LabVIEW FPGA实时仿真在现代电力电子技术实验教学中的应用

茅靖峰， 申海群， 顾菊平， 华 亮， 李学祥

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)



LabVIEW FPGA实时仿真在现代电力电子技术实验教学中的应用

茅靖峰， 申海群， 顾菊平， 华 亮， 李学祥

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

为了提高“现代电力电子技术”课程的教学效果，将LabVIEW FPGA实时仿真技术应用于课程的综合性和研究性实验教学。通过设计基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流电机H桥PWM调速开/闭环控制教学案例，进一步增进学生对电力电子典型拓扑电路及其闭环控制系统的理解，强化学生对现代电力电子系统的多学科点交叉应用、整机综合分析、参数设计和测试技能的学习。教学实践表明，采用上述实时仿真教学，有助于学生对现代电力电子技术系统级的把握和工程实践能力培养，教学效果良好。

现代电力电子技术； 实时仿真技术； LabVIEW FPGA； PWM控制

0 引 言

现代电力电子技术是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的，是电气工程与自动化专业不可缺少的一门核心专业课，在培养该专业人才中占有重要地位[1-3]。

现代电力电子技术课程的教学不仅要求学生掌握电力电子拓扑电路的基本原理和计算方法，更重要的是培养学生对基于工程应用的电力电子电路及其控制系统的综合分析、设计和创新能力，因此综合性的实验教学是整个现代电力电子技术教学过程中的一个十分重要的环节。

传统的电力电子技术课程教学，受限于硬件实验装置的功能复杂程度和成本，多侧重于电力电子器件级的理论分析与特征验证，更强调基于电力电子器件的电路拓扑解算，使得学生们将电力电子技术过多地关注在电力电子器件上，弱化了学生们从装置级和系统级的角度对电力电子电路进行理解和认知，割裂了电力电子功率电路与基于反馈原理的数模电控制电路、自动控制原理、工程实际应用电路之间的关系[4]。

虚拟仿真技术恰好是弥补硬件实验条件不足的一种最有效工具，它能够模拟各种被控制对象和控制原型，以满足相关应用领域的开发设计和测试需求[5-7]。本文将LabVIEW FPGA实时仿真技术应用到“现代电力电子技术”的综合性和研究性教学实践中，取得了良好的教学效果。

1 LabVIEW FPGA的功能与特点

LabVIEW是图形化数据流的编程环境，能快速创建算法并解决各类工程问题。LabVIEW FPGA模块赋予NI可重配置I/O硬件终端的FPGA芯片以图形化开发功能。借助FPGA模块，用户可在Windows主机上利用LabVIEW平台开发FPGA VI程序，而不需任何有关底层硬件描述语言(HDLs)的知识。同时，NI公司以PXIe硬件系统为基础的LabVIEW FPGA模块可达到严格实时性的要求，LabVIEW执行硬件中的代码，准确并实时处理和生成同步模拟信号或数字信号。用户可创建可直接访问I/O且具有用户定义的LabVIEW逻辑的嵌入式FPGA VI程序，从而实现数字协议通信、快速控制原型RCP(Rapid Control Prototyping)以及硬件在环仿真HILS(Hardware in the Loop Simulation)等应用的硬件自定义[8-9]。

LabVIEW FPGA实时仿真系统为快速控制原型与硬件在回路仿真两方面应用提供了一体化解决途径。目前，LabVIEW FPGA在航空、航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、新能源、驱动及工业控制等领域开始得到广泛应用[10-13]。

2 实时仿真技术应用实例

2.1 实验内容与目的

利用LabVIEW FPGA系统完成基于H桥驱动主电路的直流电机PWM调速开/闭环控制的快速原型设计仿真。该实验案例需要学生掌握电力电子H桥电路的拓扑结构、MOSFET开关管的驱动电路、直流电机的PWM控制原理以及H桥电路的恒压输出PID闭

环控制系统。

通过实验可以巩固与深化H桥电路PWM控制的原理、形象地了解电力电子PID闭环控制系统的作用，掌握LabVIEW FPGA的实际应用技能，锻炼学生在电力电子系统应用设计过程中综合运用多学科知识的能力，培养学生发现问题、分析和解决问题的科研能力和工程素养。

2.2 实验硬件配置

本实验的硬件平台为NI R系列多功能RIO设备，基于可重配置的FPGA芯片以及芯片外围用于模拟和数字输入输出的固定I/O资源。设备与外部连接使用的是NI SHC68-68-EPM性能增强型屏蔽电缆和NI SCB-68A屏蔽式I/O接线盒。软件部分主要使用LabVIEW 2014和FPGA设计模块。被控对象包括12 V/1.68 A的直流电机，以及基于MOSFET开关管的双H桥电路和通用霍尔电压电流调理检测电路，电路板实物如图1所示。

(a) 双H桥电路

(b) 霍尔检测电路

本实验采用NI PXIe-1062Q机箱，它具有4个PXI外围插槽、1个具有系统定时功能的PXI Express插槽、2个既可接受PXI外围模块又可接受PXI Express外围模块的PXI Express混合插槽。其中需要使用到NI PXI-7854R板卡提供可编程FPGA芯片。NI SHC68-68-RDIO电缆，NI SCB-68A 屏蔽式68针接线盒用于将I/O信号连接至配有68针连接端口的插入式DAQ设备。连接屏蔽式电缆时，SCB-68A可提供坚固且噪音极低的信号终端。实物为图2所示。

图2 PXIe机箱及FPGA板卡

2.3 实验步骤

基于LabVIEW FPGA快速原型方式的直流电机H桥PWM调速开/闭控制系统的实验设计过程，主要包括以下步骤：

(1) 了解LabVIEW FPGA工作原理，熟悉PXI平台中相关板卡的各引脚功能以及使用方法；

(2) 查阅NI公司的产品说明书和用户手册，并进行I/O口的硬件例程测试；

(3) 利用FPGA设计模块编写占空比可调节单路和多路实时PWM发生器VI程序，并将程序编译到FPGA中进行PWM输出引脚测试；

(4) 编写FPGA 的转速采集和PID算法VI程序，将PID模块与实时PWM发生器模块连接，进行闭环回路的功能测试和参数优选；

(5) 进行LabVIEW主VI和控制界面的编写，并进行整个开/闭环控制程序的调试，以及外部硬件及I/O接口的连接；

(6) 通过LabVIEW主控制界面，实现对直流电机转速的开/闭环控制，通过对参数设置值修改与转速波形的结果分析，得出实验结论。

2.4 快速原型建模

2.4.1 实时PWM发生器建模

利用LabVIEW FPGA来实现脉冲宽度调制(PWM)信号的输出，其数据控件的设计步骤为“Functions→FPGA I/O→I/O Method”，可以设置PWM发生器信号的周期和脉冲宽度，这两个参数都通过指定FPGA的时钟周期(节拍)“Functions→Timing→Loop Timer”来实现，当然也可以选择微秒或者毫秒模式的循环定时器和等待时间参数。

一个H桥电路需要有4路PWM控制输入，因此，可以复制4条I/O Method单路程序予以实现，但这种方法复制了大量的代码，占用了FPGA的很多空间使得效率很低。为此，可以设计一个基于多线逻辑的实施方案，使用一个循环更新4个PWM信号，4条线路都包含在一个数字端口中，而该端口作为一个整体进行更新。编程时使用板载内存来存储PWM设置，极大地减少了该程序所需的FPGA空间量，特别是对额外的输出通道使用多个端口时。图3为PWM多路输出程序[15]。

2.4.2 实时转速采集建模

当磁通恒定的时候，直流电机的转速与电压近似成正比，因此，可通过7854R板卡的模拟输入端口来采集电压数据，以获得实时的转速信号反馈量。7854R板卡的输入端口有三种输入模式，可通过软件选择，分别为差分(DIFF)、参考单端(RSE)和非参考单端(NRSE)三种模式[11]。

配置输入通道和进行信号连接时，必须首先确定信号源是浮动的还是接地的。需要注意的是浮接信号源在进行差分输入时要分别在接线端并联一个偏置电阻到板卡共地端。如未使用电阻，且信号源为浮接信号源，信号源可能不在仪器放大器的共模信号范围内，从而导致错误读数。参考单端模式，输入信号连接至仪器放大器的正极输入，仪器放大器的负极输入接地。使用此模式的条件为输入信号为大于1 V的较高电平，连接信号的导线长度小于3 m并且输入信号可共享一个公共的参考点。非参考单端模式与参考单端模式的不同是信号的接地端应连接至AISENSE。在单端输入模式下，信号连接的静电噪声和电磁噪声多于DIFF输入模式。

图3 实时PWM多路发生器输出

为了保证信号的完整度，本实验使用差分输入模式，因为是浮接信号源，所以并联了一个10 kΩ的电阻。此板卡测量的电压输入范围为±10 V。

2.4.3 实时PID控制建模

实验中使用的PID控制器是在FPGA终端上实现的“Functions→FPGA Math→Control→PID”，PID比例、积分和微分增益表示为字节长度为16，整数字节长度为8的有符号定点数。分别给定比例增益(Kc)、积分时间(Ti,min)和衍生时间(Td,min)，可以根据下式归一化上述增益：

式中:Ts为PID循环运行时的采样时间。数字PID控制器的输出为:

式中:

用户可对FPGA进行重新配置，以满足测量和控制系统的要求。可将用户定义的动作通过FPGA VI实现，以创建一个应用程序特定的I/O设备。

2.4.4 系统总体模型整合

实时仿真系统总体模型软件部分包括：主机界面、上位机LabVIEW主VI程序、FPGA板卡VI程序(包括数据采集、PID控制和实时PWM发生)。FPGA VI程序实时采集电压(转速)信号，将其与用户给定转速值进行比较，形成反馈偏差数据，再输入PID算法计算，最终产生PWM控制信号。上位机LabVIEW主VI程序是对FPGA采集的数据进行处理和图形化这些数据；主机界面是为了方便调节、设置电机控制模式和控制参数。图4为直流电机PWM调速开/闭环控制系统的软件结构图。

图4 系统软件结构图

建立新的工程的同时，将需要用到的端口添加到工程中，并新建FPGA目标后，在该工程目录下进行FPGA程序的编写。新建FPGA目标顺序为“My Computer→New→Targets and Devices→FPGA Target”中选择所需要的目标。

从图5的FPGA VI图形化程序中，可以直观的看出程序的执行步骤，LabVIEW顺序执行结构的优点就体现出来了，所有时钟都是FPGA的自带时钟，FPGA的突出优点就在于可以保持精确的时序，其中PID的执行周期为微秒级别，PWM的执行周期为毫秒级别。

为了存储采样数据，需要使用FIFO寄存器“FPGA Target→New→FIFO”，一次存储20个数据。本实验采用DMA FIFO方式来传递数据，使用DMA方式可以使传输数据的双方都不需要CPU参与进来，内存中的数据可以直接通过DMA控制器传输到另一方的内存中，这样大大提升了传输效率。

3 实验结果与分析

先将FPGA 板卡的VI程序进行编译写入硬件，然后运行程序，代表转速的电压信号通过接线盒采集到7854R板卡的FIFO寄存器中，经过处理后，再与上位机LabVIEW主VI程序进行数据传递，最后，上位机主程序将数据通过图形化的方式在主界面显示出来。系统运行主界面如图6所示。

图5 FPGA VI程序

图6 LabVIEW开/闭环控制界面

图6中，采集电压的范围根据实际的反馈值设置为0～10 V，代表转速0～1 500 r/min。转速反馈值是通过FPGA采集20次电压的平均值转换过来的，这样能使反馈值更加准确又不影响速度控制精度。PWM占空比从0%～100%变化，表示开环状态下，H桥电路输出平均电压由零到额定工作电压。实验中PWM信号的频率设置为100 Hz，采样频率为2 kHz。

3.1 开环PWM调速实验

将主机界面的开/闭环控制模式开关拨到开环位置。此时，PID闭环控制回路断开，需要手动调节PWM占空比进行直流电机调速。

先将占空比设置为100%，然后启动程序，直流电机转速快速达到1 480 r/min且稳定运行。再将占空比从100%顺序阶跃调整到70%和35%，直流电机转速则与PWM占空比成比例地下降到1 036 r/min和518 r/min，达到新的稳定运行转速。获得的转速与占空比波形如图7所示。

图7验证了H桥电路的直流电机PWM线性调速能力，以及FPGA快速原型程序的正确性。

直流电机在占空比70%条件下稳定运行时，H桥工作电压突降25%，电机的转速变化波形如图8所示。

(a) 开环转速波形

(b) 开环占空比设置

图8 转速开环带扰动实验波形

该图表明，开环PWM调速控制模式下，外部扰

动，如H桥电路电压变化，会导致直流电机转速变化。该模式下，PWM占空比不能跟随外部扰动而变化，使得转速运行不恒定，即不具备抵御外部扰动的能力。

3.2 闭环PWM调速实验

将主机界面的开/闭环控制模式开关拨到闭环位置。此时，PID闭环控制回路接入，PWM的占空比为PID算法的输出量，转速给定手动设置。

随机设置转速给定，直流电机的实际转速可以实现快速跟踪，如图9所示。

(a) 闭环转速跟踪波形

(b) 闭环PWM占空比PID调节波形

当直流电机分别稳定运行在1 200 r/min和400 r/min的转速状态下，突然加入H桥工作电源的动态扰动，如图10所示，电机转速出现波动后，很快可以恢复到原设定值。

(a) 高速扰动

(b) 低速扰动

该实验表明，在闭环PWM调速控制模式下，由于PID的调节作用，PWM占空比可以跟随外部扰动而变化，使得转速运行恒定，即具有抵御外部扰动的能力。

通过上述设计的实验过程，学生可以触摸到实物，看到实际波形，真切地感受到系统调整参数引起的波形变化情况。再通过多种类波形图的分析，可进一步加深对电力电子H桥电路PWM控制的工作原理、开环/闭环控制的结构与方式，及其对直流电机恒转速控制的影响等内容的理解。达到了实验教学的目的。

显然，相比于传统的计算机软件数值仿真实验方式，基于真实被控对象的LabVIEW FPGA快速控制原型实时仿真实验方式，学生在工程动手能力上获得了锻炼，学习的趣味性也获得了提高，对于知识点概念理解更直观，对实验过程和结论分析的印象更深刻，更利于对复杂系统知识的掌握，可获得更好的教学效果。

4 结 语

LabVIEW FPGA实时仿真技术作为现代电力电子技术课程综合性和研究性实验教学中的有效手段，可以解决复杂实验硬件设计制作周期长成本高、抽象的控制理论与概念不易形象化理解等难点，有利于将学生的学习关注点从“电力电子电路本体”验证性实验的传统思维过渡到对“电力电子电路及其控制系统”的综合分析、整体设计和测试的多学科工程应用能力培养上。这种新兴技术和新型实验教学方法，对提高现代电力电子技术实验教学质量，改善实验教学效果起到了良好的作用。

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Real-time Simulation of Modern Power Electronics Experiment Teaching by Using LabVIEW FPGA

MAOJing-feng,SHENHai-qun,GUJu-ping,HUALiang,LIXue-xiang

(School of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China)

In order to improve teaching quality of modern power electronics course, LabVIEW FPGA real-time simulation technique is applied to deign comprehensive and research experiments for the course. In this paper, an application experiment named as DC motor H-bridge PWM open/closed loop control system based on LabVIEW FPGA is design by using the rapid control prototyping method. The experiment is beneficial to students, it not only comprehends the complex working principles of traditional power electronics circuits as well as its closed loop control system, but also enhances the practical capabilities of multi-discipline cross application, general system analysis, parameter calculation, and test skills. Teaching practices prove that, the LabVIEW FPGA real-time simulation technique is a powerful tool in modern power electronics experiment teaching. The teaching quality is good, and it helps greatly for students to engineering practice ability cultivation.

modern power electronics; real-time simulation technique; LabVIEW FPGA; PWM control

2015-11-23

江苏省高校品牌专业建设工程一期项目；江苏省高等教育教改研究项目(2015jsjg234)；江苏省研究生教育教学改革研究室与实践课题(2012-96)；江苏省高等学校大学生创新训练计划项目(201510304083X)

茅靖峰(1976-)，男，浙江宁波人，博士，副教授，研究方向为风力发电技术、电机及其控制。

Tel：15962979189；E-mail：mao.jf@ntu.edu.cn

G 642；TM 92

A

1006-7167(2016)09-0108-06