基于PSIM 和MATLAB 的电路联合仿真

柯奕辰，陈国初，许移庆，朱志权

（1.上海电机学院电气学院，上海201306；2.上海电气风电集团，上海201306）

0 引言

随着步入互联网时代，计算机技术的持续发展和传统电力电子领域的持续热门，使得两者开始逐步结合，因此计算机仿真技术在电力电子领域得到了大量应用。目前，MATLAB、PSIM、Cadence/OrCAD/PSpice和Saber 等电力电子仿真软件的不断涌现，有效缩短了系统的开发周期，研发的成本也大大降低。

在上述热门的仿真软件中，Saber 同时兼容模拟、数字和控制量的混合仿真，能在不同技术不同领域中使用，但是其价格高昂，操作复杂，目前多在大型企业中使用。PSpice 软件的图形界面友好，简单易懂，能够实现复杂电路的仿真，但是由于在求解器收敛性方面的劣势不适合完成闭环系统的仿真。PSIM 应用广泛，采用理想化建模如将半导体功率器件等效成理想开关，便于工程师对电路原理和系统本身的理解，仿真效率高[1,2]。PSIM 能够解决大多数软件仿真时间长的问题，但不适用于控制系统的仿真。MATLAB 中的Sim Power Systems 提供了包括IGBT 模块、AC 和DC 电机模型在内的多个模型进行建模仿真，尤其在控制策略仿真中优势明显，但是在电力电子软开关拓扑的仿真中得到的结果常与真实结果有较大出入[3,4]。因此，随着仿真要求的进一步提高，为了满足复杂电路系统的综合仿真的需要，如何利用仿真软件各自的优势完成仿真任务将是电力电子电路仿真的未来趋势。

在设计电力电子线路时，由于PSIM 能在线路方面产生精确的波形因此多采用PSIM 作为仿真软件；而对于以优化系统参数为目标的设计时，MATLAB 凭借优秀的建模能力和控制部分的便捷操作常被作为仿真软件[5,6]。但是在完成一个复杂电路的设计时，对于线路和系统两个方面都有较高的要求，例如采用SVPWM驱动的电压源逆变器等。此时单个软件很难满足仿真的要求，因此考虑到PSIM 软件友好的兼容性，提出一种PSIM+MATLAB 进行联合仿真的方法即在PSIM 中完成拓扑结构的仿真而控制策略的仿真则在MATLAB中完成。这样可以充分利用两个软件的不同优势，完成仿真目标。

1 联合仿真模块

PSIM 自6.0 版本起提供了SimCoupler 交互接口模块，能够实现与MATLAB/Simulink 的联合仿真。如图1 所示,SimCoupler Model 模块中包含输入和输出接口，在进行联合仿真时通过In Link Node 接收来自Simulink 的数据，通过Out Link Node 向Simulink 输出数

据。即可实现数据的交互，完成复杂的仿真任务[7]。

图1 交互接口模块

2 联合仿真的步骤

2.1 PSIM部分

（1）在PSIM 中完成主电路模型的搭建，然后在下拉菜单栏中依次选择Elements/Control/SimCoupler Module/In/Out Link Node 放置输入、输出连接点。

（2）在PSIM 的Simulate 菜单栏中选择Generate netlist file 生成后缀为.cct 的网络表文件，并与主电路模型存放在同一路径下。

2.2 Simulink部分

（1）打开MATLAB，将PSIM 中SimCoupler 文件所在的目录设置为当前路径。

（2）在Simulink 环境中建立mdl 模型文件，将Sfunction 中SimCoupler 路径下的SimCoupler Block 复制到mdl 文件。

（3）右键SimCoupler，将Property 设置为PSIM 文件中生成的cct 文件所在的路径。成功设置后，Sim-Coupler 中的输入输出引脚将与PSIM 中In、Out Node的数量和位置对应。

（4）修改Simulation parameters 中的参数，完成设定后运行仿真，实现电力电子的联合仿真。特别地，当Simulink 中设定的仿真步长和时间等参数与PSIM 中设定的参数存在差异时，输出的仿真结果应按Simulink 为准。

3 三相异步电机的联合仿真

本文以三相异步电动机为例，如果单独采用PSIM或者MATLAB 进行仿真，很难同时满足控制与拓扑结构的要求。因此本文采用PSIM 结合MATLAB/Simulink 进行联合仿真，并对仿真结果进行比较。图2 为三相异步电动机在PSIM 中建立的模型，包括主电路和虚线框内的控制电路。

图2 三相异步电动机的PSIM仿真模型

3.1 仿真PSIM模型

在PSIM 中打开已完整的电路模型，删除电路中的控制部分并设置In Link Node 和Out Link Node。如图3 所示，其中左边虚线框内的In Link Node 接受来自Simulink 传输的控制信号，右边两个虚线框内的Out Link Node 分别向Simulink 传输数据，最终完成整个电路的闭环控制。

图3 联合仿真的PSIM仿真模型

3.2 MATLAB/Simulink模型

在Simulink 中建立的仿真模型如图4 所示，黄色部分为SimCoupler 模块，在Simulink 中代替PSIM 中的电路，进行数据交互。

3.3 联合仿真结果

图5 为联合仿真得到的IGBT 的控制电流波形，观察可得与PSIM 单独仿真得到的波形一致，但是使用PSIM 联合MATLAB 大大简化了细致建模的过程。此外，为显示联合仿真的优势，在同样的参数条件下分别在PSIM 和MATLAB 中单独建立完整电路图。并在同一PC 的相同条件下进行仿真，最终可得联合仿真的时间最短。

图4 联合仿真的MATLAB仿真模型

4 结语

为了同时满足控制策略和电子线路方面的要求，通过PSIM 与MATLAB 进行联合仿真，充分发挥了各自的优势并缩短了仿真时间。由仿真范例可知，联合方法操作简单，为其他复杂电路的仿真提供了一种新的方法。此外，由于控制策略单独在MATLABSimulink 中完成，可通过例如粒子群算法等优化算法对控制参数进行优化，这对于电力电子设计与仿真的开发来说具体积极的意义。

图5 仿真波形