电力电子转换器(PowerElectronicsConverter)它是指一种形式的电源主要通过开关设备和其他电路的组合转换为另一种形式的电源。如下图所示,电力电子转换器可以将交流电转换为直流电、交流电或调节输出电压和频率。
让我们看一辆车LED大灯DC/DC的例子:
TIDC/DCLEDDeveloper'sKit使用硬件SEPIC(singleendedprimaryinductorconverter)。它是DC/DC一种形式。硬件中有一个控制芯片,Simulink芯片上可以直接生成代码并控制输出电压。输出电压的高低会影响LED的亮度。PWM的频率为100Hz。
这是系统的最终运行结果:
Simulink通过模拟找到PID通过externalmode控制输出电压,调节输出电压LED的亮度。
我们可以用这个简单的例子Simulink解决以下问题:
确定电子元件的值,并通过电路模拟了解不同模式下的工作行为。
建模非线性电子元件,了解电路的动态热效应。
控制器参数是根据时频域要求设计和优化的。
控制器代码、编译、链接、下载到控制芯片。
电路仿真
Simscape是Simulink的物理仿真平台,里面提供了机械、电子电气、液压等多种物理建模环境。基于DC/DC我们可以使用等效电路Simscape快速构建电路仿真模型,通过仿真选择电容、电感、电阻等合适值。
DC/DC在连续导通模式下运行(CCM)当计算电路方程时,可以获得电路电子设备的一般值。由于我们有参考设计电路,所以我们将参考电路中各种设备的值输入到Simscape的电路中,可以看到仿真一切正常(PWM占空比为0.5)。当然,我们也可以调整电子设备的数量,以获得最佳解决方案。
例如,我们将电感L1的取值从470μH调整到10μH,输出电压不再取决于PWM其他因素决定了输出电压的水平。此时,观察电流发现DCDC非连续导通模式运行(DCM)。
非线性电子元器件建模
在最后一个例子中,我们选择了开关设备idealswitch,即理想开关。实际开关设备的许多非线性因素,如开关时间等,都没有考虑进去。
以下是真实电路设计MOSFET的datasheet:
在Simscape中,可选择N-ChannelMOSFET然后将datasheet手动输入动态参数。
那么真实的MOSFET和我们一起进口MOSFET有区别吗?通过对比模拟,我们可以看到:GateCharge、SteadyState、TransferCharacteristics等指标高度一致。
真实MOSFET更换以前电路中的理想开关,并打开它ThermalPort--不仅可以模拟电路的动态行为,还可以观察热损失的动态。
设计和模拟控制器
电子线路模拟完成后,开始设计控制部分。整个控制电路如下图所示:
控制是输出电压,被控对象是电子线。控制的核心部分是经典的PID控制。
控制要求为:0.4s将12伏的输出电压转换为27伏的输出电压。初始模拟后,输出电压未达到控制精度要求:
显然,PID参数调整不当。Simulink有一个很好的功能:PIDtuner——可以半自动化地辅助调整PID参数。
首先,PIDtuner试图自动线性化被控对象。自动线性化并不成功,因为系统中有非连续的开关设备。在新版本的Simulink中间,系统识别工具箱可以通过Simulink模拟输入输出识别新的线性被控对象。有线性被控对象,在PIDtuner可根据控制设计要求进行可视化调整PID参数。
让我们看一张动图:Simulink用一个高度从0.5dutycycle到0.9dutycycle阶跃响应作为输入。在右上角的示意图中,可以看到PID被临时删除,阶跃响应被输入到被控对象中,以识别线性被控对象传输函数。
系统识别工具箱可以提供多种选项来选择正确的传输函数,如underdampedpair.系统识别工具箱可根据所选项自动构建模拟数据的传输函数。以下动图显示了此过程:
有了线性被控对象,PIDtuner它可以发挥作用,如下图所示:设计师可以互动拖动图标,找到最好的PID为了达到控制性能和速度的最佳平衡。
生成控制器代码
控制策略设计完成后,自动代码生成是非常简单的一步了。这时候,用户有两个选择:
连接这些链接后,可以自动编译链接,一键生成芯片上的代码。
如果没有硬件支持包,可以让Simulink生成控制部分的代码,手动手动集成和底层的常用方法。