基于RCP的Buck电路虚实结合实验教学项目设计

    吴爱华 邓勇 宋家辉 王艳媛 朱勤海

    

    

    

    摘? 要 设计基于NI公司FPGA板卡以及图形化编程软件Lab-VIEW的快速控制原型Buck电路系统开/闭环控制虚实结合实验项目。实验系统由基于PC测量和自动化的NI PXI平台、PXI-

    7854R板卡、Buck主电路和LabVIEW电压控制程序组成。本实验项目有利于学生对Buck电路系统的学习掌握，并形成电子线路与控制系统的整体概念，增强实验教学效果。

    关键词 快速控制原型;Buck电路系统;LabVIEW FPGA;实验教学

    中图分类号：G642.423? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）10-0120-04

    Abstract In this paper， the rapid control prototyping （RCP） method is applied to the experimental teaching of Buck circuit system. The proposed experiment teaching project is designed for open-loop and closed-loop control modes based on NI intelligent FPGA board and graphical programming software LabVIEW. The experiment system is composed of the NI PXI platform， PXI-7854R circuit board， Buck main-circuit and LabVIEW voltage control program. The experimentteaching project is helpful for students to master the Buck circuit system， and form the whole concept of circuit and control system， and enhance the effect of experimental teaching.

    Key words rapid control prototyping; Buck circuit system; Lab-VIEW FPGA; experimental teaching

    1 引言

    快速控制原型（RCP）是一种基于模型的开发平台，通过该平台，系统设计人员可以快速验证设计方案，具有缩短研发周期和广泛的可重用性等优点，因此在控制系统设计中得到广泛的应用和迅速的发展[1-2]。快速控制原型仿真系统=虚拟控制器+实际对象，一种半实物仿真系统。利用快速控制原型进行控制系统的设计有诸多优点：大大缩短开发周期;在开发早期减少/消除可能的错误及缺陷，从而达到节省开支、降低物耗的目的;提高新产品对需求的适应性。

    基于LabVIEW FPGA的快速控制原型能够模拟各种被控制对象和控制原型，以满足相关应用领域的开发设计和测试需求。为了进一步提高电子线路系统的实验教学质量，避免传统实验操作过程易将功率主电路拓扑与闭环控制系统相互割裂的不足，本文将LabVIEW FPGA快速控制原型方法应用到对Buck电路的控制中，设计出虚实结合的实验教学项目。通过原型，能够方便地形成控制闭环，参数调整，以及观测Buck电路的输出电压特性。学生通过整体闭环控制回路连接、PID控制器参数设计、PWM控制波形和电压输出波形的分析，有利于对Buck电路系统的学习，并形成电子线路与控制系统的整体概念。

    2 LabVIEW FPGA简介

    LabVIEW FPGA模块赋予NI可重配置I/O硬件终端的FPGA芯片以图形化开发功能（美国国家仪器有限公司，《NI R系列多功能RIO用户手册》）[3]。可以使用LabVIEW FPGA模块，通过图形化编程对NI RIO設备上的现场可编程逻辑阵列（FPGA）进行配置。借助FPGA模块，用户可以在Windows主机上开发FPGA VI程序。同时，LabVIEW将进行编译并执行硬件中的代码。

    LabVIEW FPGA可替代常用的自定义硬件，快速方便地建立实现如快速傅立叶变换（FFT）、高速模拟和离散控制回路、模拟和数字信号生成等特定功能的复杂测量和控制系统。用户可利用LabVIEW开发平台，创建可直接访问I/O且具有用户定义的逻辑的嵌入式FPGA VI程序，从而实现数字协议通信、硬件在环仿真以及快速控制原型等应用的硬件自定义。

    3 快速控制原型设计

    总体功能设计? LabVIEW FPGA模块运行于安装Windows操作系统的PXI平台上，在PXI平台上完成控制模型的程序设计与仿真，由平台软件完成模型的连接与相应的集成配置功能后下载到目标，控制模型代码在实时的基于PXI平台的FPGA硬件中实时执行，同时通过上位机对控制模型进行监测，总体功能设计如图1所示。图1中，NI PXI-7854R板卡内部含XILINX FPGA芯片Virtex-5。该板卡采集的数据通过PXI构架或DMA通道直接传输到上位机实时系统中。

    FPGA PID模块设计? FPGA PID模块使用一种定点算法，通过FPGA目标实现高速控制和多通道使用。FPGA PID VI可以实现单通道或多通道配置。这种PID模块采用积分抗饱和算法来消除瞬态过程中积分作用的影响，当PID增益变化时，控制器可实现无扰输出。其内部结构如图2所示。

    FPGA中的PID控制器已经被NI公司集成在软件中，可以直接通过“Block Diagram→FPGA Math&Analysis→Control→PID控件”拖到用户程序中。使用时仅需要确定输出范围和调整Kp、Ki和Kd的值，直到输出达到预期值即可。

    FPGA PWM模块设计? 许多固定功能的数据采集设备无法处理快速变化的占空比，或只能为静态PWM分配固定数量的通道。使用LabVIEW FPGA设计的PWM模块产生的PWM波形稳定，精度高。本文采用NI公司的PXI-7854R，时钟频率默认40 MHz，8路模拟输入的独立采样率最高可达750 kHz，8路模拟输出独立更新率最高可达1 MHz，完全满足设计需要。PWM的模块设计如图3所示。图中，PWM程序结构简单，可以产生1 MHz以上速率的高电平为3 V的PWM波。

    4 实验与测试

    实验开发平台? 本文采用的实验开发平台基于NI公司的PXIe-1062Q嵌入式机箱，机箱中插入R系列多功能RIO设备，设备中的板载FPGA芯片即是控制原型运行的目标芯片。软件上可通过LabVIEW FPGA模块接受编程创建LabVIEW

    程序框图来实现。

    为了与外部数据通信，I/O口也是必不可少的。FPGA芯片上包括8路模拟输入、8路模拟输出和96条数字线。设备与外部连接使用的是NI SHC68-68-EPM性能增强型屏蔽电缆和NI SCB-68A屏蔽式I/O接线盒。其实物如图4所示。

    模块整合? 本文的快速控制原型分为三个模块：FPGA PID模块、FPGA PWM模块和FPGA采集模块。首先需要设计整个原型的系统框图，如图5所示。根据系统框图调试软件程序并连接外围电路。Buck电路和调理电路板通过接线盒与FPGA平台相连。

    LabVIEW FPGA在实际的硬件设备上执行PID算法时，可以达到超过100 kHz的循环速度。但是，这里控制循环的速度瓶颈还在于A/D转换的处理时间，如果A/D速度更快，循环速度也将相应提升。本文中的RIO硬件，像数字I/O的控制循环，如PWM，可以达到1 MHz以上的速率。

    系统界面? 除了设计FPGA VI，还需要设计host VI，也就是上位机界面的设计。本文的Buck电路控制界面包括基本参数设置、开环参数设置、PID控制参数调节、开闭环切换、电压示波器等功能，可以实时观测输出电压波形和控制占空比波形，实现开环控制与闭环控制效果对比，比例、积分和微分调节等功能。该系统界面设计如图6所示。

    原型调试? 对整个Buck电路快速控制原型进行调试，首先确定PWM波的频率，即开关频率，因为开关频率的大小决定了Buck电路输出电压纹波的大小，所以根据纹波计算式，式中，可设计出Buck电路的电感值L=2 mH，电容值为C=100 uF。若选取开关频率为10 kHz，则纹波满足小于1%的要求。

    PWM波的频率选取好后，再确定采样频率。可以根据香农采样定律，将采样频率设定为20 kHz以上，远远低于设备采样率模拟输入最高750 kHz的设计值。将采样数据取平均后送入PID模块的输入端，而输出端的数据经过转换程序后控制PWM的占空比直到采样电压达到设定值后，调节完成。

    实验时需要先整定PID参数，首先整定比例部分。在运行界面，将比例系数由小调大，并观察采集的电压曲线，直至得到反应快、超调小的电压曲线。当仅调节比例系数，电压曲线的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节。整定时，首先置Ki为一个较小值，再慢慢增大Ki的值，直到电压曲线由等幅振荡变为单调稳定。一般而言，到这里都能得到比较满意的响应曲线。如果动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节，不断增大Kd的值即可[4]。

    实验时，先进行开环测试，将界面开闭环按钮拨到开环处。将PWM频率设置为10 kHz，设置输入电压为8 V，占空比为50%和80%时，测量输出波形，如图7所示。根据Buck输入输出关系式Vo=DVs，计算得占空比为50%和80%时的理论输出电压为4 V和6.4 V。可以看出，实际输出电压要比理论值偏小0.2 V左右，这是由于电路本身的损耗和管压降导致的，并且波动在0.1 V之内，与1%的设计要求相差不大。

    然后进行闭环测试，将界面开闭环按钮拨到闭环处。将PWM频率设置为10 kHz，设置输入電压为12 V，给定电压为4 V和6 V时，分别测量输出波形和PWM占空比的波形。如图8所示，图中显示的是给定电压是4 V时的输出电压跟踪波形。由图8可见，系统启动后，占空比进行了大幅变化调节，快速实现4 V给定电压的输出跟踪目标值。

    同样，图9是给定电压是6 V时的输出电压跟踪波形，电压同样可以实现快速跟踪。根据上面开环时的公式，给定电压4 V和6 V时的占空比理论值应为33.3%和50%，实际值为38%和55%，这里偏大也是因为电路损耗和管压降造成的。

    可以看出，FPGA PID模块可以很好地控制Buck电路的输出电压，既快速又稳定，实验波形数据与理论计算结果基本一致。

    5 结语

    基于LabVIEW FPGA快速控制原型设计的虚实结合实验项目设计模式，可以作为研究性实验教学中的有效方法，能够从根本上解决很多实验周期长、硬件设备昂贵和维护成本高等问题。作为一种新的实验教学方法，摆脱了运用传统实验台型教学方式，学生严格按照实验说明书步骤接线测试的僵硬模式，提高了实验的灵活性、综合性、可测性，改善了实验教学的效果，有利于学生专业综合能力的培养。

    参考文献

    [1]茅靖峰，申海群，顾菊平，等.LabVIEW FPGA实时仿真在现代电力电子技术实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2016，35（9）：108-113.

    [2]张宝顺，赵成勇，刘兴华，等.基于PXI的MMC-HVDC系统快速控制原型设计[J].电力系统自动化，2014，38（3）：59-64.

    [3]崔佩佩，何强，韩壮志，等.用LabVIEW FPGA模块实现不同时钟域的数据连续传输[J].现代电子技术，2011（17）：149-152.

    [4]杨泽轩，郑建立.基于MATLAB的BUCK电路设计与PID闭环仿真[J].信息技术，2015（10）：155-158，163.