saber与matlab的比较.docx

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saber与matlab的比较

推进系统仿真平台SABER与MATLAB的比较

1引言

Saber和Matlab/Simulink不是直接竞争产品，它们仿真原理不同，侧重的应用领域也不

同，二者功能互补，有接口。

（1）Saber和Simulink采用不同的仿真原理

Saber可以进行建立在物理守恒定律的基础上的仿真，Saber的模型直接采用物理特性

描述，其管脚对应于实际连接关系，如电管脚包括电压电流信息，机械管脚包括力和速度信

息等。

此种物理模型直接反映了实际物理系统的状态，如负载对信号源的影响，负载之间彼

此的影响等。

Simulink的仿真是建立在信号流的基础上的，一个连接只能表示一个信号，信号有方向

性，无法直接表示负载效应、耦合等问题。

Saber也可以支持建立在信号流的基础上的仿真。

（2）Saber和Simulink擅长的应用领域不同

Saber擅长进行实际物理硬件系统的仿真，如电源、数模混合电路，机电控制系统等。

可以很好的考虑负载特性、被控对象与控制部分的相互影响等。

Simulink擅长进行软件控制算法的仿真，可以很方便的建立算法模型，还可以自动生成

代码，对控制系统算法设计非常有效。

（3）Saber-MatLab/Simulink接口

Saber与Matlab/Simulink的接口分为三个方面：

命令行接口。

在Saber的CosmosScope中有Saberlink，可以直接起动Matlab命令行，与Matlab进行波形和数据的传输

模型接口。

Saber可以读入Simulink的模型，在Saber中进行仿真

协同仿真接口。

Saber可以与Simulink进行协同仿真，由Simulink仿真算法，Saber仿

真硬件电路和执行部分，从而在软件设计过程中就可以验证算法的正确性。

2推进系统仿真主要分为两个层面

2.1器件级仿真

器件级仿真主要研究器件的电气特性，例如逆变器缓冲电路对电压尖峰的抑制、输出滤波器对逆变器输出电压dv/dt的抑制、IGBT保护电路的特性等等。

器件级仿真要求器件

特性和模型尽量准确仿真结果才有意义和参考性。

电力电子器件是现代推进系统电源的核心

器件，只有电子电子器件模型建立的准确，对逆变电源的仿真研究才具有意义。

在MATLAB

软件平台上，对电力电子器件的建模为理想性建模，例如IGBT,如图所示，只有拖尾电流、

上升时间、关断时间等几个参数，而在SABER仿真平台上，所有的电力电子器件模型更加

接近实际，例如IGBT的建模可以输入很多分布参数，如图x所示，这是IGBT的Datesheet

建模方法，它建模需要器件的参数数据，在SABER仿真平台上的另一种IGBT建模方法为

开放式建模，如图x所示，此种建模方法可以更加准确的模拟实际IGBT的极间分布参数、

拖尾电流特性、开通特性、关断特性等。

MATLAB软件平台IGBT的驱动是信号式驱动，即0为关，1为开通，IGBT的开通时

间与驱动电路无关；SABER软件平台的驱动为实际电平信号，而且IGBT的开通、关断时

间与开通关断电阻相关，更接近实际;

2.2系统级仿真

准确预测和了解永磁电机驱动系统的性能，不仅需要准确的电机模型，同时还需要方便

快捷的仿真平台，从而降低整个系统设计的工作量。

在选择适当的仿真平台后，还存在一个

由数学语言向仿真语言转化的过程，以便最大程度的模拟实际系统的工作情况。

一些学者提

出了很多的改进方法，但是由于仿真系统与实际系统相差较大，仿真结果的可信度受到质疑。

下面利用Matlab/Simulink现有资源，采用自然变量分析法，对永磁电机建模原理和实现过程进行了详细阐释。

（1）电机数学方程

磁链方程：

ALAAiA

MABiB

MACiC

fCOSe

BMBAiA

LBBiB

Mbcie

fcos（e

120o）

（2-1）

CMcAiA

MCBiB

Lccic

fcos（e

120o）

其中:

定子三相绕组磁链;

Laa、Lbb、LCC定子三相绕组自感系数;

Mxy――定子X绕组和Y绕组的互感系数;f――永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链;

e――转子电角

定子绕组的自感系数Laa、Lbb、Lee和互感系数Mxy均为e的函数，且互感系数满足

关系MABMBA、MBCMCB、MCAMAC。

电压方程:

dA.

UariA

dt

r——定子相电阻；iA、iB、iC——定子相电流。

（2）电机电路模型

本节将阐述用电感、电阻等基本电路元件搭建电机模型的基本原理和实现方法。

由于电机本身可简化为电阻、电感等电路元件，因此与驱动系统的连接不需要进行任何变换，使用起来较为方便。

由于永磁电机完全通过适当的电路等效，因此称之为电路模型，该电机模型根据电压方程式和转子运动方程式,由以下五部分构成：

1）磁密分布函数：

根据电机转子的位置计算各相绕组对应的气隙磁密；

2）反电动势计算环节：

由电机转子的位置与转速及相应的Ke,计算反电动势；

3）电枢等效环节：

由电阻、电感模拟电机绕组的电阻和电感，由受控电压源模拟电机转

动时产生的反电势,反电势的大小由反电势计算环节确定；

4）电磁转矩计算环节：

由转矩系数Kt、电流和磁密计算电机电磁转矩；

5）转子运动方程：

本环节的核心是两个积分器,电机的速度根据运动方程计算,并通过再次积分得到电机转子的位置。

转子的初始位置由一个随机函数产生,以最大限度的模拟电机的实际情况。

按照实际驱动系统搭建基于Matlab/Simulink的永磁电机驱动系统,主要由三个部分组成：

1）驱动系统主电路：

本系统完全由Matlab/PowerSystem的库模块组成,因此具有建模方便,易于对电路局部结构和参数进行调整,便于观察系统的运行情况；

2）电机本体模型：

构建永磁电机电路模型；

3）驱动控制器模型：

通过逻辑比较和比例积分实现驱动控制器建模。

如上所述,永磁电机仿真模型通过按功能逐步分解模块化处理,不仅条理清楚便于理解和调整,同时也便于排除建模过程中出现的错误,大大缩短建模时间。

（3）电机的s函数模型上面对永磁无刷直流电机的电路模型的建立过程和实现方法进行了详细阐述,在建模的

工作中,我们作了许多假设,如忽略电机的凸极效应,认为电机的参数与转子的位置无关等,事实上样机的磁路并不对称。

面将重点阐述利用Matlab平台提供的S函数接口建立更为准确的电机模型的原理和实现过程。

由于电机的特殊结构，在Matlab/Simulink库文件中没有现成的电机模型。

Matlab为用户提供了开发复杂模型的接口函数一一S函数，S函数的编写可参考有关手册和帮助文件。

根据前述公式可编写永磁电机模型的S函数。

用S函数开发的模型，只有通过适当的方式与

主回路模型连接起来，才能使仿真系统顺利运行。

一般文献中在用S函数建模时，通常未与

主电路的连接，只是对电机本体进行仿真，这不仅没有充分发挥Matlab/Simulink的仿真能力，也不便于对整个驱动系统的运行情况进行分析，因此，电机本体与驱动电路的连接也是利用S函数电机模型的关键技术之一。

根据相关Matlab/Simulink技术资料，电机本体与主电路的连接方式：

端点A、B、C和

N分别是电机输入端和中点，直接与驱动主电路相连。

受控电流源使电机的相电流反馈到主回路，强迫电机电流与主回路电流相等。

测量端点m输出电机的各变量的变化情况，可接示波器。

驱动系统主电路和触发逻辑控制等与永磁电机的电路模型完全相同。

（4）两种建模方法的比较

从仿真结果来看，永磁电机的电路模型和S函数模型的响应是接近的。

其中电流的波形很相似，为便于观察，对稳态响应的相电流曲线进行了放大处理。

看到两种模型的电流响应曲线是很相近的。

从转矩响应曲线来看，两种模型也比较接近，其中电路模型的电磁转矩略大，转速响应有超调。

总体说来两种电机模型是基本一致的。

通过仿真我们发现电路模型的仿真速度快的优点，通常比S函数模型快5〜10倍左右。

S函数模型虽然仿真速度慢，但具有研究电机内部细节的能力。

两种模型相互补充，对了解整个系统的运行情况是大有裨益的。

从系统仿真的角度出发，电路模型就可以满足需求了；研究电机内部特性目前一般都已经采用时步有限元场路耦合的方法进行研究。

下面比较系统电路模型在MATLAB和

SABER上实现的区别。

（5）基于MATLAB和SABER系统模型比较

在电路模型中，电机模型都采用相应元器件库中的电阻、电感、压控电压源模拟电机的定子电阻、电感、反电势，不同之处在于电机定子绕组的互感，在MATLAB仿真平台上，

采用压控电压源模拟互感的影响，在SABER仿真平台上，直接采用互感模型进行模拟。

当随着电机相数的增多SABER建模的方便程度越明显。

在MATLAB平台下，仿真设定0.14s，计算时间28s,

在SABER平台下，仿真设定0.14s,计算时间10.7s,

3高级分析

而MATLAB

SABER仿真平台具有蒙特卡洛分析，可以指导电路设计和电路参数优化,目前还没有此项功能。