仿真技术助力全国大学生电子设计竞赛

朱文杰， 林旭梅， 马兆兴， 王素珍， 丁新平， 田艳兵

(青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266520)

0 引 言

全国大学生电子设计竞赛是教育部与工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛之一，是面向全国所有大学生的科技活动，涉及高校、学生众多。2015年共有1 097所高校、13 063支代表队、39 189名同学报名参赛，参与高校和学生之广泛可见一斑[1]。参加竞赛培训和比赛过程中，采用理论知识结合动手实践的学习方式，使得学生在本专业领域的理论水平和工程技术能力迅速提高，为学生的职业发展铺平了道路。

大学生电子设计竞赛过程和培训时需要进行实验制作和调试，前期设计需要大量理论计算和分析[3-6]，往往因为时间紧促或者疏忽大意而犯错，如果此时贸然进行电路制版或者面包板焊接调试，会浪费本来就不充裕的时间和精力，甚至还会造成实验设备损坏或者人身伤害。如果在此之前，采用仿真技术对于所设计方案进行仿真验证，并进行参数优化，这将极大缩短方案设计时间和竞赛准备时间，降低材料无谓损耗，大大降低实验风险。从长远来看，掌握熟练仿真技术之后，将为学生成长为优秀工程师的职业之路提供极大便利。本文将主要针对大学生电子设计竞赛中的电力电子类题目仿真助力进行讨论。

1 竞赛培训和试题分析的快速验证

全国大学生电子设计竞赛，针对电气信息类专业本科生，是该类专业最高级别的全国赛事。全国高校学子同台竞技，充分展示学生的专业基础知识功底和实践动手能力，竞赛结果反应出高校相关学科本科实践教育水平和竞赛培训的效果。

电子设计竞赛的培训内容很丰富，如电力电子方向培训更接近工程实践和电气电子产品研发：单片机程序设计、微控制器外围采样和输出电路设计、高性能信号链电路、电力电子功率处理电路。制作样机的过程相当于模拟了一个小型电子产品开发的完整流程，最后的目标类似于培养一个电气电子类的研发工程师[8-10]。

电子设计竞赛培训过程和竞赛期间需要正确设计整体解决方案，通常学生通过查阅大量相关的书籍资料，经过反复的计算、推导和验证过程才能设计出效果良好的解决方案。而此过程费时费力，稍微不小心就会犯错，特别是在时间紧张且心情急躁的竞赛期间。如果设计方案有误，会白白浪费时间制作错误电路，无谓耗费实验材料，还可能因为错误的电路连接引起设备故障或者人身伤害，最后严重影响竞赛培训的进度，乃至竞赛成绩。

为了实现快速有效的验证设计方案，提高培训和竞赛过程的效率，可以采用仿真验证的方法。仿真技术使得一些经验性的思路和初步设想可以得到快速的验证。但电子设计竞赛题目类型众多，涉及内容广,如电力电子技术、电机控制、信号链电路、仪器仪表等。就单单电力电子类题目中就有好多种不同的类型。同时可供选择的仿真软件也琳琅满目，每个软件针对的对象和特点都不尽相同。应该根据培训或者题目类型来选择合适的仿真软件和方法，而国内很少文献专门针对大学生电子设计竞赛中电力电子类题目如何选择仿真软件和仿真方法的介绍。

本文将按照电子设计竞赛中电力电子类题目的内容进行分类，以具体真实的竞赛题目为例，分别给出快速仿真验证的解决方法，最后提出针对各种电力电子类型题目的推荐仿真软件和仿真方法。研究结论有助于提高电子设计竞赛培训和竞赛过程的效率，提高竞赛成绩，更为学生的优秀工程师成长之路打下良好基础。

2 竞赛培训及竞赛内容仿真效果分类解析

电力电子类题目的共同点是要对输入的电能进行处理，或者在交直流之间切换，或者在电压等级上有所变换。但在主电路的结构和功能上会有许多种类，因而其控制方法也不一样。下面总结十几年来大学生电子设计竞赛的电力电子类题目，分类及其仿真方法。

2.1 线性电源及其控制

该类题目通常以线性的稳压电源、恒流电源或者电子负载为主要载体。以2012年大学生电子设计竞赛“直流电子负载的设计制作(F题)”为例进行说明。题目要求设计并制作电子负载，有恒流和恒压2种工作方式。恒压方式时，电子负载端电压保持恒定，电压值1～20 V步进可调。恒流模式下电流值100 mA～2.00 A步进可调。要求误差为5%。在题目中还增加了恒电阻模式的要求[2]。具体的参数要求如表1所示。

表1 直流电子负载主要参数表

先从极限的要求看：最小的电流误差是在恒流100 mA时的5%，也就是5 mA。要想采用开关电源的模式实现该精度的困难较大，故方案中采用MOSFET构成的线性电源[7],具体方案如图1所示。为了实现精细的步进可调和对于不同参数的精确控制，采用STM32单片机实现更加灵活的不同参数分段反馈控制，增加系统调节的快速性和控制精度。

图1 数字控制直流电子负载系统框图

对于仿真的要求是兼具功率器件的特性和闭环控制方案，具体到这个题目中就是仿真模型需要不仅反映MOSFET的电气特性，还需要对于数字反馈控制的方案进行仿真。Saber软件中的仿真元件库既有常见各类型号的MOSFET、三极管、运算放大器的仿真模型也有模拟控制、数字控制模块及控制模块与机械量、压力和电气量的互相转换功能，完全可以实现题目中的电力电子器件以及恒压恒流控制系统的整体仿真验证。

从图2(a)中看出，方案中的单片机控制系统可以采用Saber里的控制器来替代。这里关键的一点是Saber中转换模块可以实现电气量和控制量之间的转换，这在PSpice、Tina等软件中实现起来很困难。由图2(b)可见,采用仿真中的电路和控制方案，在给定值在1～20 V之间切换时，输出电压可以快速跟踪期望值，且误差完全满足要求。在竞赛里学生也采用了此方案，取得了省一等奖的好成绩，性能指标完全满足题目的要求。

(a) 仿真主电路图

(b) 仿真输出电压结果图

2.2 直流开关电源及其控制

以2015年全国大学生电子设计竞赛A题“双向 DC-DC 变换器”为例，要求用30 V直流电源经电力电子电路向5节18650型电池充电，要求最高效率大于95%；电池还可以反过来给放电，放电电压需要稳定在30 V[1]，具体参数如表2所示。线性电源的效率很低，最高的效率为70%，肯定达不到95%的要求，所以必须采用开关电源方案[7]。综合功能性和复杂程度，选择buck电路来实现。 该类型的题目，除了与图2(a)中的主电路为开关电源电路及其驱动电路不同外，其他如控制策略，检测电路等大致类似。而Saber中有开关电源电路中所用的IR2110、UC3842等常见驱动芯片，厂商提供的IGBT和MOSFET等开关器件，或者为了节约搭建模型时间，还可以用逻辑控制的理想开关来代替功率器件。所以直流开关电源主电路及其单片机控制系统的仿真完全可以用Saber轻松实现。

仿真的原理图和波形图如图3所示。仿真所需的锂电池、电力电子开关、比例积分控制器、调制用锯齿波发生器等都可以直接调用，直接设置模块参数即可。通过该电路充电电流的纹波大小、控制速度和控制精度等仿真结果，方便地选择输出电感、调节器参数等，给最后的参数设定提供了重要参考。从图3(b)的启动输出电流波形中看出，在10 ms内达到期望值1 A；并在0.3 s时，命令值从1 A变化到2 A，输出电流在0.01 s内稳定到2 A，精度和控制速度均十分令人满意。在竞赛里学生采用此方案，取得了国家一等奖的好成绩，性能指标完全满足题目的要求。

表2 双向DC-DC变换器主要参数表

(a) 仿真主电路图

(b) 仿真输出电压结果图

2.3 交流开关电源及其较复杂控制方法

不同于直流电源的控制，交流逆变器输出的控制或者是带有最大功率跟踪等特殊功能时，控制算法复杂[11-15]，再采用电路仿真软件仿真就显得十分费力。推荐采用算法功能强大的Matlab软件来编程实现。

这里以2009年全国大学生电子设计竞赛A题“光伏并网发电模拟装置”为例进行说明，要求设计制作一个光伏并网发电模拟装置。光伏电池用一个直流电源和一个模拟内阻来代替，其中内阻在30～36 Ω之间变化。输出要求为工频的正弦波，其频率、周期和相位都要与电网正弦参考信号一致。要求在负载和内阻变化时该变换器最大功率点跟踪(MPPT)功能，具体的参数要求及指标如表3所示。

表3 光伏并网发电模拟装置

常用的MPPT算法有恒压跟踪法、电导增量法和干扰观测法，实现起来需要计算功率、比较、选择步长等，再用现成的模块搭建就非常不方便，采用Matlab中Sfunction的编程功能则显得非常灵活，通过改变关键的程序语句就可以改变算法，以验证不同的控制方法。实现MPPT电路及其控制的仿真如图4所示。

(a) 仿真主电路图

(b) 仿真输出电压结果图

按照干扰观测法编写Sfunction实现MPPT控制，从图4(b)的电路启动输出功率波形中看出，在0.2 s内达到期望值24 W；并在0.4 s时，内阻值从36 Ω变化到30 Ω，输出功率在0.2 s内稳定到最大功率29 W，功率控制精度和控制速度均十分令人满意。在竞赛里学生采用此方案，取得了省一等奖，各项测试指标达到题目的要求。

2.4 集成芯片控制开关电源

近年来，竞赛命题有向赞助商的一些特殊芯片倾斜的趋势，如2016年TI杯20省市大学生电子设计联赛A题 “降压型直流开关稳压电源”[2]，要求用LM5117芯片和CSD18532KCS MOS场效应管为核心器件，设计并制作一个降压型直流开关稳压电源。输入电压16 V，输出5 V，3 A的电流。并满足规定的负载调整率、噪声纹波电压峰峰值和电压调整率等要求。具体的参数要求及指标如表4所示。

表4 光伏并网发电模拟装置

对于此类芯片及其外围电路初步设计和验证的时候，要是自己再建模型仿真就显得费时费力。为此TI公司提供了此类芯片的Pspice模型。采用TI公司提供TINA仿真软件可以方便的调用这些模型，并合理配置外围的控制器电路参数、主电路参数和采样电路，很快就会建立起整个系统的模型。

根据该题目内容所建立的模型和仿真结果如图5所示。电路及外围控制电路见图5(a)，主电路采用同步整流的降压电路，设计其工作在电流连续模式下，通过配置控制电路的参数，来取得比较理想的瞬态和稳态的电压输出波形。电路中主要的波形见图5(b)，可以看出在启动1 ms内，电路输出Uout达到5 V，电感电流IL1连续，没有降到零的部分，并进入稳定运行状态。在竞赛期间，学生利用TINA仿真软件进行系统方案的初步验证和设计，快速形成外围电路参数，缩短了调试时间，各项指标完成良好，指导学生取得了山东省一等奖的成绩。

(a) 仿真主电路图

(b) 仿真输出电压结果图

3 仿真软件选择和仿真方法的确定

3.1 线性电源及其控制

竞赛题目要求目标电压或者电流的纹波非常小，如电压纹波小于10 mV，电流纹波小于10 mA，步进可调的步长也分别在几mV或者mA之内。此时只有线性电源能够满足这些性能指标，特别是对于转换效率没有特殊要求的场合。线性电源主电路中的常见厂家功率器件如MOSFET，IGBT，三极管等，单片机控制算法，运算放大器电路驱动等都可以方便地在仿真软件Saber中实现。而其他仿真软件中，Pspice侧重模拟电路的仿真，难以实现对于数字算法的仿真。Matlab侧重控制算法的仿真，但对于具体功率器件的建模要自己完成，费时费力。采用仿真软件Saber可以将线性电源类题目实际方案的各部分联合综合仿真，准确而方便验证方案的效果。

3.2 直流开关电源及其控制

该类题目有以下特点之一：要求电能转换的效率高，如效率达到80%以上；同时具有升压和降压功能；转换功率较大且重量要求要很轻；两个以上电路均流输出。仿真软件中Matlab和Saber均适合此类仿真：具有各种理想的开关器件模型，驱动和可编辑的数字控制算法模块。文中以Saber为例对具体题目进行了仿真并说明了仿真方法。

3.3 交流开关电源及其较复杂控制方法

交流电源控制通常采用比较复杂的算法：重复控制、谐振控制有时候还有各种最大功率控制测量。Matlab中的Sfunction模块编程方便、灵活，各种运算，数组操作和逻辑判断等均可以轻松实现。另外Matlab中建有一般性的理想半导体功率器件的模型，可以直接调用，非常方便。

3.4 集成芯片控制开关电源

该类题目常常推荐某类专用芯片来实现题目中的主要功能，此芯片为赞助商独有。因而采用赞助商提供的配套的软件最为合适，可以利用建好的专用芯片模型对于芯片的外围电路参数进行快速验证，将会极大缩短样机设计和调试时间。

总之根据题目要求选择仿真软件和方法进行仿真验证，将在学生参加电子设计竞赛等学科竞赛中起到重要助手的作用：快速验证方案的正确性，避免原理性错误引起的人身伤害和设备损坏，极大缩短竞赛调试时间。这些仿真软件及仿真方法在电子设计竞赛中的作用也很明显，文中所举实例中所指导的学生均获得省一等奖。通过这一系列的培训，最终为合格研发工程师职业道路提供很大便利。

4 结 语

全面分析了10多年来的全国大学生电子设计竞赛试题中电力电子类题目，将其分为线性电源、直流开关电源、交流开关电源和集成芯片控制开关电源等4个基本类型，针对性地分别提出了比较通用的解决方案，然后分析所提出实现方案的结构特点，讨论了如何快速准确地用仿真来验证，特别是对于不同电路和控制方案给出了适合的仿真软件选择，以及仿真实现的关键模块功能描述，另外给出了具体的仿真原理图和仿真结果主要波形图。