高校创新型电力电子实验教学平台特色解读

岳雨霏 杨 禧 贾奥祺 孙博宁

（长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南·长沙 410114）

2017 年7 月，习近平总书记针对强化实践育人和高校思想政治等问题作出了重要指示。2020 年9 月18 日，习近平总书记在湖南考察时强调：“要把课堂教学和实践教学有机结合起来”；指出教学工作应当朝着更高质量水平的目标发展，共同建设高水平、高质量的湖南特色高校教育。国务院提出全面加强基础研究，大幅度提升原始创新能力，组建若干国家实验室，同时重组国家重点实验室体系。根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要点》[1-2]等相关文件要求，教育部积极推进和加强智能信息技术与高校实验教学深度融合，持续提高实验教学资源的使用效率和应用能力，重点关注高校实验教学成果质量和实验操作性能。科技部、财政部对相关高校实验配套资源进行整合与共享，要求高校项目立项后，其相应的资源应面向全国范围在一定程度上免费开放和共享，并提供对应的在线开放服务。在国家大力支持下，全国高等院校积极开展独具特色的仿真实验教学平台建设工作，逐步形成以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术、稳定安全的开放运行模式、敬业专业的实验师资队伍、不断改进的实验模式评价机制以及具备示范作用的实验教学效果。[3-6]近年来，国内对于仿真与实验充分结合的与实验平台相关的工作基础仍较薄弱，湖南省目前将仿真虚拟环境与实验测试充分融合的仿真实验教学平台极少，该类实验教学平台建设工作有待进一步改善和强化。

本文利用实验与仿真相辅相成的教学思想，设计了一套面向“电力电子技术”课程并融合了全仿真、半实物、全实物多功能的创新型电力电子实验教学平台，并对该实验平台的建设特色和技术优势进行了分析。

1 创新型实验平台结构

图1（p39）为创新型电力电子实验平台主体结构。该平台的设计采用了分层递进的思路，将一个系统分解成多个环节进行调试，便于进行实验解构，降低了入门的难度和实验的安全风险。该创新型平台将电力电子实验分为三个层次。

图1 创新型电力电子实验平台结构图

第一层，在上位计算机的MATLAB/Simulink 仿真环境下搭建模块化结构的全数字仿真模型，通过仿真测试结果，初步检验实验方案的可行性。

第二层，基于第一层方案验证，将全数字仿真模型中的控制算法进行控制模块封装，借助CAN 通讯经由实时仿真器，实现控制模块生成物理控制器可识别的C/C++程序源代码的操作，并将仿真模型的输出控制信号经接线端子下载到半实物仿真的物理控制器中。

第三层，通过半实物仿真调试结果，完成物理控制器发送驱动信号至电力电子变换器物理主电路的操作，测试整体实验装置及方案的可行性，同时实现物理主电路数据的实时在线观测。

2 创新型电力电子实验平台建设特色

2.1 平台特色

2.1.1 教学性

创新型电力电子实验平台提供的6 个基础实验、4 个拓展实验和1 个创新实验等11 个实验项目，不仅涵盖了传统的整流实验项目，还提供了模块化多电平波形发生器装置测试、漏电测量与保护测试等新技术的实验条件，三个层次的实验项目可支撑“解决简单工程问题能力→解决复杂工程问题能力→创新思维”的培养。基础实验可采用传统模式的教学方法，学生在教师的规范示范下学习如何通过实验论证理论的正确性。拓展实验可采用启发式教学方法，学生根据实验指导书，在教师指导下综合运用已学知识搭建电路完成实验。自主创新设计性实验可采用讨论式教学，学生利用平台资源自主完成从方案设计到验证的整套实验过程，并自主地运用已学的知识去解决实际问题。

2.1.2 创新性

该实验平台的设计采用分层递进的思路，将一个系统分解成多个模块进行调试，降低了入门的难度和实验的安全风险。基于MATLAB/Simulink 模块化搭建全数字仿真模型，初步检验实验方案的可行性；仿真算法通过封装后下载到半实物仿真的物理控制器，检查控制算法、寄存器配置等软件设计的正确性；用半实物仿真调试好的软件控制物理的主电路，测试整个实验方案的可行性。所设计的半实物仿真方式，不需要传统硬件在环技术中高速采集卡和I/O 接口板，采用串口通讯实现物理部分和仿真部分之间的数据交换，虽然会增加一些时间消耗，但极大地降低了实验平台的建设和运维成本，更适合本科实验教学。

2.1.3 实用性

该实验平台采用常用软件和器件组建而成，（1）全数字仿真：硬件是上位机，上位机软件是MATLAB/Simulink；（2）半实物仿真：软件采用MATLAB/Simulink 和CCS，硬件有上位机和主控板（含主控芯片TMS320F28335）；（3）全实物实验：软件是MATLAB/Simulink、CCS和监控软件，其中，MATLAB/Simulink实现控制代码的自动生成并下载到DSP的flash，硬件是上位机、通用底板和功能模块（包括电能变换电路、电源模块、主控制板、检测电路和驱动电路等单元）。实验平台利用硬件在环技术提供半实物仿真，将传统全数字仿真和全实物实验有机结合，便于学生验证创新性实验项目的可行性和正确性。此外，实验硬件采用通用底板+功能单元形式，最高工作电压为24V，降低了实验的安全风险和运维成本，增加了实验平台的通用性和可扩展性。

2.1.4 先进性

学生通过实验平台，可直观了解四种交直流电能变换实验装置，掌握实际电力电子功率器件特性、拓扑结构、基本运行原理。三个仿真和实验环节可对电力电子装置的实验波形进行实时观测（仿真环节可利用Simulink 中示波器观测仿真波形，物理实验环节可利用上位机监控软件或示波器观测电压和电流波形），并通过修改模型参数，观测不同的实验波形，切身感受自行设计的模型或控制参数对实验效果的影响，在实验效果启发下熟练掌握电能变换的工作原理、控制方法和参数设计原则。

2.2 技术优势

由表1 可知，与传统实验教学平台相比，创新型电力电子实验平台能够贯穿课堂教学和实验教学，虚实结合，借助仿真和实验对理论进行验证，同时将仿真模型与物理控制器完美结合，并融合了上位机实时监测功能，可实现是对传统全实物实验台的一次重大变革。

表1 创新型实验平台与传统平台优势对比

创新型电力电子实验平台的主要技术优势可总结如下：

可开展多层次实验项目。该实验平台提供了全数字仿真、半实物仿真、全实物仿真三个层次的实验项目，可完成上位计算机系统仿真验证、仿真与物理控制器联合运行并在上位计算机中实现实验波形观测、仿真与物理控制器联合运行利用示波器实现实验数据观测等实验教学任务。

有利于培养学生综合能力。高校教师可利用该实验平台培养学生的自主创新能力和实践动手能力，提升学生对电气类实验装置的认知水平与能力，引导和激发学生的创新思维，并借助实验平台对创新方法进行验证，使学生最终形成“解决简单问题→解决复杂工程问题→创新思维”的学习理念。

具备高开源仿真系统。该实验平台可提供具有高度开源性的仿真模型，学生可根据研究的理论和方法对控制模型进行参数修正或架构优化，并利用仿真与物理控制器联合运行方式实现对所提方法的实验验证。

实验类型易于扩展。该实验平台基于已有实验装置，为用户提供高兼容性接口，用于学科竞赛培训和基础实验模型搭建。

3 结论

为了进一步提高“电力电子技术”课程的实验教学水平、增强学生的专业创新能力，本文构建了一种适用于高校教学的创新型电力电子实验教学平台，并对其教学性、创新性、实用性、先进性等主要特色和技术优势进行阐述。该平台实现了上位机仿真模型的实践化，为电气类实验装置的实时在线控制提供了一个有效可行的方案。