MAST語言建模在電力電子技術(shù)仿真教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在電力電子仿真課程中通常以Saber軟件作為仿真平臺，而在電路模型的建立過程中，Saber軟件所提供的元件模型是有限的，有時需要利用MAST語言來完成一定的硬件設(shè)計。MAST語言建模是用數(shù)學(xué)方法來描述硬件功能，其精度較高，可使電路模型得到簡化。通過實例介紹了利用MAST語言建模及使用的過程，應(yīng)用MAST語言可使仿真電路模塊化，加深學(xué)生對電力電子技術(shù)的理解程度。

關(guān)鍵詞：Saber；電力電子仿真；MAST語言建模；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0015-02

在電力電子仿真課程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式多以仿真軟件所提供的現(xiàn)有環(huán)境為基礎(chǔ)進行電路的搭建。在實際教學(xué)過程中，Saber模型庫中的模型是有限的，無法為特定的教學(xué)案例提供全部或最新的集成電路模型，因此，有時需要利用MAST語言來完成一定的硬件設(shè)計。[1]

MAST語言主要是用來創(chuàng)建模擬、數(shù)字或系統(tǒng)模型的，而用MAST語言建模實際上就是用語言的形式描述物理的意義，更確切地說就是要建立一系列的方程，因此用MAST語言建模的核心就是用線性（或非線性）的代數(shù)、微分方程（組）來描述對象的特征。它包括電、機械、光和流體等。從上面的定義可以看出，Saber仿真器并不是單純的一個電路模型仿真器，從理論上講只要能用MAST語言建立出模型，通過Saber仿真器就能對其進行仿真，這時仿真器實際上要做的工作就是解方程。[2]本文結(jié)合單相橋式PWM逆變電路具體教學(xué)實例，介紹MAST語言建模在電力電子仿真課程中應(yīng)用的具體方法。

一、MAST語言建模概述

用MAST語言建模時可以首先建立系統(tǒng)中元件的模型，然后將各個元件按照一定的要求連接起來就構(gòu)成了完整的系統(tǒng)，因此在這種情況下描述系統(tǒng)模型方程由仿真器自動完成。只要能寫出描述對象特征的方程就能用MAST語言建模，因此MAST語言不僅可以建立模擬元件的模型，還可以建立數(shù)字元件的模型，對于數(shù)字模型是用元件在各離散時刻的離散值來描述的。[3]

在MAST語言中，被Saber仿真器使用的核心單元是模板（template），在創(chuàng)建模型中，模板是分層結(jié)構(gòu)的，所謂分層結(jié)構(gòu)就是在創(chuàng)建模板中可以引用其他模板。這樣的結(jié)構(gòu)有幾個好處：第一，在創(chuàng)建模板的過程中可以直接調(diào)用Saber庫中元件模型，這樣將大大地減少編寫模板的工作量。第二，對于經(jīng)常使用到的電路結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)中可以包括其他電路結(jié)構(gòu)），可以將其構(gòu)成一個子模板，而其他模板可以調(diào)用這個子模板。第三，可以建立一個頂層模板，在該模板中調(diào)用系統(tǒng)中的其他所有模板，它只反映各模板之間的連接及各模板所需要傳遞的參數(shù)，這樣在仿真中修改參數(shù)就很方便。

在模板命名這個問題上需要注意兩點：模板的擴展名必須是.sin，即templatename.sin；模板名必須以字母開頭。

一個模板可能有以下的一個或幾個部分，也可能包括以下的全部內(nèi)容：

Unit definitions //單位定義

Connection point definitions //連接點定義

Template header //模板頭

Header declarations //頭聲明

{

local declarations //局部聲明

Parameters sections //參數(shù)部分

When statements //當(dāng)語句

Values section //值部分

Control section //控制部分

Equations section //方程部分

}

在編寫模板時，沒有上面順序的限制，可以按任意順序編寫，但需特別注意的是，在使用一個變量之前必須首先定義這個變量，被定義量的位置就決定了它是全局的或是局部的變量。如果要在模板中引用文件，可以在任何地方引用文件，但是為了增加程序的可讀性，建議學(xué)生在編寫模板程序時采用上述順序。另外，如果要調(diào)用程序且該文件為全局調(diào)用，建議調(diào)用句放在header declarations部分，如果該文件為局部調(diào)用，建議放在local declarations部分。[4，5]

這里以理想恒流源模型為例對MAST語言的應(yīng)用進行說明。理想恒流源模型如圖1所示。

其MAST語言形式為：

template isource p n= is

electrical p，n

number is=100

{

equations {i（p->n） += is}

}

模板頭說明模板名、模板的連接點和使用模板時需要賦值的變量，這個變量必須是在網(wǎng)表中進行賦值。定義模板頭的格式為：template template_name connection points = arguments。定義模板頭的關(guān)鍵字為template和element template，這兩者的區(qū)別一個是內(nèi)部節(jié)點可見而另一個是內(nèi)部節(jié)點不可見。template_name是模板名，在通常情況下該模板的文件名和這個模板應(yīng)該一致；connection points是定義的端點名，而argument則是使用這個模板時需要賦值的變量，這個變量是通過網(wǎng)表來賦值的。模板連接點是一種特殊的數(shù)據(jù)類型，在Saber中被稱為pin類型，它與建立的模板有關(guān)。pin類型可以是機械連接點、熱連接點、電連接點。由于恒流源中的連接點是電連接點，因此其連接點說明為electrical p，n。作為頭說明的另一部分就是對模板參數(shù)的說明，它需要說明的是模板參數(shù)的類型，即數(shù)的類型，在本模板中定義了1個數(shù)：number is=100。isource中的方程段是用MAST語言結(jié)構(gòu)體的形式描述恒流源的特征，實際上就是用模板方程來描述器件模擬端口的特征。在恒流源模型中，電流是從p點流進從n點流出，因此在方程段中要描述這一特征，在MAST中描述這一特征用i（p->m）+=is來表示。

假設(shè)有一個系統(tǒng)調(diào)用了這個恒流源模板isource，在這個系統(tǒng)中這個恒流源的名字為i1，這個恒流源的兩端與節(jié)點a、b相連，恒流源電流的大小為2，則調(diào)用這個模板的語句為：isource.i1 a b=is=2，網(wǎng)表與模板間的對應(yīng)關(guān)系：isource.i1 a b=is=2；template isource p n=is。

上述模型描述的電流從p點流進、n點流出，其電流的大小為is，在使用這個器件時在網(wǎng)表中要對這個值進行賦值。用任何文本編輯器編寫上述這段文本后，以文件的擴展名為.sin存盤。通常情況下文件名和模板名要一致，如果文件名和模板名不一致時在使用這個模板的網(wǎng)表中要包含這個文件。

以上僅對MAST語言的一些編程基礎(chǔ)進行了說明，學(xué)生還需通過實踐更深層次了解相關(guān)內(nèi)容。

二、教學(xué)實例

從原理角度來說，單相橋式PWM逆變電路其元件的驅(qū)動信號都是由正弦信號與三角波信號經(jīng)過比較器得來的，每一個元件采取獨立驅(qū)動方式，上下橋臂的互補導(dǎo)通關(guān)系由正弦波信號的相位決定，這種仿真模式雖然也能夠用分立元件得到理想的結(jié)果，但仿真模型相對復(fù)雜，分立元件數(shù)目較多且元件參數(shù)的設(shè)置也較為繁瑣。為了解決上述問題，在教學(xué)過程中將借助MAST語言實現(xiàn)對仿真模型的簡化。

將IGBT用理想開關(guān)替代，理想開關(guān)的驅(qū)動信號用MAST語言實現(xiàn)。首先建立驅(qū)動器圖形符號，該符號共7個管腳，輸入引腳分別為采樣頻率、正弦波信號和三角波信號，輸出信號則是4個理想開關(guān)的驅(qū)動信號。s_f為采樣時鐘信號輸入引腳（Input Port），triangle為三角載波信號輸入引腳（Analog Port），sina為正弦調(diào)制信號輸入引腳（Analog Port），sw1～sw4為驅(qū)動信號輸出引腳（Output Port），驅(qū)動器符號及單相橋式PWM逆變電路仿真模型如圖2所示。

MAST語言編寫的模型文件如下所示：

encrypted element template control s_f triangle sina sw1 sw2 sw3 sw4

state nu s_f

electrical triangle，sina

state logic_4 sw1，sw2，sw3，sw4

{

state logic_4 sw11 = l4_0，sw21 = l4_0，sw31 = l4_0，sw41 = l4_0

when（event_on（s_f））

{

if（（v（triangle）-v（sina））>0）

{

sw11 = l4_0

sw31 = l4_0

sw21 = l4_1

sw41 = l4_1

}

else if（（v（triangle）-v（sina））<0）

{

sw11 = l4_1

sw31 = l4_1

sw21 = l4_0

sw41 = l4_0

}

#改變開關(guān)狀態(tài)

schedule_event（time，sw1，sw11）

schedule_event（time，sw2，sw21）

schedule_event（time，sw3，sw31）

schedule_event（time，sw4，sw41）

}##when

}

zsmp模塊提供了一個周期離散狀態(tài)信號源，它為其他模塊提供了采樣時鐘信號，這里設(shè)置輸入時鐘頻率為20kHz；三角載波信號幅值12V、周期1毫秒；正弦調(diào)制信號幅值10V，頻率50赫茲。對輸入驅(qū)動信號、載波信號、調(diào)制波信號和輸出負載電壓、電流進行觀測，仿真波形如圖3所示。

對比在原理章節(jié)中采用分立元件構(gòu)成的單相橋式PWM逆變電路可知，利用MAST語言編程所實現(xiàn)的驅(qū)動控制器也能夠產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，兩種情況的電路輸出波形基本一致。同時仿真結(jié)果證明，該集成電路模型可以很好地為逆變電路提供驅(qū)動信號。

三、結(jié)論

通過一學(xué)期的教學(xué)實踐，在電力電子仿真教學(xué)過程中引入MAST語言建模，學(xué)生對理論知識的理解更加深入，尤其是可使學(xué)生從宏觀的角度去理解集成電路所實現(xiàn)的功能，使理論與實際更緊密結(jié)合，使分析結(jié)果可視化，這對提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效率有極大的促進作用。

參考文獻：

[1]丘東元，眭永明，王雪梅，等.基于Saber的“電力電子技術(shù)”仿真教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（2）：81-84.

[2]王紅梅，黃華飛，唐春霞.Saber仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007，（1）：80-82.

[3]秦嶺，高寧宇，華亮，等.Saber仿真軟件在“電機學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（1）：64-66.

[4]謝銀銀，裴雪軍，康勇.基于MAST 語言的虛擬數(shù)字信號處理器[J].電源學(xué)報，2011，（2）：12-17.

[5]吳俊強，曾國宏.基于SABER的PWM整流器滯環(huán)控制仿真[J].計算機仿真，2005，22（2）：182-185.

（責(zé)任編輯：王意琴）