基于MATLAB的电力电子技术软件设计与实现

1 引言

随着科学技术的发展，计算机软件技术在教育教学领域发挥越来越重要的作用。计算机教学软件能够提供一个友好的交互式人机界面，全面的展示知识内涵。MATLAB语言作为一种高级矩阵语言，不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面也有其他类似软件难以匹敌的优势。利用MATLAB GUI，即图形用户界面，可以提供给用户一个可以方便地和计算机进行信息交流的环境。

电力电子技术本身具有实践性、工程性和综合性的特点，而且波形分析和试验验证环节对于实际应用尤其重要。只靠手工的绘制图不仅效率不高，而且不能很好的显示出波形的动态变化。在电力电子的实际试验中用的都是功率器件，费用高、费时，而且危险性大。在MATLAB具有专门的仿真工具和电力系统模块库。因此，如何利用MATLAB软件的图形用户界面技术和仿真技术对电力电子技术进行仿真成了一个重要的研究方面。

1.1 电力系统工具箱(Power System)

MATLAB的图形处理系统为用户提供了非常丰富的函数，用以将工程计算的结果可视化。MATLAB 6.1具有一个电力系统工具箱(Power System Blockset)。这是一个基于图形编程的电路仿真软件，使用时不需自己编程，只需将被仿真的电路画在工作窗口中便可进行仿真研究，如图1。

图1 电力系统工具箱

随着计算机运行速度的成倍提高，用图形来表示模型的想法应运而生。可视化建模的思想逐渐引起人们越来越多的重视。图形方式信息表达与其它方式相比具有直观、简明的特点。用图形来表示模型，可以直观地反映出模型信息、模型的特性和信号的连接与传递关系，便于分析维护。

通常仿真技术在电力电子技术领域中的应用不普及，主要是因为功率开关元件的数学模型非常复杂，使仿真模型的建立非常困难。MATLAB电力系统工具箱为我们提供了各种开关元件的通用模型，使用时只需设定参数即可。而且更改参数非常方便。该工具箱MATLAB中的控制系统工具箱有所不同，用户不需自己编程且不需推导系统的动态数学模型，系统建模过程更接近实际电路设计过程，且使用方便，可信度极高。

1.2 MATLAB图形用户界面(GUI)

用户界面是用户与计算机和计算机程序的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。用户界面设定了如何操作计算机和应用程序。用户以某种方式激活这些图形对象(如图形窗口、菜单、控件、文本)，会引起动作或发生变化。

MATLAB为图形用户界面的设计提供了一个功能强大的设计向导，该向导也是以图形用户界面的形式提供给用户的，从MATLAB的File菜单下选择New GUI命令，弹出GUI控制面板设计向导。MATLAB的整个GUI设计过程如图2。

图2 GUI的设计过程

根据需求分析，设计好控件布局，MATLAB可以直接生成.m文件。在建立控件时，主要就是编写控件的回调函数callback。对不同的事件(event)有不同类型的回调程序，每一类图形对象包括的事

件种类也不同的。回调程序编辑器可以编写每一类事件的回调程序。

一个简单的命令：窗口句柄=figure(属性1，属性值1，属性2，属性值2，…)就可以建立起一个窗口。其中属性包括该窗口的Color、InverHard copy、MenuBar、Name、NumberTitle、Position、U nits、Visible、UserData等等。在主窗体中，按照用户需求，设置了单相可控整流电路、三相可控整流电路和电动势负载可控整流电路等各项按钮。通过uincontrol(‘propertyNamel’，‘pushbuttonl’，‘propertyName2’，‘pushbutton2’，…)很容易的实现。当建立一个对象中，可以用get和set函数来改变属性值，get函数可以返回某些对象属性的当前值，set函数改变句柄图形对象属性，如：

get(handle，‘PropertyName’)

set(handle，‘PropertyName’，value)

2 电力电子技术教学仿真软件的设计与实现

2.1 仿真软件的设计

本课件采用MATLAB编程语言，按照电力电子技术课程内容可以设计出相应的CAI系统结构，即电力电子技术教学仿真软件主界面如图3。

图3 电力电子技术教学软件主界面

本软件主要是按照实际整流电路的要求来实现电力电子技术中各种电路的动态仿真，便于理解和掌握。

2.2 应用实例

在MATLAB中提供了Simulink和Power Sys term Blockset工具箱，拥有一种很方便的建模环境，用户不用直接编写程序，而是通过交互命令方式建立、修改和调试模型，给电力电子技术中的各种电路的仿真提供了有利的条件，简化了仿真建模。例如图4为三相半波可控整流电路的仿真电路。

在仿真电路图4中，双击模块，从而得到负载的属性设置，改变各项的值，运行并通过示波器来显示各个量的变化，以便比较和研究。在仿真环境中，用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真，有机地将理论研究和工程实践结合在一起。

图4 三相半波可控整流电路

图5和图6为不同负载时的负载电压仿真波形。通过仿真波形的比较，大大提高了理论分析的可视性。

图5 电阻负载时的负载电压仿真波形

图6 阻感负载时的负载电压仿真波形

3 结论

本文基于MATLAB的GUI技术和Simulink仿真工具，实现了电力电子技术教学软件的主要功能，包含了《电力电子技术》课程大部分的教学内容，针对电力电子技术中基本的整流电路进行了动态仿真，并对仿真结果进行了比较，给电力电子技术试验和教学带来了方便，而且对学生熟悉和应用MATLAB也起到积极作用。