如何在Simulink中开发DC-DC变换器控制,第2部分:变换器建模和效率考虑
学习如何在Simscape™中建模DC-DC转换器,并使用仿真结果生成二极管和电源开关的效率图。参见使用Simscape Electrical™中建模的SEPIC的示例,SEPIC带有电压源、电阻、电感和电容等组件。在设计探索的第一阶段,工程师对效率和转换损失感兴趣,以便更好地理解系统架构和其他需求,如所需的传感器类型或冷却系统的尺寸。
因此,工程师使用和参数化高保真MOSFET和二极管模型块遵循制造商的数据表。了解Simscape Electrical如何为电力电子工程师提供扩展功能,例如在块菜单中直接绘制设备特性。
使用其他的MATLAB®Simscape electric中包含的函数,以检索转换器在各个工作点的效率。使用并行计算工具箱™,通过在多个核上分布独立的模拟,减少创建效率图所花费的计算时间。在软件本身中使用生成的映射作为传感器估计器的一部分,这样最终的转换器设计可以节省成本并实现多余的传感器。
我们的第一个任务是对转换器建模并计算最有效的工作区域。转换器分为三部分:电源、转换器本身和负载。我们可以在这里看到这是如何在Simulink中使用三个不同的子系统以及它们之间的一些连接来表示的。
但在进入模型之前,让我快速地讲一下用解表示物理系统的一些方法。很多人可能熟悉使用Simulink方程来编写它们,并直接使用Simulink中的框图来求解ode。你们中的一些人可能已经知道Simscape,这是我们用于物理网络和连接组件的平台。系统级方程是通过将所有这些不同的组成部分结合在一起自动生成的。
最后,如果您对系统进行了度量,那么您总是可以导入它们并导出一个数据驱动的模型,通常称为黑箱模型。拥有这三种可能性的好处是你可以把它们结合起来。您不必被迫停留在一种解决方案模式中。您可以将模型的一部分作为标识模型,一部分作为物理网络,另一部分作为Simulink中的方程。
让我们来看看我们的SEPC模型。正如我们在幻灯片上看到的,我们有一个系统的视图。转换器的工作频率应该是100千赫兹,所以是中等高度。另一端的led,将以20千赫的频率工作。电源为12伏。根据德州仪器的规范,led的工作区域。在17伏或多或少到2.5伏之间。
如果我打开SEPC转换器。我会注意到我有四个不同的系统。其中三个人脸色发白。我用的是所谓的可变子系统。这是我的受控转换器,它是一个非常理想的转换器,它只是用某种时间常数来表示。并且始终保持输出端的电压在正确的水平。
这对于系统级模拟非常有用因为它非常快。在另一端,我有我的实现的其他变体。我有一个稳态转换器。我有一个普通的SEPC。这是我的SEPC电路,我现在要重点讲一下。
如果我看里面,我看到我有所有典型的组件,如电感和电容器。实际上,我已经把网上的数据表,直接链接到我的模型上了。所以我更容易找到正确的文档。
只是一个关于电感之间差异的快速借口是基础库。如果我打开,我看到我只有两个参数,或多或少,和源代码,所以我可以去看看哪种方程是在底层实现的。所以请允许我从这个分量开始,如果我想改变它,有我自己的电感版本。我总是使用Simscape语言定义任何类型的方程。
另一方面,我使用Simscape Electrical提供的数据表,这是专门用于电气和电力系统的工具箱。在这种情况下,你可以看到我有公差,我甚至可以应用随机
如果我想根据变化的容差进行某种蒙特卡洛分析。
我可以在我的电感中设置操作限制。我可以设置故障。所以我可以在我想要的时候,按我想要的方式分解电感。所有这些都让我能够提高模拟的逼真程度,并做更多事情。但是正如您所看到的,这次您没有访问源代码的权限。
让我们回到SEPC子系统,看看这个小矩形。这些是测试工具。让我们打开其中一个。在这个测试中,我在电路的0%到61%之间做一步。我在测量输出,与我在示波器上做的一些测量相比较。
我模拟了700毫秒的开关线性系统。我在模拟100千赫兹下的所有开关。你可以看到模拟时间非常快。这是因为我使用的是ODN,这是一种软件,可以强制在某一点上行动。结合一个特殊的PVM块,你也可以在使用模型时从这些文件中检索这些文件你将在研讨会后访问。整个项目都可以向你开放。
在这种情况下,在这个PVM中,我们在产生载波我们在一定频率下模拟这种脉冲以迫使时间步长在载波的正确点上采取适当的步长。如果我们看一下,有时间步长的模拟结果,例如二极管电流,我们可以看到我们实际上-,他们可以时间步长,只在模拟需要的时候,没有更多。
所以我们实际上是在模拟整个100千赫兹的开关。我们正在以一种非常有效的方式做这件事。我们只在必要的时候才换。中间有一个时间点是我的载波的支撑点。电流被建模为一个开关线性系统。
这是伟大的。它让我模拟得非常快。然后我就可以比较我的模型和现实的比较。我们可以看到,我已经相当准确地捕获了大部分元素,上升时间,稳定时间电压,然后当我关闭我的PVM减速时间。
很好。但这不是我的建模选择。因为我想研究效率。为了研究效率,我需要使用实际的物理设备,光学MOSFET物理设备模型,如果我进去,除了这次我使用Simscape电气PVM,因为它连接到我们实际的n通道MOSFET。
这可以通过您可以在datasheet中找到的参数进行参数化。通过右键点击,你可以访问多个选项。您可以更改块选择,或者如果您不想要阈值基础模型,或者您想向它添加一个热部件,您可以通过访问并右键单击该菜单来实现。或者你可以用它来生成基本特征。
这个案例将在引擎盖下用这个参数自动测量这些MOSFET并自动生成一个典型的图我们可以在我的MOSFET的数据表上找到它。如果我打开实际的数据表并向下滚动以搜索图表,那么我就可以通过图形来比较它,并查看它是否匹配“是”或“现在”。
我们可以看到我们做得很好这是8电压线在2或3电压后稳定在10安培多一点。我们可以看到我们的MOSFET有非常相似的行为。你可以使用File Exchange中的某些工具直接将这种图形导入到Simulink中。然后用它们更好地参数化你的模型。
让我们回到我们的模型,看看第二个测试具。首先,我需要关闭用于模拟的程序,并将其与我的测量结果进行比较。之后,我想开一个叫
效率测试。在本例中,我模拟的是一个闭环模型。我想让我的模型达到某个电压。这就是为什么我在这里有一个非常简单的PID块。
我改变了电阻器的值,让特定的电流进入,这样我就可以创建一个特定电压从12到30伏特的网格和特定电流速率从0到2安培的网格。在创作的过程中,我创造了数百个我想要测试的操作点。如果我达到合适的电压,我的模型就会停止模拟。
然后,当我模拟它时,我可以使用并行计算工具箱进行并行模拟以获得更多的时间,我可以使用Get Efficiency等函数来定义将加载哪些组件并向它们提供模拟结果。所以我可以根据负载得到转换器在任何工作点的效率。
我也可以对耗散的能量做同样的处理。实际上我把这个作为脚本准备好并保存了我的结果。如果我运行这个,我就会加载我的结果向你展示你可以创建的那种地图。这里是转换器的工作区域,由德州仪器定义我们可以看到它的工作效率非常高,达到92%或93%。我们可以看到转换器在其他操作区域的表现。
因此,这些是你可以使用诸如Get Efficiency等函数来测量你的模型的东西,来分析你的电路,看看你应该在哪里以及如何操作你的转换器。如果你不满意,你可以改变你的参数,如电感电容。你可以让它再次运行,希望是并行的,因为它会加速这种调查,并自动重建这种地图。
让我们回到我们的演示。我们现在看到的是Simscape作为物理系统建模的平台。特别是,我们看到了Simscape electric的运行情况,它是Simscape之外的一个工具箱,用于建模电路和电源系统。Simscape提供了Simscape语言,以便您从基本的块开始,并创建自己的块,以便准确地捕获您想要表示的行为类型。
简单解释一下Simscape电气的新功能。我们现在有两个区块,更多的区块即将到来,比如步进电机和电池,它们已经从行业中预先参数化了使用价值。我们可以看到电池。你可以把电池放入你的系统,并自动挑选一些市场上的电池预先参数在不同的温度水平。因此,如果你在研究电池,这将真正加速你的电气化系统的发展。
我们增加了更多产生故障的可能性,不仅是在组件级别,还可以在动态负载期间产生故障,可以是delta connected, y connected,等等。所以我们投入了大量资金来打破你的模式,让它可以随时折叠,随心所欲。
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