基于FPGA的电力电子实验教学综合平台设计

连晓峰 王战果

北京工商大学 北京 100048

电力电子技术是指电力电子变换和控制的技术，是涉及电子技术、控制技术和电力技术等多专业的交叉学科。同时，也是电气工程及其自动化、工业自动化等相关专业的重要专业基础课。该课程教学内容复杂抽象、信息量大，应用性和实践性强。课程内容以电力电子器件和变流电路为主，通过分析各类电力电子器件的通断来学习理解整流、逆变、斩波和变压变频等典型电路的工作原理，并分析在不同负载情况下的电压、电流波形。通过本课程的学习可独立分析、解决实际的工程技术问题[1]。

鉴于电力电子技术是一门强调理论与实践相结合的专业基础课，而目前电力电子技术课程的实验教学大多依托插拔式实验平台，主要是演示性或验证性实验。学生实验时大多按照实验指导书进行简单线路连接，并没有通过实验深入理解理论知识，出现问题也不会主动分析和解决。另外，由于对实验操作不熟而导致实验装置损坏，维护量大[2]。为此，需要增加学生真正动手设计、搭建和调试电路的机会，让学生完全掌握具体实现过程，加强学生动手能力和创新能力的培养。

1 目前电力电子技术实验教学现状及存在问题

实验的目的是让学生更好地理解和掌握理论知识，培养在实际应用过程中的实践能力。但目前电力电子技术实验普遍存在着实验与理论结合不紧密、实验与生产实践相脱节的问题[3,4]。主要体现在：

(1)传统的电力电子技术实验装置封装程度高，容易损坏，维护困难。课堂讲授的理论知识与实验过程衔接度低，尽管学生对工作原理掌握得很好，但在实际实验过程中还是无从下手，无法真正达到实际应用。

(2)传统的电力电子实验大多是演示性或验证性实验，只能观测实验结果，而不能有效地进行电路分析和动态分析，几乎没有仿真和模拟。

(3)传统的电力电子实验内容固定，较难实现模块化，无法根据学生实际情况定制实验内容。

随着电力电子技术朝着高度模块化、集成化以及应用多元化的方向发展，相应地也要求加强实验教学，让学生真正动手，在实际应用中更好地理解和掌握电力电子技术基本概念和工作原理。因此，需要设计和开发一种具有良好扩展性且交互式的综合实验平台来满足教学要求。

2 便携式综合实验平台

目前，我校电力电子技术实验设备相对陈旧且占地面积大，维护困难。为满足实践教学改革需要，我们研究和开发了一种便携式电力电子技术综合实验平台。

2.1 硬件平台

该实验平台的硬件系统主要由PC机、eMotion模块、FPGA芯片和实验模块组成(如图1所示)。

整个综合实验平台采用标准化的模块结构，PC机通过以太网或串口与eMotion模块相连。而FPGA1芯片卡通过ISA总线与eMotion模块相连，实验模块通过JP与FPGA2芯片相连。FPGA1与FPGA2通过SIO相连，使得FPGA1与实验模块完全隔离。实验模块包括示波器显示模块LCD，直流斩波模块DC2DC，逆变模块DC2AC等模块(如图2所示)。

2.2 软件平台

该实验平台运行在Matlab环境下，主要包括操作界面、波形显示界面和逻辑分析界面等。如图3所示，给出buck转换电路实验界面。整个实验系统采用层次式结构，如图4所示。所有实验均用Matlab编程实现，其中每个实验包括多个操作界面。

具体操作过程如下：

(1)开机运行后，首先执行eMotion模块，在PC机中执行Telnet程序，进入工作目录。

(2)启动Matlab，并进入相应实验的m文件目录。选择相应的实验，启动界面。

在实验过程中，学生可根据实际需要选择相关实验。该综合平台具有良好的可扩展性，可根据实验室规模灵活配置，方便携带。

3 实验内容设置

根据实际教学和学生不同能力的需要，设置了基础性实验、设计性实验、综合性实验和创新性实验4类实验，形成阶梯式实验教学。

3.1 基础性实验

这些实验基本上是演示性及验证性教学实验，实验指导书给出具体电路、实验内容及操作步骤。通过实验使学生获得感性认识并与理论知识相衔接，掌握各种典型电路的工作原理、波形分析及定量计算，为综合设计实验打下基础。

3.2 设计性实验

在基础性实验的内容和基础上，由学生自行设计设备参数及其特性，并通过编程进行仿真实现。主要目标是掌握电子电路的设计及软件编程，并学习实验参数的设置与调试。

3.3 综合性实验

根据教师提供的不同实验项目，从最初的方案设计，元器件选型，软件编程仿真到具体实物实现，将实验与实际问题相结合，提高学生的动手能力，积累学生的工程实践经验。

3.4 创新性实验

挑选优秀学生，采取集中培训的形式，在课程设计过程中结合国家或省市级大学生科技创新项目，进行创新性实验设计，深化课堂与实践教学的效果。

4 结束语

随着电力电子技术的快速发展以及电力电子在各行各业中的广泛应用，针对相关专业的本科生培养以及学校教育教学改革的深入，构建了一种便携式电力电子技术实验教学综合平台。该平台具有良好的可扩展性与交互性，实验内容丰富，开放性强。通过该平台，学生易于理解和掌握电力电子技术的理论知识与分析方法，提高动手能力和工程实践能力。

根据教学实践，还可进一步提高该平台的性能，形成多层次、立体化的实验教学。

[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2]唐杰,刘丽,罗庆跃.“电力电子技术”课程研究性教学初探[J].中国电力教育,2009(12):86-87.

[3]梁梅,胡少强,王智东.电力电子技术综合实验平台的研究与建设[J].中国现代教育装备,2012(13):16-17.

[4]安树,闫英敏,刘正春.基于Matlab GUI的电力电子技术教学平台设计[J].中国现代教育装备,2012(7):16-18.