一种虚实结合开关电源仿真实践平台及方法

本发明涉及教学仪器，尤其涉及一种虚实结合开关电源仿真实践平台及方法。

背景技术：

1、如今绿色能源兴起，逆变并网、mppt、汽车交流充电桩等现实工程仅通过模拟器件难以实现，数字能源的发展成为了必然。

2、与其他平台对比，开关电源实验一般都是基于电子线路模拟器件硬件实现，重动手训练、轻思维训练，拓展性较弱，无法提高使用者设计、搭建、调试电路的能力和控制算法、策略的思路，且面对多拓扑、多功能、多场景的综合应用实现较为困难。如专利号cn202123232287.5中的实验平台，仅提供了dc-dc这一种实验拓扑，远少于本发明技术方案所提供的拓扑数量，削弱了实验平台的丰富性和多功能型，提高了投入成本的同时也降低了学生多方面学习的可能性。而在专利号cn202010174288.x中的多功能电力电子技术教学实验平台虽拥有采样电路、驱动电路、dsp核心控制板、pc机和电力电子集成主电路，所述的电力电子集成主电路包括单相半波可控整流电路、单相桥式可控整流电路、单相pwm整流电路、pwm产生与驱动电路、boost电路、buck电路、方波逆变电路和spwm逆变电路等，但与本实验平台相比，依然缺少全桥、半桥等实验拓扑，足可见本发明中的实验平台的丰富程度。除了多拓扑与多场景外，本实验平台与专利号c cn201520417264.7相比，虽然后者可以利用图形化的编程方法代替语言编程模式，但这种模式大大限制了程序的拓展性与可编辑性，无法实现和前者一样的广泛性与普及性，同样也不利于学生对于原理层面的深度理解。开关电源由于其高频开关、功率较大，在调试数字电源过程中极易造成损坏，成本较高。而多个型号的单片机在程序上无法做到完全兼容，这使得使用者花费很多时间去学习各个型号单片机的配置方式，偏离了核心内容。如专利号cn202010174147.8中的这些平台虽然可以实现远程调节元件参数，但在开关电源这类需要算法程序的复杂电路中无法实现将仿真的代码直接下载到单片机中。同时也不支持同一段程序在不同单片机的兼容，仍然需要使用者花费时间去手动配置不同型号单片机，与本套开关电源实验平台相比仍然不够便利。并且在开关电源方面，不仅没有不同的电源拓扑可选，还没有拓扑封装，电源拓扑需要自己从零搭建，这大大增加了开关电源实验的复杂性。

3、而本套虚实结合开关电源实验平台大大方便了从仿真到实物搭建的转变，让使用者专注于电路的搭建和程序的编写而不浪费大量时间在程序移植和配置上，大大提高了研究者对开关电源核心重点的研究效率。同时该虚实结合的开关电源实验平台操作流程简单，使用门槛低，便于初学者快速上手。针对使用者水平参差不齐的情况，本套虚实结合的开关电源实验平台操作流程固定，囊括了常见的几种开关电源拓扑，省去了使用人设计、焊接、调试的繁琐硬件设计工作，同时兼顾了仿真软件与工程实际。本套实验平台做好了simulink与keil的兼容性，不仅能在simulink平台的s-function上仿真，学习体会开关电源的工作原理与控制原理，在仿真验证自己的控制方案的可行性后，还可以将s-function上的代码直接复制到keil里，下载到单片机里验证其实际的工作效果，节省了传统操作的繁冗步骤，兼顾了开关电源的实际电路，让使用者深入体会从学习理论知识到工程实际的跨越；本实验平台的多种电路拓扑，可以自己设计实验，自己设计电源的性能指标，通过对多种拓扑的各种级联组合，以满足自己设计的开关电源。

技术实现思路

1、针对现有教学实验平台存在的问题，本发明设计了一种虚实结合开关电源仿真实践平台及方法，用于教学实验。

2、本发明的技术方案如下：一种虚实结合开关电源仿真实践平台，包括硬件电路、simulink仿真系统、单片机程序模板；硬件电路包括单片机最小系统硬件模块和主功率硬件模块，二者通过公母插针连接；simulink仿真系统包括工程生成模块、主功率回路仿真模块、s-function模块和单片机仿真模块，分别用于工程生成的仿真、主功率硬件模块的仿真、单片机程序模板的仿真、单片机最小系统硬件模块的仿真；单片机程序模板为工程模板，包括单片机基础配置文件、函数库、宏定义及用户自定义主函数文件；

3、单片机最小系统硬件模块包括不同型号的32位单片机和数字处理器；单片机最小系统硬件模块引脚均按照规范特定顺序定义，包括pwm、adc、通用io口、uart、spi；

4、主功率硬件模块包括主拓扑电路、驱动电路、采样电路、oled显示电路、led显示电路、按键输入电路和辅助供电电路；电源分别连接单片机最小系统硬件模块、采样电路、驱动电路和主拓扑电路，主拓扑电路、采样电路、单片机最小系统硬件模块、驱动电路依次连接，构成回路；采样电路采集主拓扑电路的电信号传递至单片机最小系统硬件模块运算处理，单片机最小系统硬件模块产生驱动信号，经驱动电路驱动主拓扑电路工作；辅助供电电路分别向单片机最小系统硬件模块、采样电路、主拓扑电路和驱动电路供电；主拓扑电路包括同步整流buck、同步整流boost、四开关buck-boost、极性反转型buck-boost、逆变、pfc、vienna、三相pwm整流、三相逆变、cuk、sepic、zeta、移相全桥、全桥llc、半桥llc；oled显示电路设置四个引脚，分别连接电源、地、scl和sda，用于显示主功率硬件中的电参数；led显示电路连接电源、led灯和单片机最小系统硬件模块的io口，用于显示单片机最小系统硬件模块的工作状态；按键输入电路连接电源、按键和单片机最小系统硬件模块io口，用于控制主功率硬件系统的输出电流、电压、相位和功率因数；

5、主功率回路仿真模块的功能与主功率硬件模块一一对应，其拓扑结构与主拓扑电路一一对应；主功率回路仿真模块包括同步整流buck、同步整流boost、四开关buck-boost、极性反转型buck-boost、逆变、pfc、vienna、三相pwm整流、三相逆变、cuk、sepic、zeta、移相全桥、全桥llc、半桥llc，并与单片机仿真模块分为两个封装模块，封装成仿真库，二者组成一个完整的电路仿真系统；单片机仿真模块输出的驱动信号和采样信号通过simulink仿真系统中的标签与主功率回路仿真模块连接；单片机仿真模块通过驱动信号对主功率回路仿真模块进行控制，主功率回路仿真模块通过采样信号向单片机仿真模块反馈，采样信号经过与主功率硬件模块相同的缩放与偏置后传递至单片机仿真模块；

6、s-function模块包括两个文件，分别为s-function模块配置及函数封装文件和用户自定义功能文件；s-function模块配置及函数封装文件包括外设的宏定义、初始化s-function模块所用的启动程序、pwm生成程序、oled显示程序、led显示程序、按键输入读取程序、坐标变换程序、交流量测量程序、锁相环程序、adc读取程序、空间矢量调制程序、pid控制程序；用户自定义功能文件用于确保兼容性，结合s-function模块和单片机运行过程的特点，将用户自定义功能文件划分为四部分，分别为自定义变量区、主函数死循环函数、单片机初始化配置函数、中断运行函数；通过对s-function模块和单片机程序模板中外设的宏定义和相同功能函数相同命名的方法，用于s-function模块和单片机程序模板之间的兼容，并用于用户自定义功能文件复制粘贴到单片机程序模板中替换用户自定义功能文件进行编译；根据不同的主功率回路仿真模块，选择与之对应的用户自定义功能文件作为模板；用户自定义功能文件模板存放在matlab根目录下；

7、单片机仿真模块由s-function模块控制，其主要由按键输入单元、led输出单元、pwm生成器单元、oled显示单元、adc输入单元组成；按键输入单元用于扫描识别按键；led输出单元用于初始化led灯对应的gpio；adc输入单元经过与单片机最小系统硬件模块相同的固定倍数缩放传递至s-function模块；pwm生成器单元主要由频率控制模块、移相模块、输出使能控制模块、占空比控制模块和pwm互补生成模块组成；其中，频率控制模块、移相模块、输出使能控制模块、占空比控制模块分别由s-function模块输出的频率、相位、输出使能、占空比四维输出信号控制；pwm互补生成模块为将pwm取反的“非”运算后，与原信号组成互补的pwm；oled显示单元通过s-function模块的四维输出实现四行数字的输出；

8、单片机基础配置文件包括单片机启动文件和单片机外设驱动文件；函数库包括坐标变换程序、交流量测量程序、锁相环程序、空间矢量调制程序和pid控制程序；分别对oled接口、led接口、adc接口、pwm接口和按键接口进行宏定义，用于不同单片机最小系统模块之间的兼容，以及与s-function模块的兼容；用户自定义主函数文件包括用于变量的自定义变量区、用于单片机初始化的单片机初始化配置函数、用于死循环中程序执行的主函数死循环函数、用于中断时程序执行的中断运行函数，用户自定义主函数文件内容与s-function模块完全相同；单片机程序模板存放于matlab根目录下；不同单片机最小系统硬件模块具有不同的单片机程序模板；

9、工程生成模块包括生成和编译两个功能；生成功能用于simulink仿真系统和单片机程序模板的搭建；确定好工作文件夹后，在工程生成模块中的界面选取工程所需的电源拓扑、单片机程序模板、用户自定义功能文件模板、控制频率，并对工程生成模块命名，支持多个拓扑的级联仿真；工程生成模块根据选取的电源拓扑在仿真库中选择与之相对应的主功率回路仿真模块；根据所选的单片机程序模板在matlab根目录下寻找对应的单片机程序模板并复制到工作文件夹下；将控制频率传递至s-function模块，使s-function模块按照控制频率运行；根据选取的用户自定义功能文件模板在matlab根目录下寻找对应的用户自定义功能文件模板并复制到工作文件夹下；将主功率回路仿真模块、单片机程序模板及用户自定义功能文件模板命名为工程生成模块中的命名；将s-function模块配置及函数封装文件复制到工作文件夹下；编译功能先对s-function模块进行编译，然后将用户自定义功能文件复制到单片机程序模板中，更名为main.c并替代原单片机程序模板中的main.c文件，从而实现s-function模块与单片机程序模板之间的联系。

10、所述s-function模块和单片机程序模板之间通过宏定义的方式兼容，即s-function模块中的用户自定义功能文件直接替换单片机程序模板中的main.c文件；不同型号的单片机程序模板之间通过宏定义的方式兼容，即相同的main.c文件在不同型号单片机程序模板之间均可运行；不同型号的单片机最小系统硬件模块之间通过对引脚相同的定义实现兼容，即在主功率硬件模块上，不同型号的单片机最小系统硬件模块之间直接替代；通过s-function模块和单片机仿真模块的配合实现对单片机最小系统硬件模块的仿真；通过s-function模块和单片机程序模板之间的兼容实现仿真与实物结合，即在仿真和实物之间实现相同的控制策略。

11、一种虚实结合开关电源仿真实践实现方法，具体包括步骤如下；

12、第一步，工程生成模块进行simulink仿真系统和单片机程序模板的搭建；

13、1.1)根据在工程生成模块界面中所选的单片机程序模板在matlab根目录下寻找对应的单片机程序模板并复制到工作文件夹下；

14、1.2)在工程生成模块界面中所确定的控制频率传递至s-function模块，使s-function模块按照控制频率运行；

15、1.3)根据在工程生成模块界面中选取的用户自定义功能文件模板在matlab根目录下寻找对应的用户自定义功能文件模板并复制到工作文件夹下；

16、1.4)将主功率回路仿真模块、单片机程序模板及用户自定义功能文件模板命名为工程生成模块中赋予的命名；

17、1.5)将s-function模块配置及函数封装文件复制到工作文件夹下；

18、第二步，工程生成模块对用户修改的用户自定义功能文件进行编译；

19、2.1)工程生成模块的编译功能对s-function模块进行编译；

20、2.2)将用户自定义功能文件复制到单片机程序模板中，更名为main.c并替代原单片机程序模板中的main.c文件；

21、第三步，simulink仿真系统工作运行；

22、3.1)s-function模块控制单片机仿真模块中led输出单元、pwm生成器单元、oled显示单元的输出，单片机仿真模块中adc输入单元、按键输入单元向s-function模块输入信号，用于控制、反馈与交互；

23、3.2)单片机仿真模块中pwm生成器单元的输出控制主功率回路仿真模块，主功率回路仿真模块中的电压电流信号经过缩放与偏置传递至单片机仿真模块中adc输入单元；

24、3.3)运行simulink仿真系统结束后，根据参数需求调整用户自定义功能文件以达到期望输出，完成虚实结合开关电源仿真实践平台的仿真电路调试；

25、第四步，实际电路调试；

26、4.1)将步骤2.2)中移植后的单片机程序模板直接无误编译，下载到单片机最小系统硬件模块；

27、4.2)单片机最小系统硬件模块通过公母插针与主功率电路固定并连接，上电后经过拟合，与仿真结果比较，完成虚实结合开关电源仿真实践平台的实际电路调试。

28、本发明的有益效果是：通过对单片机程序模板的宏定义实现单片机操作的简化，即不需要对单片机深入了解即可使用，降低使用门槛；通过工程生成模块实现对工程的一键生成和一键编译，减少开发时间；通过对主功率回路仿真模块的封装实现多电源拓扑的级联运行及工程生成模块对主功率回路仿真模块的调用。

29、(1)解决不同型号单片机在程序上无法兼容的问题。

30、(2)解决s-function模块和单片机程序模板无法兼容的问题。

31、(3)解决不同型号单片机最小系统硬件引脚无法兼容的问题。

32、(4)可实现多功能开关电源的实验设计。

33、(5)实践完成度高，效率高，每个模块的效率都在90％以上。

34、(6)将仿真实验和硬件实验有机结合，范围全面，使用便捷。

35、(7)一键生成和编译，降低使用者的开发成本，缩短开发时间。

36、(8)流程上先仿真验证后移植实物，提高了系统的可靠性和安全性。