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IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 48, NO. 4, NOVEMBER 2005
基于web的电子电力实验室的开发、实现和评估
William Gerard Hurley, Senior Member, IEEE, and Chi Kwan Lee
摘要-介绍了一种基于网络的远程访问的实验开设方式，通过该方式，让电气/电子工程的学生从理论和实践两方面对电力电子的许多基本方面进行了解。该系统是灵活的，可以扩大不可完全展开的实验室作业的范围。在电气环境中，由于安全原因，可以对电压和电流进行限制。在进入物理系统之前，实验室前的调查可以让学生积极参与到学习过程中，解决一些具有挑战性和关键的设计问题。通过利用PSpice对电路进行仿真，然后用MATLAB对控制和反馈问题进行分析，从而进一步了解了基于网络的交互式电力电子研讨会(iPES)中的电路。在最后阶段，在Web上远程测试一个真正的电源转换器，并使用基于Web的工具完成设计、模拟和测试的周期。
指标控制工程，dc-dc转换器，远程学习，电力电子，网络实验室。
瞬时变量为小写;静态或平均值为大写;而增量部分是小写的，例如。增量变量的拉普拉斯变换是变量的大写。
, e.g., .
一个基于网络的实时实验室描述了实验中所使用的所有仪器都是通过网络远程访问的，学生可以在自己的时间内进行测量，并在进行测量时不断细化设计。学生在屏幕上看到所有的仪器，并按要求控制输入，以观察所采取的行动的结果。网络所提供的体验式学习环境刺激了学生在高度互动的环境中。与传统的实验室设置相比，更有优势的是预定的时间槽被淘汰，带电电路的安全不是问题，而且用户的数量也不受限制。基于网络的实验室已经发展到控制领域[1]，[2]。本文的重点是基于网络学习的更广泛的概念和评价，并与传统的学习方法进行比较。
在传统的实验室练习中，学生们完成了一个由设计和模
拟组成的实验前任务。.
Manuscript received July 20, 2004; revised July 6, 2005. This work has been funded by Enterprise Ireland.
TheauthorsarewiththeDepartmentofElectronicEngineering,NationalUniversity of Ireland, Galway, Ireland (e-mail: ger.hurley@nuigalway.ie).
Digital Object Identifier 10.1109/TE.2005.856147
然后，这个学生和其他20个人一起去实验室，他们在两个小组中工作，测量结果以确认计算结果，通常在两个小时的时间段内。这个过程的主要缺点是，如果理论和测量不匹配，学生没有机会重复设计组件，因为时间限制;换句话说，理论与实践之间的基本反馈环节缺失。反馈环节由基于网络的实验室测量提供。学生在屏幕上看到所有的仪器，按要求控制输入，并监控所采取行动的结果。与仿真工具不同，这些工具在真实的硬件上实时操作。
电源必须设计成具有良好的线路调节、良好的负载调节和良好的瞬态响应，在所有操作条件下基本稳定。所有这些要求都满足于使用闭环控制变换器，将参考电压与实际输出电压进行比较，从而改变功率晶体管开关的占空比，将输出电压恢复到所需的值。脉冲宽度调制(PWM)反馈控制实现了这一目标[3]-[6]。
在从实验室到实验室的作业过程中，介绍了电力电子的基本原理、开关系统的动力学、平均和线性化的电路模型技术，以及补偿技术在典型控制系统中的应用。在[7]中有一个具有动画小应用程序的优秀的基于web的交互式电力电子研讨会(iPES)。现代基于网络的电路设计工具(PSpice)和控制系统(MATLAB)的使用消除了传统的基于纸张的方法，这种方法通常需要广泛的近似，同时激励学生在创新的学习环境中获得对基本原理的洞察。将仿真工具与iPES相结合，可以使学生在被调查的实验的细节之外获得广泛的可转移的技能。
II. 基于web的电力电子实验室设置。
A. 设备和dc-dc电源转换器。
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0018-9359/$20.00 copy; 2005 IEEE |
远程访问实验室的开发基于通用接口总线(GPIB)工具和LabVIEW 7.3所有的仪器，包括一个四通道数字示波器。
Fig. 1. 实验室硬件设置
Fig. 2. 直流-直流转换器电路
一个直流电源和一个数字电压表，使用LabVIEW 7和GPIB接口与主计算机通信来执行数据交换。图1展示了实验室的硬件设置。图1所示为实际dc-dc功率变换器及相关电源、电阻负载、示波器;运行LabVIEW 7的主计算机在右边显示。测量了变频器的栅电压、输入电流、输出电流和输出电压纹波波形。直流电源的输入电压可以由8 ~ 15 V的直流电源来改变。该系统的功率转换部分由dc-dc buck转换器实现，使用一种功率金属- oxide-半导体场效应晶体管(MOSFET) asthesingdevice，如图2所示。在表I上列出了dc-dc buck转换器的详细技术规范。
B. LabVIEW和LabVIEW互联网工具包。
由国家仪器公司(NI)， Austin, TX，是一个数据采集、仪器控制、测量分析和数据展示的图形化开发环境。图3显示了虚拟仪器(VI)设置的两个示例，它们用于发送命令，并通过GPIB接口接收来自工具的数据字符串。图3(a)是将电压值和电流限制发送给直流电源的VI设置。直流电源的输出电压和电流可以用一个简单的接收命令来测量和接收，如图3(b)所示。所有的功能,
T表格 I
dc-dc BUCK转换器的技术规范。
系统的配置和外观是通过连接不同的块来组装的。LABVIEW 互联网工具包在Internet Web浏览器上集成了VI设置。图4显示了在Web浏览器界面上显示的最终工具和控制面板。.
III. 电路分析和设计
A. 变量分析
dc-dc buck调节器电路以两种不同的方式运行。对这些模式的分析，在任何本科文献[3], [4]中都有，揭示了以下等式，即开关的工作周期:
and (1)
iPES[7]是学生熟悉电路的理想工具;示例屏幕如图5所示。电路的动态特性是基于对电压、电流和工作周期的稳态或平均值的扰动。在[6]中描述了线性化的过程，由此产生了如图6所示的线性化等效电路。
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Fig. 3. Example of LabVIEW VI. (a) Setup 1: Sending a command to an instrument. (b) Setup 2: Receiving a data string from an instrument.
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Fig. 4. 最后的仪器和控制面板上的网页浏览器。
稳定性分析需要控制输出的传递函数，可以通过设置来找到。,收益率,
B.框图
图7显示了一种受控制的dc-dc buck转换器的闭环系统，包括补偿误差放大器、PWM发生器/比较器和转换器传递函数。完整的电路和传递函数的推导在附录中描述。
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Fig. 5. Interactive power electronics seminar (iPES) [7]. |
Fig. 7. Block diagram of the converter.
IV. 实验室前作业和学生练习。
在开展基于网络的实验室之前，学生必须完成一套预先实验作业。这组预实验作业为dc-dc开关模式转换器的设计提供了一个良好的基础和理论背景，该转换器稍后在网络上进行远程测试。作业包括理论电路分析、计算机模拟、平均线性化电路建模、控制回路设计和补偿、电感设计。A. 计算机仿真与PSpice软件
学生被要求使用PSpice进行电路模拟。通过仿真验证了该转换器的工作原理，并验证了设计方程
较低的跟踪输出电流和规范。一种理想的dc-dc buck调节器的PSpice模型包括电压控制开关、理想二极管、理想电感器和理想的输出电容。开关由脉冲电压源控制。图8为输出电容电压和电感电流的PSpice输出。
225/5000
预计该学生将比较电压纹波和电流波纹与基于输出电容和电感值的著名计算。计算结果可能与以后的实际测量结果相比较。
B. 稳定性分析和MATLAB
在这个练习中，要求学生选择补偿误差放大器(图10)的值，以确保至少45的相位裕度和至少两个的增益余量以保证稳定性。稳定是通过实现正确选择极点和零补偿误差放大器。学生用MATLAB生成开环变流器控制系统(图9)的Bode图。
V. 远程实验室会话
在实验室练习中，学生观察并记录在电源转换板上的探测点的波形。图4显示输入电流、输出电流、输出电压纹波，以及在Web浏览器屏幕上的转换器的栅极电压，输入10v，输出5 V(从直流电压表读出)，输出为3.3电阻负载。学生可以重复测量从8到15伏特的各种输入电压，注意到调节的5-V输出电压很少或没有变化。目的是根据输入电压的变化，观察变频器工作周期的变化。要求学生计算电感值(使用输入电流/电感电流的斜率)、平均输入/输出电流、平均二极管电流、输入/输出功率和变换器的效率。还可以考虑其他的实验，如对输入电压变化的阶跃响应和使用电子负载的负载变化。
VI. 评估和评价
独立评估基于网络的实验室练习是基于[8]中阐明的原则，强调可用性。学生们被要求为评估目的写一份详细的项目报告。学生评价由爱尔兰国立大学，戈尔韦的教学与学习中心(CELT)进行。来自学生的反馈讨论了作为教学工具的方法的有效性和课程内容的相对优势和不足。学生们还被要求找出基于网络学习的主要优势，而不是传统的方法。学生们高度评价每个组件(iPES, PSpice, MATLAB，和测量)，并将访问时间和时间的灵活性作为主要优势。学生被要求用新系统表达他们的自信程度，2)评价材料的质量，3)表示他们的总体满意度。结果总结在表二，表明超过80%的学生对锻炼感到满意。学生建议在一段较长的时间内进行现场实验，以从实验中获得充分的益处
Fig. 10. Circuit for dc–dc converter.
反馈对于指导教师未来的实验运行非常有用。.
VII. 结论
描述了一个具有远程访问功能的基于web的电力电子实验室。开发了一套板式电源转换系统，为学生提供了交互式教学和演示设备。完整的练习包括交互式仿真(iPES和PSpice)和控制软件(MATLAB)用于电子系统。本文验证了物理系统的设计和控制实现的正确性和鲁棒性，可以作为一种教育工具来突出开关电源的各种概念及其控制。本文演示了
TABLE II ASSESSMENT DATA
基于网络的实验室练习消除了传统上对空间、时间和员工成本的限制，同时给学生提供了更多的灵活性。
A附录
TheblockdiagramofFig。图10所示的全电路图。在(2)中已经建立了主DC-DC变换器的传递函数，补偿误差放大器是一种简单的逆变放大器，其传递函数是容易建立的，可以产生
在[6]中充分说明了脉宽调制(PWM)控制器的操作。综上所述，控制电压与重复的斜坡波形相比较，比较器的输出控制开关的工作周期。PWM电路的传递函数为[4], [6] (A2)
当斜坡波形的峰值
致谢
作者感谢W. H. Wolfle, M. Hynes和s.c. Tang对他们的贡献。他们还要感谢I. MacLabhrain博士和M. Keating在爱尔兰国立大学的教学与学习卓越中心(CELT)，感谢他们的帮助。参考
- C. C. Ko, B. M. Chen, J. Chen, Y. Zhuang, and K. C. Tan, “Development of a Web-based laboratory for control experiments on a coupled tank apparatus,” IEEE Trans. Educ., vol. 44, no. 1, pp. 76–86, Feb. 2001.
- K. W. E. Cheng, C. L. Chan, N. C. Cheung, and D. Sutanto, “Virtual laboratory development for teaching power electronics,” in Proc. 2002 IEEE Power Electronics Specialists Conf. (PESCrsquo;02), vol. 2, Jun. 2002, pp. 461–465.
- D. W. Hart, Introduction to Power Electronics. Englewood Cliffs, NJ:
Prentice-Hall, 1997.
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