一种新型Buck电路调试实验平台的设计与实现

张波涛，王 琦，刘 追，徐 蔚

(武汉科技大学a,计算机科学与技术学院，b.信息科学与工程学院， 武汉，430081)

一种新型Buck电路调试实验平台的设计与实现

张波涛a，王 琦b，刘 追b，徐 蔚a

(武汉科技大学a,计算机科学与技术学院，b.信息科学与工程学院， 武汉，430081)

Buck电路常见于DC-DC系统中。针对不同需求的DC-DC系统，必须对Buck电路进行不同的测试实验，以确保其工作性能符合要求。针对常用物理测试实验系统灵活性欠佳的缺点，设计了Buck电路半实物实验平台。在软件中建立Buck电路测试系统仿真模型，对IGBT#的控制单元利用TMS320F28335实现PWM控制，通过eMEGAsim实时仿真器，将控制单元信号输入到测试系统软件模型中，形成控制回路。通过测量可知，软件系统控制信号能够与控制单元实际输出控制信号保持一致，有效控制Buck电路输出电压值。该实验平台中软件和硬件均能够进行灵活修改，可用于对Buck电路控制单元的性能调控与测试中。

Buck电路； 脉冲宽度调制； 实验平台； 半实物仿真

0 引 言

Buck电路是DC-DC电源中的重要组成部分，能够实现从直流到直流的降压变换，被广泛地运用在各类直流供电系统中。对于Buck电路控制性能的研究，一直是电动汽车、新能源发电、智能电网等相关领域的研究热点之一。近年来，基于Buck电路新控制方法的设计研究很多，均需要对其控制性能进行分析、调试或实现，主要采用到的性能评估方法有仿真分析、板极测试分析和实验测试等。其中文献[1-2]中主要采用了软件仿真对Buck电路的新型控制方法进行分析研究，在软件中建立控制算法和控制电路仿真模型，把控制仿真模块输出的信号连接到全控元件中控制其导通和开端。仿真分析便于对控制系统的超调量、超调时间、鲁棒性等进行观察和分析，主要侧重于控制算法性能分析。文献[3-5]中对于Buck电路中的元件控制部分进行了硬件实现，将控制算法通过DSP、PLC等实现，并设计电路，形成完整的控制器模块，然后对控制器进行板极测试，观察测量整个控制器的控制性能。这种调试方法面向了整个Buck电路中的控制器，有利于分析控制器的实际工程特性。上述两种研究调试手段虽然在其特征分析中各具优势，但是都无法完整呈现整个Buck电路在直流系统中的使用特性。文献[6-9]中均搭建了实验系统，将所研究的Buck电路应用到物理系统中，得到相关实验数据。搭建物理实验系统来分析Buck电路固然有利于对其进行分析研究，但是在以下方面存在不足： ① 过程安全性无法得到完全控制。物理实验中的电源需要采用直流电源或者等效电容，滤波电路必须使用电容和电感，负载至少需要大电阻。上述总成元件都需要确保其在使用过程中的安全性。② 实验系统缺乏灵活性。不同的Buck电路由于应用环境不同，需要不同的测试条件，物理实验系统无法随之任意改变。③ 实验成本较高。物理实验需要购置大量实验材料和测试仪器，成本较高。

针对以上不同调试方法的优缺点，本文设计开发Buck电路性能调试半实物实验平台，能够综合软件仿真测试分析、板极测试分析和实验测试分析的优点[10-13]，确保实验过程安全可靠，实验结果真实可信，节约实验成本，大大提高了实验的灵活性。

1 半实物实验系统构成

本文中搭建半实物实验系统使用了eMEGAsim实时仿真平台。系统主要有软件和硬件两大部分。软件采用其配套的工业级系统平台软件包RT-LAB，利用该软件可以在一个半实物仿真平台上去实现包括工程项目的设计和实时仿真以及快速原型与硬件在回路测试的全套解决方案。硬件为型号OP5600目标机。OP5600配置FPGA板，可用于管理模拟和/或数字I/O，在I/O接口有6个可配置组(32个数字信号I/O线或16个模拟信号I/O线)，采样时间为100 MHz或200 MHz。

2 实验平台设计与实现

2.1软件部分设计

在Matlab/Simulink中搭建Buck电路测试系统的仿真模型，整个系统由电源(蓄电池)、IGBT以及控制单元、滤波单元和电阻负载组成。仿真模型如图1所示。图1中黑框中部分为Buck电路的控制单元，可以根据Buck电路的服务对象设置。其他为供电电路系统。仿真模型中各元器件的主要参数见表1。

在RT-LAB中对图2中的模型进行分割解耦，形成SM_MAIN模块和SC_SCOPE模块。

在SM_MAIN模型中，设置信号接口，图3中黑色框内部分为控制单元，负载端电压由电压表模块采集后通过增益环节将其缩小至±5V的范围，在点1处，

图1 测试系统Simulink仿真模型

表1 仿真模型主要参数表

图2 RT-LAB模型

连接I/O板卡控制，将端电压信号以模拟量的形式输送到下位机OP5600仿真器，并连接到控制单元硬件中，由控制单元硬件产生控制信号，再通过I/O板卡，输送到软件中的点2，并控制软件中的IGBT模块。

图3 接口设置

2.2控制电路设计

Bcuk电路由控制电路和主回路两部分构成。主回路中的开关元器件使用IGBT，二极管使用二单元IGBT中的反并联二极管。IGBT驱动电路选择PI公司的2SP0105。控制电路使用TI公司的TMS320F28335为核心，专为电力电子控制开发，此电路板可以实现如下功能：① 模拟信号通道。使用DSP片上AD，外部扩展10路模拟信号接口电路，带抗混叠滤波，量程可设定；② PI调节器运算。程序内置5套前向差分式PI调节器，带饱和自动校正功能，每个PI调节器参数可自设定；③ PWM脉冲输出。12路脉冲输出，光耦隔离输出，每路驱动能力2A；④ 带Buck，Boost。单相逆变电源，三相逆变电源，PWM整流器，异步电机驱动和PMSM驱动开发函数包；⑤ QEP接口：测试电机转速；⑥ 带CAN和SCI接口，实现过程监控和参数修改。

此控制电路板已经用于多家公司产品设计中，算法可靠，接口简单。

2.3半实物实验平台实现

图1所示为系统中蓄电池、IGBT、滤波电路和负载在eMEGAsim仿真器中采用RT-LAB软件模拟，负载端电压信号通过eMEGAsim仿真器的I/O连接IGBT控制单元硬件控制电路(见图4)，原系统一半使用软件仿真一半通过硬件电路实现控制，形成半实物实验平台。

控制单元输出波形如图5所示，I/O板卡输入到软件的波形见图6。

图5 控制单元输出波形

图6 I/O板卡输入到软件的波形

图5和图6的波形频率一致，从控制板发出的PWM信号波形通过eMEGAsim仿真器I/O板卡采集到仿真器软件系统中，控制IGBT桥开断，向负载输出直流电压。该直流电压通过功率放大器缩小到原值1/85后，波形通过OUT1接口输出(见图7)，可见输出电压值为4 V。

图7 Buck电路输出电压波形

2.4对比分析

为了更好地对所设计的Buck电路进行控制性能调试，需要搭建实验系统进行控制程序调试。对于图1所示系统，搭建的物理实验系统如图8(a)所示，采用半实物仿真技术后，利用eMEGAsim仿真器开发的Buck电路性能调试半实物实验平台如图8(b)所示。通过对比可知，所开发的Buck电路性能调试半实物实验平台大大节约了实验空间，而且系统组成成分均工作在低电压等级，更能确保实验人员的操作安全。

(a)物理试验系统(b)半实物试验系统

图8 试验系统对比图

3 结 语

利用半实物实验平台进行Buck电路的性能调控，能够针对不同的应用对象，根据需求灵活地改变软件部分中的电源、滤波单元和负载的参数。可以在Buck电路控制单元硬件中的DSP中写入控制程序，随时观测不同控制程序下Buck电路的特性。但是该平台对于软件设计和软硬件联调环节有较高要求，需要实验人员熟悉所采用的软硬件，并有相应的仿真调试经验。

该实验平台能够有效辅助电力电子技术、单片机方向教学人员进行教学，提高学生动手能力，启发学生创新思维，同时有利于研发人员进行相应程序开发调试。

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Design and Realization of a New Experiment Platform of Buck Circuit

ZHANGBotaoa,WANGQib,LIUZhuia,XUWeia

(a.College of Computer Science and Technology; b.College of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

Buck circuit is often used in DC-DC control system.The usual experiment platforms,which are made of real power source,buses and loads,are often uneasy to change the situation.The authors designed a flexible semi-physical experiment platform for testing buck circuit.Simulation models were built in its software,and the hardware of TMS320F28335 was used for PWM control process.Using eMEGAsim simulator,the signals generated in the hardware were sent into the software successfully without change.The whole system is proved to produce obtainable direct current,as well as available for buck circuit function testing experiments.

Buck circuits; pulse width modulation (PWM); experiment platform; semi-physical simulation

2016-11-22

湖北省教学研究项目(2014234)；湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目(Q20161105)

张波涛(1973-)，男，湖北天门人，博士，副教授，研究方向：电力电子先进装备制造。

Tel.：18086058996; E-mail: zhangbt2000@163.com

GM 64/TM 77

：A

1006-7167(2017)07-0076-04