可以利用建好的專用芯片模型對(duì)于芯片的外圍電路參數(shù)進(jìn)行快速驗(yàn)證，將會(huì)極大縮短樣機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間。

總之根據(jù)題目要求選擇仿真軟件和方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將在學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等學(xué)科競(jìng)賽中起到重要助手的作用：快速驗(yàn)證方案的正確性，避免原理性錯(cuò)誤引起的人身傷害和設(shè)備損壞，極大縮短競(jìng)賽調(diào)試時(shí)間。這些仿真軟件及仿真方法在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的作用也很明顯，文中所舉實(shí)例中所指導(dǎo)的學(xué)生均獲得省一等獎(jiǎng)。通過這一系列的培訓(xùn)，最終為合格研發(fā)工程師職業(yè)道路提供很大便利。

4 結(jié) 語

全面分析了10多年來的全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中電力電子類題目，將其分為線性電源、直流開關(guān)電源、交流開關(guān)電源和集成芯片控制開關(guān)電源等4個(gè)基本類型，針對(duì)性地分別提出了比較通用的解決方案，然后分析所提出實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論了如何快速準(zhǔn)確地用仿真來驗(yàn)證，特別是對(duì)于不同電路和控制方案給出了適合的仿真軟件選擇，以及仿真實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵模塊功能描述，另外給出了具體的仿真原理圖和仿真結(jié)果主要波形圖。