基于LabVIEW构建“电力电子技术”实践教学平台

周 岩， 张腾飞， 马海啸， 陈轶涵

(南京邮电大学 自动化学院， 江苏 南京 210023)

0 引言

“电力电子技术”是集电力、电子以及控制等学科知识的一门专业课,在教学过程中会涉及许多相关知识。如“电力电子技术”课程中要求学生理解开关变换器高频变压器的工作原理，掌握相关磁性元件的计算和设计方法[1]。为了加深学生对高频磁损的理解，还需要介绍不同参数和不同工作条件下各种波形导致的磁芯损耗差异。如果为此而配备昂贵的仪器设备来完成这一教学任务，则不利于提高高校设备利用率和节约宝贵的设备采购费。此外，受实验设备、经费和人员等的限制，“电力电子技术”实践教学所能开出的实验项目有限，且存在实验综合性差、实验效果不理想等缺点，使学生对电路的理解不够深入。

为了解决上述问题,在“电力电子技术”的课堂教学中，我们探索通过引入LabVIEW软件构建基于通用设备的教学平台，且在实践教学过程中对具体电力电子电路激励波形进行演示，直观显示测量数据。该方法不仅可以激发学生的学习兴趣，而且还可以活跃课堂教学气氛，提高学生对复杂理论的理解，更好地培养学生分析问题和解决问题的能力[2～3]。

LabVIEW软件在界面开发上拥有强大的功能，不仅支持各种媒体资料的插入使用，还能够制作出美观形象的教学演示界面和软件操控交互界面。为了获得磁芯在不同频率和磁通密度下的激励损耗，所构建的高频磁损测试平台系统能够有效地调节激励波形频率和幅值，大幅降低了对昂贵专业测试设备的购置需求。

1 高频磁损测试平台的构成

磁性元件在开关变换器中具有举足轻重的作用，对磁芯损耗的有效测量可为磁性元件散热方案设计提供依据。开关变换器作为电气电子设备供电系统的核心，其能否可靠运行直接关系到整个系统的可靠性。高频磁损测试平台主要由计算机、程控仪器、总线接口和测试软件4部分组成，如图1所示。

图1 测试平台的构成

1.1 计算机和程控仪器

计算机是整个系统数据采集、设备控制和数据分析的核心。高频磁损自动测试系统在基于Lab VIEW软件平台上可以完成测试参数的设置，测试数据的分析处理等任务，最后将测试结果通过显示器输出[4～5]。

程控仪器担负着实际测量的任务，完成对不同的测控对象的测量和控制，程控仪器的精度直接影响测试的准确性。

1.2 总线接口

为了简化测试系统结构，引入总线技术。总线接口是使自动化测试系统相互之间进行有效通信的重要环节[6]。测试指令的发送、测量数据的回传都是通过总线接口来实现。程控仪器的总线接口有串行总线接口、网络接口和GPIB并行接口之别。而USB接口支持即插即用和热插拔的功能，成为主流的测试总线数据接口[7～8]。LabVIEW软件提供了与常用普通仪器总线(如GPIB、串行总线和以太网)相连接的软件函数库。

1.3 测试软件

测试软件是自动测试系统的重要组成部分，测试系统的设备管理、信号传输、数据分析和实现各种人机对话，都需要有一个功能强大、操作方便的自动测量软件的支持[9～10]。图2所示为采用串口作为标准接口总线的自动测试系统结构图。

图2 自动测试系统结构

2 高频磁损测试平台原理

磁损测试平台的硬件主要由计算机和程控测量仪器构成，程控测量仪器包括正弦信号发生器、功率放大器NF HSA4101和功率分析仪Tektronix PA1000。通过上位机和程控测量仪器结合构建闭环测量系统，如图3所示。

图3 正弦激励下的磁芯损耗的测量系统

针对开关变换器激励波形的频率和幅值可调的要求，我们利用AD9834和AD5620构建正弦信号源，可实现其输出信号的幅值可调、频率可控。图4给出了高频磁损测试平台的正弦信号源设计的整体结构。上位机根据监测的激励电压，适时更新所需的正弦波形频率和幅值信息指令。

图4 正弦信号源设计的整体结构

3基于LabVIEW的测试应用软件设计

LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具，可完成数据采集和仪器控制功能，方便地组合成专业的测试平台。

3.1 测试应用软件主要功能

测试应用软件主要由参数设置界面、测试结果分析界面，典型矩形波激励下的损耗预测表格和预测曲线界面以及在Buck、Boost拓扑中的矩形波损耗预测曲线界面所组成，其结构框图如图5所示。在对硬件电路进行连接后，学生只需进行参数设置便可进行损耗测量。

图5 磁芯损耗测试应用软件整体结构

3.2 前面板

前面板是整个测试应用软件的最上层，它直接面向学生。它通过友好的图形界面，模拟传统仪器操作，实现对仪器的控制、显示处理。因此，前面板主要由2个区域组成：参数设置区和波形显示区，如图6所示。它与传统教学不同的是将所有参数设置以及测试结果集中在一起，能更加直观地反映出磁芯损耗的变化趋势。

3.3 系统程序框图

程序框图是测试系统的核心组成部分，所有功能的实现由程序框图来控制。本系统的程序框图可分为参数输入、数据采集、数据处理3个模块。

1)参数输入

该模块实现正弦参数设置，并设置具体工作条件，将前面板输入参数整合,如图7所示。

2)数据采集

该模块主要通过LabVIEW的VISA写入和VISA读取实现。通过VISA写入，实现与功率分析仪Tektronix PA1000通信并写入控制字，后通过VISA读取获得测量的参数，通过电压闭环控制测量区间。在该模块中，学生既可以在后面板中进行编程学习，也可以在不同实验中直接在前面板中进行参数设置。该平台不仅降低了实验的复杂性，而且编程能力也得到了锻炼。

(a)参数设置

(b)测试结果图6 前面板

图7 参数输入模块

数据采集模块如图8所示。

图8 数据采集模块

3)数据处理

此模块将测得的损耗数据进行处理，通过LabVIEW编程进行计算，后将其通过表格和曲线的形式表示在前面板，直观反应了损耗变化量和具体变化趋势。该模块如图9所示。

图9 数据处理模块

4 结语

本文以高频变压器的教学为例，利用计算机和程控仪器在LabVIEW环境下方便地构建了高频磁损测试平台，实现了高频磁损测量的自动化和数据显示的实时化。实践表明，该实践平台显著提高了学生对专业课程的理解，大幅降低了对专业设备实物的需求，提高了对通用电气设备的利用率。