基于PSIM和MATLAB/Simulink的Buck电路的联合仿真

刘生建, 马桂芳, 邱晓芬

(1.龙岩学院 机电工程学院, 福建 龙岩 364012; 2.福建龙净环保股份有限公司, 福建 龙岩 364099)

基于PSIM和MATLAB/Simulink的Buck电路的联合仿真

刘生建1, 马桂芳1, 邱晓芬2

(1.龙岩学院 机电工程学院, 福建 龙岩 364012; 2.福建龙净环保股份有限公司, 福建 龙岩 364099)

结合PSIM在功率仿真方面的优势及MATLAB/Simulink在控制仿真方面的能力,在MATLAB/Simulink和PSIM联合仿真平台上,联合建立Buck电路仿真模型．仿真结果表明,利用PSIM和MATLAB/Simulink进行联合仿真,可充分发挥PSIM及MATLAB/Simulink各自的优势,简化建立仿真模型的过程,大幅度提高仿真速度．

Buck电路; PSIM; MATLAB/Simulink; 联合仿真

0 引言

随着计算机仿真技术的大力发展,使得电力电子电路的分析与设计发生了重大变化．特别是Cadence/OrCAD/PSpice、Saber、PSIM、MATLAB等一大批各具特色的优秀电子设计自动化(EDA)软件的出现,极大地提高了电路设计的效率．因此,在电力电子装置的设计过程中,把电路硬件设计与软件仿真相结合,可以有效缩短开发周期,降低成本．

仿真软件中Saber仿真软件仿真结果真实性最好,但该软件数据量处理相当大,仿真速度慢,且软件价格高、使用复杂,仅在部分企业使用．PSpice 软件的仿真波形与实验结果相似,对电力电子电路拓扑设计有重要价值,但其求解器收敛性不好,不适合对闭环控制系统的仿真．PSIM提供了功率级电路和控制电路中的常用元件模型,仿真速度快,但PSIM对控制系统层面的仿真能力较弱,对控制部分的建模不如MATLAB软件．MATLAB仿真虽然在控制方面的建模具有其他仿真软件无法比拟的优势,但在对电力电子电路软开关拓扑的仿真上,得到的仿真结果却与硬件的软开关过程相去甚远[1]．因此,随着电力电子系统复杂程度越来越高,单个仿真软件的功能往往难于满足电路系统综合仿真的要求,如何利用仿真软件的各自优势进行联合仿真是电力电子电路仿真的发展方向．

本文提出了基于PSIM和MATLAB/Simulink的联合仿真,结合PSIM在功率级主电路仿真方面的优势及MATLAB/Simulink在控制电路建模方面的能力,对Buck电路进行仿真分析,通过建立仿真模型,利用PSIM软件的MATLAB接口,完成Buck电路的联合仿真．仿真结果表明,该方法可使PSIM和MATLAB发挥各自长处,大幅度提高仿真速度,为电力电子系统的开发与设计提供了新的思路．

1 PSIM和MATLAB/Simulink联合接口说明

目前实现多个软件联合仿真较为通用的方式主要有：联合仿真式(Co-Simulation)、模型转换式(Model Transfer)和求解器集成式(Solver Convergence)[2]．

PSIM软件中交互接口程序SimCoupler,能够为与MATLAB/Simulink软件实现两个软件联合仿真提供接口．如图1所示,在PSIM建立的电路仿真模型中插入与MATLAB/Simulink连接的包含输入、输出接口的SimCoupler model模块,在联合仿真过程时,Out Link Node向Simulink发送数据,In Link Node从Simulink接收数据[2],通过输入/输出接口,Simulink的仿真数据及PSIM中电路仿真数据实现联合仿真．这种仿真方法控制策略易于实现,适合复杂的电力电子系统控制部分仿真[3]．

图1 PSIM和Simulink连接接口

2 PSIM和MATLAB/Simulink联合仿真步骤

根据电力电子电路系统的结构和功能,分为主电路和控制电路两部分,分别在PSIM和Simulink仿真平台建立电路仿真模型．建模及仿真步骤如下:

2.1 PSIM仿真部分

1) 在PSIM软件菜单项 Elements下点击Control,选择SimCoupler Module下的In/Out Link Node菜单项,设置输入/输出连接结点;

2) 在PSIM菜单项Simulate下点击 Generate Netlist File,生成网表文件,扩展名为.cct,生成的网表文件存放在PSIM的sch文件路径下．

2.2 Simulink仿真部分

1) 进入MATLAB,搜索SimCoupler(PSIM软件)文件所在的目录,并设置为当前路径;

2) 在MATLAB/Simulink中建立mdl文件,将PSIM软件的Example文件中的Simcoupler模块复制到建立的mdl文件中;

3) 修改MATLAB/Simulink mdl文件中的Simcoupler模块属性,路径及文件名与PSIM仿真部分生成的.cct文件匹配．经过设置,Simulink环境下mdl文件中SimCoupler 模块的输入、 输出引脚个数应与 PSIM环境中的输入、 输出引脚个数一致;

4) 对Simulink 的Simulation Parameter参数进行设置,运行仿真,可在PSIM或Simulink观察相应仿真结果,实现电路系统的联合仿真分析．需要注意的是,如果Simulink的仿真参数(如仿真时间、步长等)与PSIM设定的仿真参数不一致,仿真结果应以Simulink为准[4]．

3 仿真实例

图2 BUCK电路的PSIM仿真模型

以BUCK电路为例进行仿真分析,若只使用任何一种仿真软件(如PSIM或MATLAB/Simulink中一种软件),仿真结果并不理想,难以兼顾控制部分和功率拓扑两个方面．本文以BUCK电路的平均电流控制模式电路模型为例,结合PSIM和MATLAB/Simulink建立联合仿真模型,进而分析仿真结果．图2为BUCK电路平均电流控制模式的PSIM模型,由主电路及控制电路(虚线框)两部分组成．

3.1 联合仿真PSIM模型

在PSIM软件中,删除BUCK电路控制部分电路后,进入“Elements/Control/SimCoupler Module/”菜单项,添加“Out Link Node”结点并命名为“Current”,作为检测电感电流用;添加“In Link Node”结点并命名为“Control”,作为开关管控制器;再添加一个“Out Link Node”结点并命名为“Voltage”,作为检测输出电压用．如图3所示,其中“In Link Node”接收从MATLAB/Simulink传来的控制信号,“Out Link Node”将检测的电压电流值传给MATLAB/Simulink,实现闭环控制．

设置完输入输出接口后,进入“Simulate/Generate Netlist File”菜单,生成.cct网表文件并保存．

3.2 联合仿真MATLAB/Simulink模型

进入Simulink,生成图2虚线框控制电路Simulink仿真模型,如图4所示．

图3 联合仿真PSIM部分仿真模型 图4 控制电路Simulink仿真模型

在Simulink菜单“File/open”打开“SimCoupler-Block-R11.mdl”,将图1SimCoupler模块粘贴到图4,双击该模块,添加PSIM的.cct网表文件,按照文中第三部分联合仿真Simulink模型建立步骤,完成PSIM和MATLAB/Simulink联合仿真,如图5示．图5(a)为添加PSIM的.cct网表文件,图5(b)连接两个软件的输入输出结点,图5(c)为最终生成的控制电路的联合模型．

为验证联合仿真的高效性,同一电脑上,单独在MATLAB/Simulink建立BUCK电路平均电流控制模式的仿真模型,与上述PSIM和MATLAB/Simulink联合仿真模型对比,在设置相同仿真参数下分别运行仿真,结果显示联合仿真比Simulink单独仿真用时大为减少,仿真效率得到提高．

(a) 添加网表

(b) 结点设置

(c)控制电路Simulink仿真模型

4 结论

PSIM和MATLAB/Simulink这两款软件,应用在电力电子电路仿真中各有其优缺点,利用两者各自的优点联合搭建仿真模型,可以充分发挥PSIM和MATLAB/Simulink各自优势,提高仿真速度,进而达到缩短电力电子系统开发周期的目的．联合仿真结果表明,通过对Simulink控制参数的设定,可以对电力电子系统控制部分参数进行优化处理,这对于电力电子系统的开发设计具有指导意义．

[1] 李洁,王伟,钟彦儒. 电力电子系统的PSIM+MATLAB联合仿真方法[J].电力电子技术,2010,44(5):86-88.

[2] 陈 爽,段国艳,唐伟.基于SVPWM的感应电机矢量控制PSIM/MATLAB联合仿真[J].制造业自动化,2014,36(1):95-97.

[3] 王章权,陈友荣. 基于PSIM和Simulink的光伏发电系统协同仿真[J].机电工程,2009,26(10):58-61.

[4] 周志燕,李声晋,卢刚.PSIM与MATLAB/Simulink联合仿真无刷直流电动机调速系统[J].微特电机,2014,42(5):63-66.

Co-SimulationofBuckCircuitbasedonPSIMandMATLAB/Simulink

LIU Sheng-jian1, MA Gui-fang1, QIU Xiao-fen2

(1.Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Longyan University, Longyan Fujian 364012, China) (2.Fujian Long King Co., Ltd, Longyan Fujian 364099, China)

This paper utilizes the capacity of PSIM in power simulation and MATLAB/Simulink simulation capacity in the control,a simulation model for Buck circuit Based on PSIM and MATLAB/Simulink co-simulation system was designed.Simulation results show that this co-simulation method and control strategy Can make PSIM and MATLAB give full play to their strengths,simplify the process of the establishment of the simulation models,and greatly accelerate the simulation speed.

BUCK circuit; PSIM; MATLAB/Simulink; Co-simulation

TP391.9

A

1671-6876(2017)03-0218-04

[责任编辑蒋海龙]

2017-04-22

福建省教育厅自然科学基金项目(JB14095)

刘生建(1971-),男,福建大田人,副教授，硕士，研究方向为电力电子技术及应用． E-mail: 366108@163.com