基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验平台

　　　　　　　　　　　　　　　　　/CN１１Ｇ２０３４TExerimentalTechnolondManaementpgyagVol．３６　No．１　Jan．２０１９

:/DOI１０．１６７９１．cnki．s．２０１９．０１．０３３　jjg

基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源

虚拟仿真实验平台

()山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博　２５５０４９

/摘　要:将虚拟实验仿真系统引入电路课程的教学中,利用MatlabSimulink搭建脉冲电源硬件电路的数学模型,利用L将S实现联合仿真.仿真实验的结果abVIEW的MIT接口技术,imulink和LabVIEW无缝连接,与理论计算结果一致,排除了高电压、大电流实验存在的安全隐患问题.该虚拟仿真实验平台具有执行效率高、操作简单的特点,可帮助教师、学生和科研人员更好地理解复杂电路问题.;关键词:脉冲电源;虚拟仿真;实验平台;MIT;SimulinkLabVIEW

()中图分类号:TM８９　　文献标识码:A　　文章编号:１００２Ｇ４９５６２０１９０１Ｇ０１３８Ｇ０５

张　圣,李震梅,李海涛,路　通,柳　娜

VirtualsimulationexerimentallatformofpulsepowerppsulasedonSimulinkandLabVIEWppyb

(,,)SchoolofElectricalandElectronicEnineerinShandonniversitfTechnoloZibo２５５０４９,ChinagggUyogy:AbstractThesimulationsstemofthevirtualexerimentisintroducedintotheteachinfcircuitcourses．Bypgoy

,,,,ZHANGShenLIZhenmeiLIHaitaoLUTonLIUNagg

/,usinatlabSimulink,themathematicalmodelofthehardwarecircuitofthepulsepowersulisbuiltandgMppy

thepotentialsafetazardsinhihvoltaeandhihcurrentexeriments．Thisvirtualsimulationplatformhasyhgggp,,thecharacteristicsofhihefficiencndsimleoerationwhichcanhelteachersstudentsandresearcherstogyapppbetterunderstandcomlexcircuitproblems．p

:;;;Keordsulsepowersulvirtualsimulationexerimentallatform;MIT;SimulinkLabVIEWpppyppyw

,realizetheointsimulation．Thesimulationresultsareinareementwiththetheoreticaloneswhicheliminatesjg

bsinheMITinterfacetechnolofLabVIEW,SimulinkandLabVIEWareseamlesslonnectedtoyugtgyoyc

一阶电路和二阶电路的时　　在关于电路的课程中,

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

收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ１７

、/台主要有Multisim、SaberMatlabSimulink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

１]

.本文利用M/等[atlabSimulink和LabVIEW进行

２Ｇ５]

,联合仿真[为复杂电路系统的建模与仿真提供了新

平台.

;基金项目:国家自然科学基金项目(山东省本科教改项目５１４０７１１２),作者简介:张圣(男,山东菏泽,在读硕士生,主要研究方向为１９９４—)

高电压技术及其应用

:EＧmail２５１４４８１５９９＠q．comq

()M２０１８X２２１

硬件电路的数学模型.LabVIEW通过MIT调用

动态链接库)文件,利用LSimulink生成的DLL(abＧ输VIEW丰富的图形界面作为Simulink模型的输入、

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.

作为实验案例,介绍了基于Simulink和LabＧVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验.利用模型接口工具

,,包(在SmodelinterfacetookitMIT)imulink中搭建

,通信作者:李震梅(女,河南洛阳,硕士,教授,主要研究方向为１９６５—)

电工电子学与测控技术．

:EＧmaillzm６５０２０８＠１２６．com

张　圣,等:基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验平台

１３９

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示[６Ｇ７]

.１所

１感,用于储存来自、K在该电路中２为IGBT,E１为初始充电电源,Rs１为电源内

阻,K开关,E１的能量L１为脉冲变压器原边超导电,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.

初始充电(１)电感充电阶段,电源E.闭合开关.K１因为电感,断开开关K２,

１向电感导材料,所以充电过程很快L１充电,能量损失也非常小L１为超,能实现长时间的充电和储能,并且二极管L１的充电过程不受副边的影响.当电D１的设置使电感

感电流达到设定值时,充电过程完成.K()２到电容,这时电感２电容充电阶段C１上的电压达到最大值L.断开开关１储存的能量一部分给电容K１,

同时闭合开关,另一部分通过超导变C１充电,直压器耦合至副边产生感应脉冲电流.

(３)电容放电阶段.当于电一容个电C１上的电压达到最大值时,此时电容原边电感L１进行反向充电C１相当压源,会对变压器,使同时L２中的电流就会在互感的作用下进一步增大L１中的电流反向增大,

,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

以及开关列出充电回路的电压方程为K１的导通电阻和电感

[８]

:

,根据基尔霍夫定律L１

ddit１

＋i１

RS１＝E１(１

)　　得i１的状态方程为:

di１E１－i１RS１

(　　由于该阶段仅是对电感进行充电dt＝

２),

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:

L１

d(dit１＋Mddit２

＋uC＝０(３

)L２di２＋Mdi１

　　＋La)i(４)将电容的电流i１d和电压tud＋Ra２＝０

Ct取关联参考方向,得电容元件的VCR方程为:

i１＝C１

duC　　将式(３):

、式(４)和式(５)方程联立dt,得、(５

)i１i２和uC的

状态方程为ddit１＝L１(L－L２

２＋La)－M２uC＋L１(LMRa２＋La)－M２

i２di(２６)dt＝LM１(L２＋La)－M２uC－LL１

１(L２＋LRaa)

－M２

i２d(　　将式(模型(见图６３

))、.式(７)和式dutC

＝１i１

(８)C在１

(７

)Simulink８)中建立数学　虚拟仿真实验平台的构建与实现

为搭建abVIEW２０M１a２tla在及以前b和L的ab版VI本EW的联合仿真环境,

中,可以用工具包(位simMualationinterfacetookit)完成,该工具只支持SI３T

２但在tlab软件,

可以实现两者同步运行并通信.新的需要,L的接口工具Na因硬件更IbV公司不再提供IEW２０１３及以后的版本中,SIT,而是开发出一种新集成来自各种模拟环境和编程语言的模型MIT(modelinterfacetookit).,M/C＋＋、LaMIIT可以

T支持

在设计时考虑到可用性的要求bVIEW和其他１５种以上的环境.此外,

I,

提供更易于使用的PI和新功能,例如同时执行多个模型的能力.２LCNA１４０

实　验　技　术　与　管　理

图３　电容充放电阶段建模仿真模型

NIVeriStand可同时支持３２位和６４位的Matlab软件,但不能像S而是需IT那样实现同步运行并通信,

所以首先　　MIT需集成并打包在NIVeriStand中,需要搭建Matlab和NIVeriStand的联合仿真环境.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.且需要遵循一定的顺序.应首先安装MatlabR２０１４a

(和L然后安装V即VabVIEW２０１７,isualStudio９．０iＧ

　　C:\\\\ProramFiles\\\\Matlab\\\\＜Version＞\\\oolbox\\\\loＧg

目录,滚动到文件底部,添加两行配置信息:cal84319533

()addath′C:\\\\VeriStand′pNIVeriStandAddPaths

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,

２．４　将Simulink电路模型生成DLL文件

/在M若要编atlabSimulink中有一个电路模型,译成一个兼容N需按以下IVeriStand的DLL文件,

步骤配置软件环境:

()打开M在M１atlab编程环境,atlab命令窗口

,中输入m选择MexＧsetuicrosoftVisualC＋＋２００８p编译模型.首先启动Simulink软件并加载要转换的对话框,进行以下配置:

内含MsualStudio２００８,icrosoftVisualC＋＋２００８

专业版)以及用于Windows７的MicrosoftWindows

最后安装NSDK和．NETFramework３．５SP１,I内含模型接口工VeriStand２０１７ModelFramework(

.具MIT)

(以进行C语言编译;ProfessionalC)

()在选择正确的编译器后,在S２imulink中构建

»模型,然后选择SimulationConfiurationParametersg,①在Solver选项卡中把Stotime设置为infp

;Te设置为FixedＧsteypp

②在CodeGeneration选项卡内,TaretSelecＧg

tudio９．０\\\\VC路径下创建一个PlatformSDK目录文

件夹,复制\\\\MicrosoftSDKs\\\\Windows\\\\v７．０路径alStudio９．０\\\\VC\\\\PlatformSDK目录下.２．３　将VeriStand和Matlab关联

２．２　将VC＋＋和Matlab进行关联

找到V在\\isualStudio９．０安装位置,\\VisualSＧ、下的B并将其粘贴到\\inInclude和Lib目录,\\VisuＧ通常安装完VeriStand后,VeriStand和Matlab会进行自动关联,这时打开使用的M会在atlab环境,命令窗口前２行显示如下信息:　　NIVeriStand２０１７ModelFramework

tion选区中,Sstemtaretfile选择NIVeriStand．tlcyg

,目标,点击B使其生成包含DuildLL文件的文件包.

③当在DianosticViewer窗口的最下面显示g

“,表明MBuildprocesscomletedsuccessfullathＧpy”

,worksInc．Simulink中的模型成功生成了NIVeriStand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.

＃＃＃Successfullinitializedcomonentsyp

需要手动关联,执行如下步骤:前往:

如果没有看到N则IVeriStandServer启动消息,

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

９]

.数能被其他程序所共享[DLL的编制与具体的编

张　圣,等:基于Simulink和LabVIEW的脉冲电源虚拟仿真实验平台

１４１

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因M故NIT集成并打包在NIVeriStand中,I

VeriStand就相当于一个连接Simulink和LabVIEW的桥梁.一方面,当Matlab和VeriStand关联成功这两个模块分别对应SVeriStandOut１,imulink中硬件电路的输入和输出,无具体数值,需要在LabVIEW

[０]Ｇ１１

.的DLL都具有通用性１

图４　LabVIEW调用DLL文件原理图

后,在Simulink中会有一个模块组NIVeriStand

,模块组中包含NBlocksIVeriStandIn１和NI中利用数组连接到M进行相关数值或图形的输IT上,

入和输出.另一方面,在LabVIEW中,NIVeriStand

/从而形成一个IO选板的路径常量连接到MIT上,闭环.

调用过程如图４、图５和图６所示.

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

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

()能够通过L１abVIEW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

１２]

.相同[

实现自动控制,使操作简单易行.

３　实验结果分析

实验室脉冲电源基本参数,在LabVIEW前面板的数耦合系数K＝０．负载电阻Ra＝３．负载电感９,７５mΩ,

当在L对照abVIEW程序框图中编写好程序后,

实现对脉冲电源运行状态的VIEW前面板界面显示,

实时监测与显示.

()能够通过S３imulink和LabVIEW的联合仿真

()能够通过L２abVIEW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LabＧ

值输入控件中输入相应的数值,其中初始充电电流i１０

为８超导电感取典型值L０A,１３mH,L１０μH,１＝２＝

L０．５μH.必须将Simulink和LabVIEW的仿真a＝

１４２

实　验　技　术　与　管　理

,周期设置一致,本实验设为２m得到的超导脉冲变s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

波形图清晰地显示出电容充放电过程以　　图７中,

及超导脉冲变压器原副边的电流变化.当初始充电电流为８相对应的超导变压器副边脉冲电流最大０A时,值为３２电容电压最大值为６副边电流脉４３A,９９V,,冲前沿持续时间为１．电容电压脉冲前沿持续时２ms.间为０．８ms

与现场实验相比,虚拟仿真实验输出的超导变压

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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.