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车载逆变电源的Saber与Simulink联合仿真

时间:07-18 来源:互联网 点击:

摘要:在此运用软件Saber和Matlab/Simulink对车载逆变电源系统进行了联合仿真,得到具有闭环控制功能的车载逆变电源系统的实时仿真结果。通过仿真结果表明利用Saber和Matlab/Simulink软件的联合仿真,可以实现精确的器件模型,搭建控制系统更方便,保证了系统仿真的收敛性,简化了系统仿真的难度,缩短了仿真时间。
关键词:车载电源;Saber;矩阵实验室;联合仿真

0 引言
汽车早已进入大众家庭,而现在已变成了集娱乐功能为一体的交通工具。而要具有娱乐功能,汽车上的各种电器需要电源供电。普通的汽车电源是12 V蓄电池,而常用电气设备主要使用220 V、50 Hz交流电。因此需要将直流电逆变成交流电。常见的逆变电源的结构,都是先通过高频变压器升压成高压直流,再通过桥式逆变为工频交流电。电路仿真软件主要有Spice,Matlab/Simulink,Saber等,各个软件都有其自身的特点。Matlab/Simulink在控制系统仿真方面具有优势,并且提供了很多的控制工具箱;而Saber软件具有精确的硬件元器件模型库,能为仿真带来更精确的结果,同时其在开关电源仿真上收敛性很好,仿真结果分析查看工具很强大,后续处理很优秀。本文针对车载逆变电源的特点,利用saber与Matlab/Simulink联合仿真,对车载逆变电源进行了系统级的仿真研究,得到了特性很好的220 V、50 Hz的交流电。

1 Saber软件的特点
1.1 Saber概述
Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是惟一的多技术、多领域的系统仿真产品。Sabet软件广泛应用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统。它不仅适合于元件级仿真,也适合于系统级仿真。Saber在电源设计中的特点主要是具有30 000多种元器件,包括电源专用器件和功率电子器件,提供高精度的电路仿真模型单元库;三种变压器模型设计,有效地解决了变压器的设计问题;同时Saber顺序使用五种强大算法,有效控制开关电源电路的仿真收敛性能;且saber利用其获有专利的Calaveras算法来获得最佳性能,在大型系统的仿真上,时间较Matlab/Simulink短很多。由于通过单一的
混合信号仿真内核提高了仿真速度并提供精确有效的仿真结果;同时Saber带有与其它仿真软件结合的混合仿真接口,可以结合其它仿真软件的优点方便、高效、准确的来实现系统的设计。
1.2 SaberScope图形化波形分析器
Saber自带的SaberScope图形化波形分析器,功能强大,可以进行波形的各种计算分析。它可以快速并形象化地将反映设计性能的50种测量结果标注到图形上;能保存图形的原始数据,并再现图形;具有独特的波形计算器,可以将信号管理器中的信号选择到波形计算器的寄存器中,并对波形进行各种运算。

2 Matlab/Simulink软件的特点
Matlab是美国Mathworks公司出品的商业数学软件,主要包括Matlab和Simulink两大部分。Simulink是Matlab最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。Simulink适合于系统级的仿真,没有精确模型的元器件库,不适合进行元件级的仿真。但Simulink具有强大的控制系统仿真能力,适合于各种控制系统的仿真设计。对于无法或不容易利用元器件进行搭建的控制算法,可以利用Simulink中的各种系统工具进行搭建。并且可以得到良好的效果。

3 车载逆变电源的仿真设计
3.1 车载逆变电源的设计方案
本文车载逆变电源的设计主要分两级,前级使用直流升压电路,将12 VDC升高到350 VDC左右,后级将高压直流进行逆变,得到220 V,50 Hz的交流电。前级利用高频变压器将直流升压,这样可以减小变压器体积,提高系统的功率密度。前级采用推挽电路设计,只需2个功率开关器件。变压器副边使用桥式整流电路,得到高压直流。桥式电路后面是一个三阶π型低通滤波器,得到平滑直流,减小纹波。后级逆变电路采用全桥逆变,可以控制谐波含量。最后通过一个巴特沃斯低通滤波器,获取工频交流。
3.2 车载逆变电源的硬件设计
车载逆变电源主要的硬件在于功率开关器件的选取。在Saber仿真环境中,前级DC升压主电路应选取低压大电流的开关器件,耐压要大于2.6倍的蓄电池电压,选取IRF1010EZ,其额定电流84 A,最大耐压60 V。逆变电路则相反,应选取高压小电流的功率开关管,本文选择IRFP460,500 V耐压,额定电流20 A。高频变压器选择TDK PC40EER42-Z磁芯,初级2匝,次级80匝,工作频率50 kHz。由于变压器工作在高开关频率下,副边整流二极管需要使用快恢复二极管MUR1660CT,其额定电流8 A,需几十纳秒的反向恢复时间。交流滤波电路选择巴特沃斯低通滤波器,截止频率是基波频率的2倍,为100 Hz,则由巴特沃斯滤波器设计特性可以计算出L=225 mH,C=22.5μF。
高压直流端需要进行低通滤波处理,在此选择三阶π型低通滤波器。对于高压直流端滤波,首先将频率进行归一化处理,取的电感L=91.9 mH,C=1.1μF;此外直流高压端的电容选取要符合一定的要求,即在前级电路不工作时,电容上的电压仍然能维持12 ms的交流输出,同时大电容可以维持高压直流,使其不会出现大的波动。因此需要加上一个大电容,作为前级DC/DC升压电路断电后的电源。由电容能量公式公式,功率P为500W,并且在12 ms内电压降为稳定电压的90%,计算出C=850μF,取标准电容值820μF。
3.3 车载逆变电源的仿真实验
该设计的原理图中前级使用推挽电路,连接到变压器上,再通过整流,滤波,逆变得到交流电。反馈回路上通过接口模块voltage to var,将输出的电压反馈回去。而MOS管的驱动则是使用var to voltage接口模块,将变量转换成电气量,应用到电路中去作为控制脉冲。
仿真原理图是在Saber中搭建的。其中模块Inverter_cosim是Saber与Simulink接口模块,负责Saber与Simulink之间的数据传输。该模块共有6个输出接口,1个输入接口。输入接口为负载实时电压,检测电压进行实时反馈。输出接口中,2个用于控制推挽电路的开关管的导通,调整占空比;其余4个用于控制逆变电路的功率管的导通,实现逆变。
Inverter_cosim模块中即是实现Matlab/Simulink控制功能的,相当于“子系统”一样,将控制模块封装起来,然后留出输入/输出接口,用于与整个系统交换数据。Inverter_cosim模块按如下方法得到:
(1)打开Saber软件主界面的SaberSimulink Cosimulation Tool;
(2)选择File→Import Simulink,选择控制系统的Model文件即.mdl文件;
(3)选择Model文件之后,Cosim Tool自动检测并留出联合仿真模块的输入/输出;
(4)本例设置联合仿真步长为1μs,系统自动生成symbol文件即.ai_sym文件;
(5)将symbol文件放入仿真原理图中,连接好即可进行仿真。
在原理图连接好以后,即可进行暂态分析,仿真调用Inverter_cosim模块的过程如下:首先Saber进行网络表生成,然后进行暂态仿真,此时Saber会打开Matlab/Simulink,并将Simulink中的模型文件打开,调用Simulink,最后整个系统进行仿真,通过Inverter_cosim模块进行数据传输,实现两者的联合仿真。
3.3.1 控制系统方框图
控制系统方框图如图1所示。

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