MATLAB语言在电源仿真中的应用

MATLAB语言在电源仿真中的应用

陈琪 罗运成 王震

(武汉数字工程研究所 武汉 430074)

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摘 要

主要介绍了电源的计算机仿真方法和常用的各种电路仿真软件,阐述了应用MATLAB对电源的仿真技术。

关键词 仿真 电源 MATLAB

IsSpice和MATLAB等。通常把电源电子仿

真软件分为两种:侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器,其中Pspice、Saber

近几年来,电路分析和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。电路

设计采用计算机仿真技术对不同的设计方案迅速地进行模拟分析,并在电路形式确定以后,对电路的元件参数进行灵敏度分析和容错分析,从而优化元件参数,保证设计质量。所以,电路设计中采用计算机仿真技术,能极大的减少人工劳动,缩短设计周期,降低设计成本。目前,在电力电子装置的研究中,越来越多的装置采用计算机仿真技术。对于军用电源来说,其工作环境和负载情况都非常恶劣,而采用的功率器件却很昂贵,所以在电源的设计中采用计算机仿真技术就更具有优越性。

和MATLAB分别是两类仿真器的代表。这里,我们着重介绍一下MATLAB,是由Mathworks公司推出,其中的PowerSys-temBlockset(PSB)含有在一定使用条件下的元件模型,包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等,再借助于其它模块库或工具箱,在Simulink环境下,可以进行电力系统的仿真计算,可以实现复杂的控制方法仿真,同时可以观察仿真的执行过程。仿真结果在仿真结束时利用变量存储在MATLAB的工作空间中。

为了准确地把一个控制系统的复杂模型输入给计算机,并进行进一步的分析与仿真,Mathworks公司提供了新的控制系统模型图型输入与仿真工具)))SIMULINK。SIMULINK是众多仿真工具中功能最强大、最容易使用的一种。在SIMULINK中,对

1 引言

2 常用各种电路仿真软件

常用的电路仿真软件有Pspice,Saber,

X收稿日期:2003年3月11日,修回日期:2003年4月7日 70 舰船电子工程 2003年第5期

系统进行建模将变得非常简单,而且仿真过程是交互的,因此,可以随意改变仿真参数,并且可以立即得到修改后的仿真结果。其中的PowerSystemBlockset(PSB)含有在一定使用条件下的元件模型,包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等,再借助于其它模块库或工具箱,可以进行电力系统的仿真计算,可以实现复杂的控制方法仿真,同时可以观察仿真的执行过程。仿真结果在仿真结束时利用变量存储在MATLAB的工作空间中。另外,使用MATLAB中的各种分析,还可以对仿真结果进行分析和可视化。它是实现动态建模与仿真的一个集成环境。

MATLAB用模型来描述系统,通过这些模型来形成一系列微分方程,仿真器的核心是解一系列变系数非线性时变微分方程。当MATLAB库中无合适的器件模型可直接使用时,可用MATLAB语言来解决模型建立的问题,解决方法如下3种:

(1)对通用模型的参数进行赋值

这种方法只适用于一般模型,其模型中已描述了所要求的元件行为。

(2)无单个模型存在时,可考虑用其他多个模型来表示,这种方法称为组合建模

其优点是无需建模语言,建模容易,速度快,缺点是所建模型在许多场合下无实际意义且复杂,效率低,并且需要足够的基本模型,在建立一种新型的电力电子器件仿真模型时,我们可使用此种方法。

(3)建立行为模型

遇到MATLAB/SIMULINK元件库中无所需要元件时,除可修改现有模型外,也可通过描述原型的行为来建立新的模型。由于其灵活性及高效性,这种方法被建模者广泛应用。

对于开关型变换器这样一个非线性的时变系统,要准确地分析其空间和动态性能往往是非常困难的。建立精确的数学模型一直是电力电子学领域的一个难题,通常只有假设一定的条件,而忽略一些次要的因素,才能得到在一定范围内适用的数学模型,为分析和设计电路提供帮助。其建模通常有2种方法:¹根据器件内部载流子运动的物理规律建立物理)电气模型;º根据器件外部行为建立等效宏模型。

近十几年来,国内外许多学者在电磁器件的建模方面做了大量工作,首先需要解决的问题是描述磁性材料磁化特性,其中比较实用的模型有物理含义明确的J-A模型和使用一般元器件模型构造的宏模型。在磁性材料模型的基础上,综合运用法拉第、安培和高斯3大电磁定律,可以确定电磁器件的磁路模型。再根据电路与磁路的对耦原理,即可建立电磁器件的电路模型。

模型建立后,可以直接对它进行仿真分析。可以选择合适的输入源模块做信号输入,用适当的接收模块观察系统响应、分析系统特性,仿真结果输出到接收模块上。如果仿真结果不符合要求,则可以修改系统模型的参数,继续进行仿真分析。

SIMULINK提供的图形用户界面GUI上可以构造出复杂的SIMULINK模型。它外表以方块形式呈现,且采用分层结构。从建模角度讲,这既适合于自上而下的设计流程,又适合于自下而上的逆程设计。从分析研究角度讲,这种SIMULINK模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节,而且能让用户清晰了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换,掌握各部分之间的交互影响。在SIMULINK环境中,用户可以摆脱理论演绎时必须做的各种假设,我们可以在仿真进程中改变感兴趣的参数,实时观察系统行为的变化。

SIMULINK模型有以下几层含义:在视觉上表现为直观的方框图:在文件上则是扩展名为MDL的ASCÒ代码;在数学上体现为一组微分方程或差分方程;在行为上模拟总第137期 陈 琪等:MATLAB语言在电源仿真中的应用 71

了物理器件构成的实际系统的动态性状。从宏观角度看,SIMULINK模型通常包含三种/组件0:信源、系统以及信宿。信源可以是各种信号源;信宿可以是示波器,图形记录仪等。SIMULINK模型实际上是一个计算机程序,它定义了描写被仿真系统的一组微分或差分方程。

总之,功率电源仿真方法一般有两种:一种方法是建立电路中各个元件模型,然后把它们连成电路进行仿真;另一种方法是把整个电路看成一个整体进行仿真。可以根据电源动态过程的特点,采用计算机仿真技术,通过建立控制系统的非线性模型,得到各种动态过程的直接描述,并进行仿真分析,为研究电源输出的动态过程提供有效的手段。

所以我们使用了一个Switch模块。Switch模块设置的参数只有一个Threshold(阀值),当控制端2的值大于或等于Threshold时,输入端1与输出端连通,否则输入端3与输出端连通。这样,在建立降压式变换器模型时,由于电感中的电流经过零之后将保持为零值,因此将Switch模块的输入端3与输出端相连通。

图1 BUCK开环降压式变换器工作拓扑图

3 MATLAB在电源仿真中的应

用示例

MATLAB在变换器中的仿真中的应用一直是人们十分关注的研究领域。MAT-LAB在电源仿真中的应用方法可分为三个方面:

(1)运用MATLAB强大的计算功能求解电源变换器方程式;

(2)运用MATLAB频域分析的工具研究变换器系统的控制功能;

(3)运用MATLAB的SIMULINK、ToolBox工具仿真变换器系统。

前两个方面的应用已经取得许多研究成果。SIMULINK、ToolBox工具是MATLAB近几年开发出来的,所以应用较少。

本文以SIMULINK在BUCK开环降压式变换器仿真为例,示其应用。

BUCK开环降压式变换器如图1所示:根据图1的工作拓扑图,我们易得出图2所示的降压式变换器模型。

电感中的电流经过零点之后,由于不能够变成负值(即电感中通过电流不能反向),

图4 电感上的电流波形图图3 Switch模块的参数说明图图2 BUCK开环降压式变换器模型图

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仿真参数如下:电压V=10V,电感L=

-6200@10H,电容C=47@10-6F,负载电阻

(1)开关电源系统是一个强电和弱电相结合的非线性系统,其中电和磁的相互作用非常复杂,不易理解。对于这样一个系统很难找到一个数学方程来加以描述,因此不容

易用传递函数从整体上对其加以仿真。所以,现有的仿真大多集中于其具体的电路部分仿真。这样,不便于检验已进行完仿真设计系统的整体效果。

(2)元器件模型的精度对最终仿真结果影响很大,因此建立精确的元件模型至关重要。而在开关电源电路中包括大量的非线性大功率开关元件和电磁器件,其建模与参数提取一直是难点,有待于进一步完善。因此,

R=5,控制频率f=50kHz,脉冲幅值为10。仿真结果如图4、图5和图6所示:

图5 电容上电压波形图

若不能解决该项技术,要想让已仿真完成的

电路应用于实际电路之中显然是不太现实的。

(3)电源的种类多种多样,就带来了具体设计电源时的电路选择问题。

总之,我们认为上述问题的解决关系到开关电源仿真技术能否真正得到推广,而如何解决这些问题则是未来相当一段时间内的研究方向,一旦这些问题得到妥善解决,则不

图6 电容上脉动电压波形图

难想像其未来的广阔前景。

参考文献

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[2]陈桂明,张明照,戚红雨,张宝俊.应用MATLAB建模与仿真[M].科学出版社,2000

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[4]NMohanWPRobbinsTMUnderlandetal.Simulationofpowerelectronicsandmotioncontrolsys-tems-anoverview[J].ProceedingsoftheIEEE.1994,82(8):287~302

调整示波器,我们得到图6,观测电容上

电压脉动,我们可以见到,其电压脉动非常小,仅有0.2V左右,仿真结果证明我们的仿真是成功的。

我们可以见到,用MATLAB/SIMULINK能有效地对开关电源进行计算机仿真。

4 总结

所以从总体上看,计算机仿真技术在电源领域属于新事物,其进一步发展尚需时间。当前与计算机仿真技术的结合还存在下述问题: