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基于saber软件的数字控制电源系统的仿真设计
    1. 引言随着数字信号处理技术的飞速发展，数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，并且具有高度集成化控制电路、精确的控制精度，以及稳定的工作性能、良好的设计沿继性等优点，如今已成为电力电子学的一个重要研究方向。基于数字控制的电力电子装置具有较好的系统性能并已得到了广泛应用；而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。为了高效快捷地完成电源系统的设计，计算机仿真是重要方法之一。计算机仿真指的是利用计算机软件建立虚拟模型对所研究的系统进行实验的过程。[1]由于不受实际的实验条件的制约，因此大大节省了硬件耗费，缩短了开发周期。通过仿真可以很方便地进行电路设计，原理分析，控制方案选择以及参数整定等等。在对数字控制电源系统进行仿真时，由于数字控制系统的闭环是通过对数字处理器编程实现的，而数字控制方案大多是由模拟方法演变而来，因此，通常的方法是将数字控制方案还原成模拟方案，再采取模拟器件搭建闭环系统，完成闭环仿真。但是数字控制系统的仿真不同于模拟系统的仿真，首先，数字处理器对数据的处理是离散化的；其次，数字处理器并非实时的控制，而是有其自己的工作节拍；另外，模数接口部分对仿真结果具有一定程度的影响，因此只有认清数字控制与模拟控制二者之间的差别，在建模过程中，使模型与实际系统尽量接近，才可能取得满意的效果。本文详细分析了数字控制系统的工作特点，并提出一种适用于数字控制电源系统的建模仿真方法。由于该仿真模型更贴近于实际的数字控制系统，因此可以用于数字系统的原理分析和参数整定等，具有重要的参考价值。2. 数字控制电源系统的原理与特点对于一个典型的数字信号处理系统，通常都是采用如图 1所示的系统结构。在自然界中大量的信号是模拟信号，所以数字信号处理系统一般输入为模拟信号xa(t)；模拟信号xa(t)经过抽样处理得到离散信号xa(n)，再经a/d量化得数字信号x(n)，输入到数字处理单元；经数字处理后输入数字信号x(n)变换成输出数字信号y(n)；输出数字信号y(n)再经过d/a变换和平滑滤波得到模拟信号ya(t)输出。图 1典型的数字信号处理系统的系统结构数字控制电源系统一般由两部分组成，一部分为数字处理器，另一部分为被控对象。数字处理器为离散部分，被控对象为连续部分，或者分别称为数字部分和模拟部分。[2]若要实现数字处理器对被控对象的控制，首先必须通过处理器内部或外部扩展的ad功能模块以一定的采样频率对系统的模拟输出量进行采样，将该连续信号转化为离散的数字信号，再经过量化后转变为数字量，用于处理器内部的运算。而模拟控制系统的采样是实时的，连续的。在数据处理上，数字处理器对数据的处理是离散化的，数字处理器仅对各离散的采样值进行处理，而连续系统是基于连续信号的。随着电源功能的逐步完善，数字处理器除了完成控制功能以外，还要能够实现保护、显示以及远程监控等各种功能。随着功能的增多，所需要的处理时间就会相应地增长，因此处理器的核心算法的处理频率受到一定的限制，一般核心算法的处理频率会小于电源的开关频率，这使得数字控制难以做到实时控制。此外，为了实现对连续被控对象的控制，处理器内部计算结果的离散化输出必须转化为连续信号。对于数字控制开关电源系统，数字处理器的输出环节一般为内部或外部扩展的pwm功能模块，它具有零阶保持的功能，即在下一次输出更新之前始终保持本次输出值。3. 数字控制电源系统的仿真模型设计3.1 离散化的仿真处理方法由于数字控制系统由数字处理器和控制对象组成，而它们分别属于数字部分和模拟部分，因此要对这两部分分别建立仿真模型，然后再结合在一起进行仿真。[2]模拟部分的建模较为简单，只需用仿真软件中提供的模拟器件搭建好电路即可。数字控制部分相对而言复杂一些，需要考虑数模接口和数据处理两部分。其中数模接口分为ad采样和da转换，它们实现了功率部分和控制部分之间的接口。在对控制系统进行分析时，可以把ad采样看成一个理想开关与一个比例项的串联，它实现了连续域到离散域的转换，在仿真中可以由模数转换接口“a2z”来实现。da转换具有零阶保持功能，完成离散域到连续域的转换。对于数字控制开关电源系统，数模转换常常由数字处理器的pwm功能模块代替。因此可以根据数字处理器内部pwm信号产生的机理，将计算得到控制量与一个固定开关频率的三角载波相交截，从而得到pwm驱动信号。[3]最终可以得到数字控制电源的控制系统框图，如图2所示。其中hm(s)是采样电路的等效比例环节；vref是数字处理器内部给定的电压基准；s1是等效开关，完成连续到离散的转换；gc(s)是数字处理环节，这里采用pi算法；zoh是pwm输出环节等效的零阶保持器；gud(s)是功率电路的输出电压与占空比之间的控制传递函数。数字处理器芯片的ad模块以某一固定的频率对输出电压进行采样，将连续的电压信号变为离散化的数字信号。采样值经过离散化的数学运算后产生的控制量以同样的频率输出到dsp芯片的pwm模块，从而改变pwm的占空比，因此pwm信号每个采样周期更新一次，也就是说在一个采样周期内pwm信号的占空比保持不变，可以认为pwm输出环节具有零阶保持功能。图2中虚线框内的控制算法部分通过软件编程在数字处理器内部实现，在建模时可以采用z域的算术、逻辑运算等元件按照一定的运算关系构成。图2 控制系统框图3.2 数字化控制算法的仿真设计模拟部分的建模较为简单，只要根据已设计好的实际电路在仿真元件库中选取相应元件，并作必要的设置即可。对于数字控制部分，由于数据处理过程是离散化，为了充分模拟这一过程，可采用编程化的控制算法仿真设计。首先对控制算法进行分析，因为它是控制电路的重要一环，也是构成闭环的关键。本例中控制算法采用pi算法，因为它简单可靠，在工程实践中有广泛的应用。如果采用其它的控制算法，也可以用下面的方法类似地得出相应的控制算法框图。模拟系统中，pi控制算法的表达式为（1）式中u(t)为调节器的输出信号，即控制量；e(t)为基准与采样值的偏差信号；kp为比例系数；ti为积分时间常数。由于数字控制系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此，为使pi控制适用于数字控制系统，应将上述表达式离散化为（2）该式称为pi调节的位置式pi控制算法[4]。令(称为积分系数)，则可以得到离散化的位置式pi控制算法的编程表达式为（3）令，则表达式(3)可以改写为（4）当实际的数字控制系统出现开机或停机等大幅度变动时，系统输出会出现较大偏差，经积分累积后，该算式中的积分项容易出现积分饱和，导致控制效果变差，因此在积分项中加入抗饱和项，即（5）其中，ksat为抗饱和积分系数。[5]当控制量偏高时，积分项在原来的基础上减去一定数值，该数值与控制量的计算值和上限之间的差值有关；相反，则加上一定数值，该数值与控制量的计算值与下限之间的差值有关，从而有效地抑制积分饱和。考虑到表达式的可实现性，将积分项改为前一次的积分结果，从而得到下面的表达式（6）由表达式(4)、(5)和(6)可以得出图3所示的pi计算框图。输入量为基准值与本次采样值之间的误差，输出量为带有抗饱和环节的pi计算输出。该框图将作为仿真电路控制部分建模的主要依据。图3 pi计算框图通过调整电压环pi控制参数，获得稳态仿真波形见图6所示。波形自上向下依次为主管驱动、箝位管驱动、输出电压和占空比信号（即pi环输出）。从图中可以看出两驱动信号互补，并存在一定的死区时间，输出电压稳定在3.3v，纹波电压峰峰值为0.012v，pi环输出稳定。从占空比的波形上可以看出，占空比更新一次的时间为6个开关周期，即1个采样周期，这与实际的数字控制系统完全相符。图7给出了动态仿真波形，波形从上到下分别为卸载控制信号、满载到半载突卸时输出电压波形、加载控制信号和半载到满载突增时输出电压波形。图6 稳态仿真波形图7 动态仿真波形将仿真获得的控制参数应用于原理样机，经过实验反复调试，得出一组较好的实际控制参数，见表 1。通过比较可以看出仿真参数与实际参数相差甚微，这有力地说明了该建模仿真方法对于控制参数整定具有重要参考价值。表1 pi控制参数pi参数仿真参数实际参数kp0.20.195ki0.10.003ksat0.0150.015从以上的论述和仿真可以看出这种数字控制系统的建模仿真方法很好地模拟了数字处理器内部数据处理的过程。它不仅可以用于原理性分析，而且对于数字控制系统的控制参数整定具有重要的参考价值。5 结束语本文在详细地分析数字处理器内部数据处理的机理的基础上，引入一种数字控制系统的建模仿真方法，并通过具体的实例演示了整个建模仿真过程，经过仿真分析验证了这种方法可以很真实地体现数字控制系统的数据处理过程，充分体现了数字控制的特点，它将为数字控制系统的控制参数整定和数字控制算法研究创造有利的条件。参考文献：［1］陈建业. 电力电子电路的计算机仿真. 北京：清华大学出版社，2003年10月［2］张绍宁. 数字控制系统仿真方法. 战术导弹技术，2002年7月［3］david m. van de sype, koen de gusseme, alex p. van den bossche, and jan a. melkebeek. “small-signal z-domain analysis of digitally controlled converters”. pesc 04. 2004 ieee 35th annual. pp. .［4］赖寿宏. 微型计算机控制技术. 北京：机械工业出版社，2001年5月［5］李春艳. 基于dsp的电源控制. 南京航空航天大学硕士学位论文，2003年
Mail: Copyright by ；All rights reserved.SABER是美国Analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
　　SABER仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，我们从以下几个方面对SABER仿真软件进行介绍：
　　(1)、原理图输入和仿真。SABER Sketch是SABER的原理图输入工具，通过它可以直接进入SABER仿真引擎。在SABER Sketch中，用户能够创建自己的原理图，启动SABER完成各种仿真（偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等），可以直接在原理图上查看仿真结果，SABER Sketch及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。SABER Sketch中的原理图可以输出成多种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。
　　(2)、数据可视化和分析。Cosmos Scope是SABER的波形查看和仿真结果分析工具，它的测量工具有50多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。它的专利工具——波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。Cosmos Scope中的图形也可以输出成多种标准图形格式用于文档。
　　(3)、模型库。SABER拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4700多种带具体型号的器件模型，500多种通用模型，能够满足航空、汽车和电源设计的需求。SABER模型库向用户提供了不同层次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方法，这些模型采用最新的硬件描述语言（HDL），最大限度的保证了模型的准确性，支持模型共享。
　　(4)、建模。不同类型的设计需要不同类型的模型，SABER提供了完整的建模功能，可以满足各种仿真与分析的需求。其建模语言主要有MAST、VHDL－AMS、Fortran，建模工具包括State－AMS、5维的图表建模工具TLU，SABER可以对SPICE、SIMULINK模型进行模型转换，同时SABER还拥有强大的参数提取工具，可以通过协同仿真实现模型复用。
　　SABER的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计使SABER成为业界工程师的首选。SABER的架构和独一无二的模型交换能力为市场上提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。
　　与PSPICE相比，SABER是功能更为强大的仿真软件，它可以仿真电力电子元件、电路和系统，不仅具有PSPICE的功能，而且具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力，还能结合数学控制方程模块工作。SABER还可以仿真电力传动、机械、热力、流体等其他运动过程。SABER的仿真真实性很好，从仿真的电路到实际的电路实现，期间参数基本不用修改。与PSPICE相仿，SABER的数据处理量亦相当庞大。SABER应用的主要困难是操作较为复杂，软件价格高昂，比较适合于大企业应用，而中小企业一般是通过委托研究、开发来利用该软件。
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几种电源仿真软件介绍（转摘）
IsSpice是美国Intusoft公司推出的一种商业仿真软件，是ICAP/4软件集成系统的重要组成部分。ICAP/4软件集成系统主要由SpiceNet、PreSPice、InSpice和IntuScope四大功能模块组成。ICAP/4的工作流程是：首先进入SpiceNet绘制电路图，并生成相应的Netlist文件，然后执行IsSpice仿真软件模块，在仿真之前系统将自动连接PreSpice仿真资料库中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析处理模块对仿真模型进行分析处理。
SpiceNet是电路原理图绘制模块，主要实现电路原理图的绘制、Netlist文件的自动生成、瞬态波形显示以及交互式仿真控制。SpiceNet与当前流行的各种仿真系统兼容，其输出文档格式适用于Mentor、OrCAD和Protel系统。
ICAP/4工业版的PreSpice元件资料库中包含10,000种以上的元件模型，以ASCⅡ格式保存，用户可以随时通过仿真模型浏览器Parts Browser对不同元器件供应商提供的元件模型进行浏览。同时，ICAP/4系统还提供了100多个通用模型，输入相应的元件参数后即可直接调用。另外，用户可以即时通过Internet下载最新的元件库。
InSpice是具有完善的仿真控制功能的交互式仿真软件，其主要特点包括：
（1）瞬态波形显示；
（2）电路元件电压、电流、功耗及模型参数显示；
（3）采用ICL交互式编程语言控制仿真过程；
（4）可进行成组参数扫描；
（5）可进行交流、直流、瞬态、噪声、傅立叶、失真度、温度、直流灵敏度、蒙特卡罗分析和最佳化分析；
（6）可测量电路参数临界值。
IntuScope波形分析处理软件能够实现数字式存储示波器和频谱分析仪的功能，能够对仿真结果进行实时分析和计算处理。主要能够实现：
（1）显示各种分析类型的仿真波形；
（2）波形分析参数包括：有效值、峰-峰值、平均值、最大值、最小值；
（3）允许同时显示和分析大量波形；
（4）可进行回归、滤波、增益、相位、上升/下降时间分析和计算。
用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。
ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模块，其中核心模块是PSPICE A/D，其余功能模块分别是：Capture（电路原理图设计模块）、Stimulus Editor（激励信号编辑模块）、Model Editor（模型参数提取模块）、PSPICE/Probe（模拟显示和分析模块）和Optimizer（优化模块）。
虽然PSPICE应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于SPICE软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。PSPICE采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电路而言，将造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有时甚至不收敛。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加强
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。
Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。利用Analogy公司开发的Calaversas算法，Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等。只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进行系统级仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此，Saber可以对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采用下一种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。Saber采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的实现与Cadence Design System、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。通过上述软件可以直接调用Saber进行仿真。
其他回答 (1)
建议你用Proteus，这个在同类产品中是非常优秀的！
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