管什么仿真軟件,最直接的是看軟件自帶幫助文檔,或去軟件的官網找官方學習資料。一般軟件都會有一個start案例,照著案例做一遍,然后針對性的弄懂其中的概念就算比較好的入門。另外SIMETRIX屬于Spice類的仿真軟件,在比較了解的情況下,關于spice仿真的資料都可以看。
比較容易上手的,器件級的仿真推薦LTspice,非常容易使用,不過PSpice的資源最多,Saber的建模能力最強,電路級的則推薦Matlab/Simulink,與控制方面相關的工具比較多,學習資源也比較多。要想做好仿真,關鍵還是得對電路原理有深刻的理解。
電力電子可能用到的仿真軟件有PSpice,Saber,LTspice,PSIM,Matlab/Simulink,Ansys,Simetrix/Simplis等等。要了解這些仿真軟件,首先得對所要解決的問題有所了解:
1. 數值方法,解析方法與仿真
以求解一個階躍激勵RC充放電電路為例,首先,先根據基爾霍夫電壓電流定律以及電阻電容的電壓電流約束,列出方程,然后再求解微分方程。求解微分方程,可以直接手算得到一個通解(解析方法),也可以利用計算機解方程得到具體的數值解(數值方法)。在確定激勵下,通過計算機求解方程,得到關心問題的數值解,并以曲線或文本的方式呈現出來的方法就叫仿真。
2. 電場、磁場與電路、磁路,電磁場仿真與電路仿真
從本質上來說,我們所遇到的電磁學問題都是電磁場分布的問題,大部分情況下,電磁場的分布受介質約束,對電磁場問題的研究變成對電路磁路的研究,對電磁場的描述由關于空間和時間的偏微分方程簡化為關于時間的微分方程。當電磁場三維特征不能忽略時,就需要研究電磁場的時空分布,也就是需要求解偏微分方程(dx, dy, dz與dt),Ansys就是能求解偏微分方程,也就是能仿真場的其中一種軟件,類似的還有COMSOL,在高頻變壓器設計,電磁場的三維空間分布對裝置電磁性能影響很大,就需要研究電磁場分布,也就是用Ansys仿真。同樣道理Ansys也能仿真熱場,研究熱設計。三維場求解的數值方法通常為有限元方法。當電磁場三維特征可以忽略時,電磁場變成電路磁路,這時只需要求解微分方程,也就是能仿真路的軟件,Pspice,LTspice,Saber,Matlab等都屬這類。我們所接觸的大部分電子元器件,其電磁場都是精心設計過的,空間分布很規律,從使用者的角度,用微分方程就能描述器件,因此一般都是用電路仿真軟件研究。同樣的道理,熱場也能簡化為熱路,利用熱阻熱容的概念研究溫度分布,能利用一些電路仿真軟件仿真溫度瞬態。
3. 動態特性仿真,開關紋波仿真,開關損耗傳導干擾仿真——從頻域區分研究問題,從開關模型區分仿真軟件
三個問題區分了我們所關心的三個頻域,低頻,開關頻率和射頻,對應的能夠仿真出相應頻域特點的最簡開關模型分別為平均開關模型,用電阻模擬的理想開關模型(導通等效為毫歐級電阻,關斷等效為兆歐級電阻)以及考慮寄生電容寄生電感的行為級模型。平均開關模型由于不那么直觀,用的比較少,控制環路的仿真大部分還是用理想開關模型,相應的仿真時間比平均開關模型長的多。像MATLAB/SIMULINK、PSIM里只提供理想開關模型,所以一般仿真控制環路和開關紋波級別波形。而如果需要關心高頻開關損耗,EMI特性,也就是射頻范圍,就需要更精確的模型,也就是考慮寄生電容寄生電感的行為級模型,像PSPICE,LTSPICE,SIMETRIX等Spice類仿真軟件和Saber都會提供詳細寄生參數模型的庫,因此可以用來器件級仿真。需要強調的是,并不是說SIMULINK不能建立更精確的模型,而是SIMULINK沒有相關的模型資源,也就是庫,所以一般不用SIMULINK仿器件行為。關心的頻率范圍決定建模的精度,需要模型的精度決定了我們需要的模型,對需要模型的支持決定了仿真平臺的選用,即平臺的資源決定了平臺的可用性[1]。
補充說明:
Psim:Psim也支持Spice仿真,主要在于這個軟件有兩個仿真器,一個用于控制仿真,一個用于器件仿真(SPICE仿真)。
事實上大部分仿真軟件都有兩個仿真器,Simetrix除了支持Spice語言,還支持Verilog語言,Saber除了支持MAST語言,還支持VHDL語言。另外,Simetrix/Simplis指的是兩個軟件,只不過這兩個軟件集成在一起,一個是Simetrix,另一個Simplis。Simplis與通常電路仿真軟件不同,它是通過分段線性的方法對元件建模的,因此求解速度也更快,具體可參考幫助文檔。
4. 硬件描述語言與仿真器,宏建模
電路需要用計算機所能理解的語言,也就是硬件描述語言來描述,計算機則通過仿真軟件(仿真器)來理解相應硬件描述語言,并求解,輸出結果。特定硬件描述語言描述的電路需要對應的仿真器求解。常見的硬件描述語言有,Spice語言(PSpice、LTspice、Simetrix等SPICE類仿真軟件可求解)、MAST語言(Saber仿真軟件可求解)、Verilog-HDL語言(一種標準語言,Simetrix有對應仿真器)、VHDL語言(一種標準語言,Saber有仿真器),SIMULINK則有自己的硬件描述語言,打開模型描述就能看到。元件通過數學表達式來定義,像MAST、Verilog-HDL、VHDL都是能夠直接用數學表達式定義一個元件的,也就是真正的行為級建模,因此,這類仿真軟件也比較適合多物理領域的建模仿真,只要對象的數學關系清楚就行,可以看到Saber里面有許多散熱器的庫。除了通過數學表達式來定義外,也可以將元件常用的數學表達式封裝起來,變成一個個基本單元,通過基本單元的組合來描述元件,一般基本單元是電容、電阻、電感、受控電壓源、電流源等,這種建模方法就是宏建模,而SPICE就是一種宏建模的語言。很顯然,真正行為級建模語言也支持宏建模,不過宏建模的優點是物理意義清楚。PSpice有對應的行為模型庫(ABM庫)來增強對元件的描述能力,并不比真正的行為級建模語言差多少。
5. 非線性時變系統與電路仿真分析的類型
Spice類仿真軟件、Saber對電路分析時,需要選擇分析類型,常見的有直流分析、瞬態分析、交流小信號分析。這里著重說一下直流分析,主要是開關電路是否需要直流分析的問題。開關電路本質上是一個非線性、時變系統,所謂時變就是電路結構隨時間在變化的,而DC分析里是沒有時間的概念的,所以DC分析對開關電路分析沒有意義。
先說這么多,推薦幾本書。如果只推薦一本的話,推薦[4],非常適合初學者,[6]、[7]也非常適合初學者。[3][4][6][7][8]都有對應的中譯本。英文的一般能下到。
[1] Dynamics and Control of Switched Electronic Systems,Chapter 13: An Overview of Simulation Tools
[2] 各類仿真軟件的幫助,Saber的幫助“The Designer's Guide to Analog & Mixed-Signal Modeling”有大量關于建模的理論,值得一讀。
[3] Model-Based Engineering for Complex Electronic Systems-Elsevier Science (2011),各種建模理論與建模方法,與Saber幫助The Designer's Guide to Analog & Mixed-Signal Modeling相互補充。
[4] SPICE for Power Electronics and Electric Power, third edition. 需要注意里面說的PSpice原理圖輸入,現在只支持ORCAD輸入,另一種歷史上支持過。
[5] Inside Spice,關于仿真的詳細原理,在[2]和[3]中也有,不過似乎都是來源于這本書。
[6] Analog Design and Simulation using OrCAD Capture and PSpice-Newnes (2011),也是比較基礎的,也非常適合初學者。
[7] PSPICE and MATLAB for electronics _ an integrated approach-CRC Press (2010),看的不多,也比較初級,適合入門,這里MATLAB只是作為一種計算工具,并不是仿真軟件。
[8] 開關電源Spice仿真與實用設計_巴索Basso,開關變換器建模與仿真入門都比較好。
電氣工程常用計算機軟件簡介
為了今后在學習中利用計算機分析、計算電氣工程問題,,以下對在電氣工程中廣泛應用的一些數字計算機仿真軟件做一簡要介紹。
一、MATLAB
MATLAB軟件可以方便地完成函數和矩陣計算,也可以對微分方程、代數方程進行數值求解。還可以用任何一種高級語言如 FORTRAN、C語言或PASCAL來編程求解這些方程,也可以調用這些語言中的一些含有特定應用的程序庫,如完成積分或矩陣求逆的子程序。MATLAB有多種工具箱,可用來解決某些特定類型的問題。對電氣工程最有用的當屬Simulink,它是一個非線性動態系統仿真工具箱,由大量的積木式模塊組成,采用交互式圖形輸入,可用于以這些模塊為基本單元的控制系統仿直。
MATLAB 廣泛應用于電氣工程領域,也可用于控制系統和信號處理。因此,在學習電氣工程課程之前,最好先掌握 MATLAB。
二、PSpice
SPICE 是美國加州大學 Berkely 分校在20世紀70年代早期為集成電路仿真開發的軟件.SPICE是 Simulation Program with Integrated-Circuit Emphasis(面 向 集成電路仿真程序)的首字母縮寫詞。它是低功率等級電力電子最廣泛應用的仿真軟件。SPICE有幾種商業版本,各版本之間的主要不同點在于可用的模型數和子電路庫數、圖形預處理和后期處理能力、控制器特性模型規定的難易程度等。有些商用版本設法改善了程序在處理諸如電力電子和電機傳動這樣的"剛性"系統時涉及的收斂問題。微機版本的 SPICE稱為 PSpice,目前應用最為廣泛。
PSpice 應用的普遍性有幾個原因,容易使用且借助圖形預處理器使用就更加方便。國外許多大學課程和電路及電子學方面的大學教科書均編入了基于PSpice 的例子和練習,熟悉 PSpice 有利于在電力電子學課程中使用。
由于SPICE是為集成電路仿真開發的,因而在高功率領域應用中有一些局限性。如果電路中或在控制器中有陡的斷點,那么電力電子的仿真解就難以收斂,會引起程序中時間步長減到很小的值,從而導致過長的執行時間。如果不分析開關動作細節而只感興趣于系統性能,SPICE中的器件模型用于電力半導體器件是不夠精確的,難以確定控制器的性能模型,也難以與用戶根據微分方程定義的模型相連接。
由于 PSpice 的應用面廣、易于掌握,有大量的可用器件模型庫,在今后會繼續得到l產沙泛的應用。
三、EMTP
EMTP是用于電力系統電磁暫態分析的仿真軟件。EMTP是 Electro-Magnetic Transjent Program(電磁暫態程序)的首字母縮寫。為了對高壓直流輸電系統仿真,程序中增加了模擬二極管和晶閘管等開關器件的能力。像SPICE軟件一樣,現在有多種基于EMTP算法的仿真軟件已用于個人計算機,如 MicroTran、ATP、PSCAD/EMTDC 等。所有版本的程序都具有BPA(美國邦納維爾電力局.Bonneville Power Administration)的 EMTP 原版的大部分功能,而新版本都有非常方便的用戶界面。
EMTP基于梯形積分規則,用伴隨模型作為動態元件,用結點法建立方程,用稀疏矩陣和LU 因式分解法來解代數方程。積分步長由用戶指定,并在整個仿真中保持不變。和SPICE不同的是,SPICE中的開關用非線性電阻表示,而 EMTP中的開關則表示為;當關斷時為開路;接通時為短路,將兩個相關聯的結點合并為一個。EMTP有一個稱之為TACS 和一個稱之為 MODEL的模塊對控制器仿真。
EMTP 是電力系統中高電壓等級的電力網絡和電力電子仿真應用最廣泛的程序,側重的是系統級的運行情況而不是個別開關的細節。它包含用于變壓器相傳輸線的模型,這些模型是通過現場測試證實的;它也適用于各種電機的模型。二極管、晶閘管和開關模型的通用性,再加上易于應用的控制器,使得 EMTP 成為這方面應用的強大工具。
EMTP是一個不斷發展的軟件,擁有推動其發展的大量資源.因此成為美國電力系統和電力電子仿真方面的工業標準。
電氣工程常用的軟件還有混合信號及混合技術仿真軟件Saber、電磁場分析計算軟件Ansoft 等。