基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验平台

张 圣, 李震梅, 李海涛, 路 通, 柳 娜

(山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049)

在关于电路的课程中,一阶电路和二阶电路的时域分析和线性电路的复频域分析是教学的难点之一。因为暂态过程是在极短的时间内完成的,学生通过理论分析较难理解,所以笔者结合科研课题开发了虚拟实验仿真实验平台,用于实验教学和学生进行综合性、创新性实验。目前对电路拓扑结构进行虚拟仿真的平台主要有Multisim、Saber、Matlab/Simulink等。采用单一虚拟仿真平台具有很多局限性,例如Matlab界面开发能力较弱、数据的输入比较繁琐、参数设置不便等[1]。本文利用Matlab/Simulink和LabVIEW进行联合仿真[2-5],为复杂电路系统的建模与仿真提供了新平台。

作为实验案例,介绍了基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验。利用模型接口工具包(model interface tookit,MIT),在Simulink中搭建硬件电路的数学模型。LabVIEW通过MIT调用Simulink生成的DLL(动态链接库)文件,利用LabVIEW丰富的图形界面作为Simulink模型的输入、输出,使整个系统形成一个闭环结构,从而最大限度地真实反映脉冲电源的动态模型。

1 脉冲电源建模

1.1 基于超导脉冲变压器的脉冲电源

高功率脉冲电源的主要元件是脉冲变压器,超导脉冲变压器和电容器混合储能脉冲电源电路如图1所示[6-7]。在该电路中,E1为初始充电电源,Rs1为电源内阻,K1、K2为IGBT开关,L1为脉冲变压器原边超导电感,用于储存来自E1的能量,L2为脉冲变压器副边电感,用于感应来自L1的电流脉冲。

图1 脉冲电源电路图

整个电路的工作过程可分为3个阶段。

(1) 电感充电阶段。闭合开关K1,断开开关K2,初始充电，电源E1向电感L1充电。因为电感L1为超导材料,所以充电过程很快,能量损失也非常小,能实现长时间的充电和储能,并且二极管D1的设置使电感L1的充电过程不受副边的影响。当电感电流达到设定值时,充电过程完成。

(2) 电容充电阶段。断开开关K1,同时闭合开关K2,这时电感L1储存的能量一部分给电容C1充电,直到电容C1上的电压达到最大值,另一部分通过超导变压器耦合至副边产生感应脉冲电流。

(3) 电容放电阶段。当电容C1上的电压达到最大值时,此时电容C1相当于一个电压源,会对变压器原边电感L1进行反向充电,使L1中的电流反向增大,同时L2中的电流就会在互感的作用下进一步增大,能量通过互感器进一步传递到副边。

1.2 脉冲电源建模

在原边电感充电阶段，忽略充电电路中等效电感以及开关K1的导通电阻和电感[8],根据基尔霍夫定律列出充电回路的电压方程为：

(1)

得i1的状态方程为:

(2)

由于该阶段仅是对电感进行充电,对整个电路其他部分并没有影响,故对其建模意义不大,仅取其结果值即可。

在电容充电和电容放电阶段,能量是在几个固定的电路元件进行转换,故在建模的过程中可将两个过程合并为一个,工作原理图如图2所示：

图2 电容充放电过程示意图

根据Kirchhoff定律,建立脉冲变压器原边和副边的KVL方程：

(3)

(4)

将电容的电流i1和电压uC取关联参考方向,得电容元件的VCR方程为：

(5)

将式(3)、式(4)和式(5)方程联立,得i1、i2和uC的状态方程为：

(6)

(7)

(8)

将式(6)、式(7)和式(8)在Simulink中建立数学模型(见图3)。

2 虚拟仿真实验平台的构建与实现

为搭建Matlab和LabVIEW的联合仿真环境,在LabVIEW 2012及以前的版本中,可以用工具包SIT(simulation interface tookit)完成,该工具只支持32位Matlab软件,可以实现两者同步运行并通信。

但在LabVIEW 2013及以后的版本中,因硬件更新的需要,NI公司不再提供SIT,而是开发出一种新的接口工具MIT(model interface tookit)。MIT可以集成来自各种模拟环境和编程语言的模型,MIT支持C/C++、LabVIEW和其他15种以上的环境。此外,NI在设计时考虑到可用性的要求,提供更易于使用的API和新功能,例如同时执行多个模型的能力。

图3 电容充放电阶段建模仿真模型

MIT需集成并打包在NI VeriStand中,所以首先需要搭建Matlab和NI VeriStand的联合仿真环境。NI VeriStand可同时支持32位和64位的Matlab软件,但不能像SIT那样实现同步运行并通信,而是需要将Matlab模型通过VeriStand编译成DLL文件,然后由LabVIEW调用实现联合仿真。

2.1 安装相关软件

软件的安装和配置是联合仿真实验的关键步骤,且需要遵循一定的顺序。应首先安装Matlab R2014a和LabVIEW 2017,然后安装VisualStudio 9.0(即VisualStudio 2008,内含Microsoft Visual C++ 2008专业版)以及用于Windows7的Microsoft Windows SDK和.NETF ramework 3.5 SP1,最后安装NI VeriStand 2017 Model Framework(内含模型接口工具MIT)。

2.2 将VC++和Matlab进行关联

找到Visual Studio 9.0安装位置,在VisualStudio9.0VC路径下创建一个Platform SDK目录文件夹,复制MicrosoftSDKsWindowsv7.0路径下的Bin、Include和Lib目录,并将其粘贴到VisualStudio9.0VCPlatformSDK目录下。

2.3 将VeriStand和Matlab关联

通常安装完VeriStand后,VeriStand和Matlab会进行自动关联,这时打开使用的Matlab环境,会在命令窗口前2行显示如下信息：

NI VeriStand 2017 Model Framework ### Successfully initialized components

如果没有看到NI VeriStand Server启动消息,则需要手动关联,执行如下步骤:前往：

C:ProgramFilesMatlab oolboxlocal目录,滚动到文件底部,添加两行配置信息： addpath(′C:VeriStand′) NIVeriStandAddPaths

2.4 将Simulink电路模型生成DLL文件

在Matlab/Simulink中有一个电路模型,若要编译成一个兼容NI VeriStand的DLL文件,需按以下步骤配置软件环境:

(1) 打开Matlab编程环境,在Matlab命令窗口中输入mex-setup,选择Microsoft Visual C++ 2008 Professional(C)以进行C语言编译；

(2) 在选择正确的编译器后,在Simulink中构建编译模型。首先启动Simulink软件并加载要转换的模型,然后选择SimulationConfiguration Parameters对话框,进行以下配置：

① 在Solver选项卡中把Stoptime设置为inf,Type设置为Fixed-step；

② 在Code Generation选项卡内,Target Selection选区中,System target file选择NI VeriStand.tlc目标,点击Build,使其生成包含DLL文件的文件包。

③ 当在Diagnostic Viewer窗口的最下面显示“Build process completed successfully”,表明Mathworks, Inc. Simulink中的模型成功生成了NI VeriStand兼容的DLL文件；

④ 在Matlab命令窗口中查看代码的创建和编译状态,包括所编译的DLL模型的目录位置。

2.5 LabVIEW通过MIT调用DLL文件

DLL是基于Windows程序设计的一个重要组成部分,它由一系列封装好的可执行代码组成,其内部函数能被其他程序所共享[9]。DLL的编制与具体的编程语言及编译器无关,只要遵守DLL的开发规范和编程策略,并安排正确的接口,不管用何种编程语言编制的DLL都具有通用性[10-11]。

因MIT集成并打包在NI VeriStand中,故NI VeriStand就相当于一个连接Simulink和LabVIEW的桥梁。一方面,当Matlab和VeriStand关联成功后,在Simulink中会有一个模块组NI VeriStand Blocks,模块组中包含NI VeriStand In1和NI VeriStand Out1,这两个模块分别对应Simulink中硬件电路的输入和输出,无具体数值,需要在LabVIEW中利用数组连接到MIT上，进行相关数值或图形的输入和输出。另一方面,在LabVIEW中,NI VeriStand的MIT为Simulink的硬件电路提供了模型接口,Simulink硬件电路模型生成的DLL文件通过文件I/O选板的路径常量连接到MIT上,从而形成一个闭环。

调用过程如图4、图5和图6所示。

图4 LabVIEW调用DLL文件原理图

图5 基于Simulink的脉冲电源仿真系统模型

图6 基于LabVIEW的脉冲电源仿真系统模型

2.6 Simulink和LabVIEW联合仿真实现目标

(1) 能够通过LabVIEW对Simulink的仿真结果实时动态显示,且显示结果与Simulink单独运行时相同[12]。

(2) 能够通过LabVIEW修改Simulink硬件电路中各元件的参数,各个参数和仿真结果同时在LabVIEW前面板界面显示,实现对脉冲电源运行状态的实时监测与显示。

(3) 能够通过Simulink和LabVIEW的联合仿真实现自动控制,使操作简单易行。

3 实验结果分析

当在LabVIEW程序框图中编写好程序后,对照实验室脉冲电源基本参数,在LabVIEW前面板的数值输入控件中输入相应的数值,其中初始充电电流i10为80 A,超导电感取典型值L1=13 mH,L2=10 μH,耦合系数K=0.9,负载电阻Ra=3.75 mΩ,负载电感La=0.5 μH。必须将Simulink和LabVIEW的仿真周期设置一致,本实验设为2 ms,得到的超导脉冲变压器原副边电流及电容电压如图7所示。

图7 基于LabVIEW的脉冲电源系统操作界面图

图7中,波形图清晰地显示出电容充放电过程以及超导脉冲变压器原副边的电流变化。当初始充电电流为80 A时,相对应的超导变压器副边脉冲电流最大值为3 243 A,电容电压最大值为699 V,副边电流脉冲前沿持续时间为1.2 ms,电容电压脉冲前沿持续时间为0.8 ms。

与现场实验相比,虚拟仿真实验输出的超导变压器副边脉冲电流幅值和电容电压幅值略高,副边电流脉冲前沿持续时间略长。这是由于开关K2的导通电阻以及实际电容的自身缺陷造成的。不过仿真结果与现场试验结果差别不大,验证了该脉冲电源模型的正确性。

4 结语

脉冲电源的应用范围将越来越广,脉冲电源的开发需要良好的仿真环境。本文利用MIT接口技术建立了Simulink和LabVIEW联合仿真的闭环系统。该系统执行效率高、操作简单易行,仿真过程的可视化程度得到提升,参数修改更为简便快捷,非常有利于电路的调试和优化。把该虚拟仿真平台应用于电路课程的教学中,不但能够准确描述复杂电路的波形特性,而且参数设置方便灵活、图形界面直观形象,有利于教学效果的提高。