基于FPGA的电力电子实验教学综合平台设计

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1、基于FPGA的电力电子实验教学综合平台设计　　摘要：针对电力电子技术课程实验教学大多属于演示性或验证性实验，实验设备不能满足教学需要的情况，利用FPGA设计了具有良好扩展性、交互式电力电子技术的实验教学综合平台。该综合平台便携简单，开放性强，实验内容丰富，可实现PC机与实验平台的信息交换与图形化显示，从而增强理论与实践的结合，可更好地用于实验教学。　　关键词：电力电子技术FPGA综合实验平台　　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

2、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]。5　　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，

3、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

4、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

5、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5　　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

6、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Matl

7、ab，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5　　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

8、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