Portunus系统级接口设计与验证系统范文
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摘要：随着航天领域电气系统复杂程度以几何级数的速度增加，难以在样机制造之前发现诸如系统中设备之间的干扰、匹配问题，造成样机试制一轮一轮展开，研发周期和研发成本都急剧上升，急需通过有效的手段缩短研发周期、降低研发成本。因此，开展了系统级接口设计与验证系统相关研究，在Por－tunus软件基础上进行适应性二次开发，建立供电线路仿真模板、载荷设备突变仿真模板和电缆模型库，用于系统供配电线路设计时的评估与指导，改进之前在线路设计中通常需要依靠经验，需要通过系统匹配实验才能对供电性能进行评估的被动设计方式。
1概述
基于现有航天地面电气系统的复杂程度，系统间的接口设计往往依赖于设计师的经验及设备接口匹配验证的结果，并且在实物匹配过程中设备之间的干扰通过现有的技术手段很难预见，而设备之间的干扰必然导致设备方案的修改和实物的返工，这就会对影响系统的研制进度。为此，以Portunus系统仿真软件为基础仿真平台，通过开发电力电缆电气参数提取算法模块、电力电缆通用RLC电路模型及部分常用成缆模型，形成线缆模型库；开发供配电线路仿真模板；开发含有不同载荷设备的供电系统仿真模板，从而实现分层次、分系统的对供电电缆、供电线路以及供电系统进行性能仿真评估及分析，辅助系统间接口设计及验证工作。
2技术实现路线
系统间的接口设计与验证过程中需要综合考虑供电电源的供电特性、负载设备的载荷特性以及供电线路的传输特性，以实现最优的系统载荷匹配为最终的目标。基于Portunus商用软件作为线路仿真基础工具，通过行为级建模，模拟电源和负载载荷设备的电气输入输出特性；综合考虑电缆几何结构和排列方式的多样性，分析电缆各电气元件的耦合特性并提取元件参数，实现对于电缆线路的建模，并根据实际设计参数在Por-tunus中建立详细的电缆电气模型才能在仿真时得到准确的输电特性。
2.1线路仿真
针对用户界面、建模工具、求解核、后处理工具、元件模型库及外部扩展接口的要求，通过底层算法的编写和优化，对各具体工具模块进行编程设计，开发Por-tunus系统仿真软件，实现线路仿真所需的基础工具模块。用户界面采用图形创建工具，实现可绘制原理图的交互界面并集成各种工具模块满足对模型建模的需求。如图1所示。集成各种基础元件算法模型，可以实现网络拓扑直接建模、传递函数建模和流程图建模等功能，通过开发SPICE网表接口和VHDL-AMS编程接口，可调用元件库中的接口模块进行模型的SPICE建模和VHDL-AMS语言建模，在仿真执行过程中调用相应的SPICE求解核算法或VHDL-AMS求解算法对相应模块进行计算；通过开发C/C++接口元件模块，实现对外部C代码的调用，在仿真过程中可以建立用户模块并将C代码编译生成的dll文件耦合起来，实现C/C++代码元件库。后处理工具的开发集成不同的数据处理算法，可以实现对数据的函数计算、特征值计算、傅里叶分析等处理，同时集成各种工具满足对数据的导出、显示等功能需求。通过开发同其他软件交互的接口工具，实现同其他软件的联合仿真功能。
2.2电缆模型库建模
2.2.1电缆电气参数提取电力电缆的基本结构由线芯(导体)、内绝缘层、金属护套(屏蔽层)和外绝缘层4部分组成。如图3所示，是一根含有以上4个部分的电缆截面图。电缆的电气参数有自阻抗和导体间的互阻抗，以及导体的并联导纳等，以图3基本结构为例，通过理论分析可得到电缆的电气参数，包括：导体自阻抗、金属护套自阻抗、导体和护套间的互阻抗、导体和护套间电容、护套和等效地间电容。其中，各阻抗参数和电容参数由电缆的导体材料、几何结构以及多跟导体的不同排列方式决定。因此，在进行电缆仿真之前，需要按照电缆结构参数和排列方式的不同，调用电气参数提取算法计算出各条电缆RLC电路模型的元件参数。以3根单芯等间距排列的电缆为例，通过电缆参数提取模块可建立相应的RLC矩阵为：电阻矩阵描述了每根单芯电缆中导体和金属护套的电阻特性，该电阻值可以直接由阻抗计算公式得到。电感矩阵描述了每根单芯电缆中导体和金属护套的电感特性，同时也描述了各导体和金属护套之间的相互耦合关系。电容矩阵描述了每根电缆中导体和护套之间以及护套和参考地之间的电容特性。随着电缆结构变化以及电缆排列方式的不同，所建RLC矩阵的阶数以及各矩阵中的参数也会不同，针对特定的电缆结构和排列方式，可以由阻抗计算公式及电容计算公式分别计算需要修正的RLC参数，完成对各具体成缆模型参数的修正。2.2.2电缆建模由于电缆的设计种类和排列方式千变万化，所以电缆参数的计算很难完全涵盖所有的情况。故在电缆模型库建模时，应首先考虑电缆基本结构，在Portunus中实现其电气参数提取的通用算法；然后，按照实际使用电缆的不同结构和不同排列方式建立各自的电路模型，并根据通用算法计算和修正各电路模型中的RLC参数，通过封装实现各成缆产品的建模，进而形成电缆模型库。其中，电缆电气参数提取模块可通过VHDL-AMS建模工具，编程计算各电路参数并将结果输出。对参数计算模块进行编译、封装后可在界面元件库中找到所建的模块，将该模块拖入工作界面中可对其进行仿真计算。调用所建的参数计算模块仿真模型，双击电缆参数模块可以弹出电缆参数列表，在Value列中可填入实际电缆参数，Default列中参数为通用电缆的默认参数，通常不用更改。若有些参数需要实时变化，可将参数端口开放后由外部模块进行控制。参数列表中给出了电缆的结构设计参数，如表1所示，输入电缆设备厂家提供的相应参数后，可直接计算得到电缆的RLC电气参数在完成后电缆模型库建模后，通过外部接口接入，可以通过调整电缆电气参数，模拟电源供电频率的变化，实现电路仿真功能。
2.3供电线路建模及仿真
按照电路子模块功能建立各部件的行为级模型。使用电缆模型库的通用算法模块和电缆电路模型，同供电线路其他子模块进行耦合连接，生成仿真模板。设置各模块参数及工况，分析系统供电线路正常工作、故障模式两种不同工况的供电品质、线缆压降、浪涌电流等性能。仿真模板可重复运行，运行结果收敛并一致。仿真运行如果出现不能正确往下进行，或运行结果发散时，通过调整算法参数或其他技术方法，使仿真能够完整、重复执行，结果收敛。使用开发的仿真工具，动态直观地观察仿真运行的过程、结果。模板具有开放性，支持用户编辑修改模板拓扑、工况、模型参数和输出参数，快速生成相似产品的仿真模板。供电线路模板可以对不同的配电方式下的稳态和动态过程进行模拟，其中，电源可以采用理想AC和DC电压源，负载可以采用阻性、容性和感性负载模块进行模拟。可以仿真线路正常工作时各条线路的输电特性，同时可以仿真线间短路及线路绝缘失效等工况。如图5所示线路仿真模板拓扑中，两条不同的输电电缆分别带有阻性负载和容性负载，在线路中可以设置短路故障模块，可以设定故障发生的时刻，仿真分析故障发生后的线路输电特性。供电线路建模仿真实现了对直流供电和交流供电的仿真，可以模拟多根电缆平行排列、多根电缆交错排列、电缆短路故障、电缆绝缘失效等多种情况，并支持阻性负载、感性负载和容性负载。
2.4设备载荷建模及系统载荷突变仿真
在Portunus中按照负载设备模块功能建立其行为级模型。使用电缆库电路模型同负载设备模块进行耦合连接，形成供电系统仿真模板，通过设置各子模块和模板电路的参数，进行系统性能仿真。对于系统中多个载荷设备共用一个母线的情况，设置某个负载功率突变条件，仿真其对母线以及其他用电设备的影响。可按照仿真要求对载荷设备模型进行一定的简化，对于对母线电压、电流等特性影响不大的载荷设备，进行原理建模，模拟载荷设备的基本端口特性，仿真逻辑功能转换时的输出特性，切实暴露系统真实存在和设备切换的逻辑、时序问题。其中，电源、电缆、负载模块均可按照需要搭建所需的行为级模型。图5负载（load）为带SVPWM控制的三相交流电机，其行为级子模块如图6所示。设备载荷系统仿真可以实现对交流电源、直流电源供电线路的仿真；对单路电缆和多路电缆的仿真；对AC-DC适配电源、继电器负载、直流电机及其控制器、三相交流电机及其控制器以及FUSE的设备载荷仿真，最终实现模拟负载端谐波、模拟负载切换时序、模拟直流电机特性、模拟变频控制下的电机特性以及模拟负载熔断特性。
3测试验证
3.1供电线路性能仿真
以交流传输电路上的电缆特性为仿真模型，其模板原理图如图7所示。征由软件时间函数模块模拟，并将时间函数模块的输出与电源参数进行关联。单相电缆模型采用模型库中的Singlephasecable，其中，电缆电气参数RLC值由电缆参数计算模型Cableparam计算输出，并关联到电缆模块参数中，Cableparam模块通过设置电缆的结构和材料特性参数对单位长度的电缆参数进行计算。当调用Cableparam模块时，各参数默认值自动赋值给各参数，当需要调整某参数时只对相应参数进行设置即可。Cableparam模块中，输入接口为传输频率，可以在外部设置线路工作频率参数，在将source模块的输出关联到该接口参数中。用户界面中添加On-SheetDisplay模块实现数据采集与显示将计算结果进行表格展示，如图8所示。
3.2载荷设备突变仿真
以Boost变换器为模板进行载荷设备突变仿真测试。如图9所示，模板由交流电源、cable线路，boost变换器及负载电阻组成。其中，交流电源E1设置频率为50Hz，振幅设置为311。Cable传输线使用cable0模块，Boost电路前级采用不控整流电路，整流桥输出端直流电容设置为5mF，Boost电路采用设备库中的Boost模块，该模块输出设计为400V，可模拟实际电源适配器中Boost变换器的负载特性。负载电阻设定为50ohm，由切入开关控制，负载切入时刻设置步进时长0.02s。点击运行后，模型开始运行，在界面中加入On-SheetDisplay模块并添加负载电阻电压、电源输入电压和电流波形，如图10所示。
4结语
基于Portunus的系统级接口设计与验证系统通过线路仿真平台和电缆模型库等工具，通过对电源、线路、载荷设备的建模、仿真和性能分析，最终实现对系统接口中的供电品质、线缆压降的模拟。此系统可应用于涉及大量设备的火箭电气系统中，在样机制造之前通过模拟发现系统接口间的干扰、匹配问题，缩短了设备和系统的研发周期，降低了研发成本。
参考文献
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作者：马宗瑞，韩雨桐，岳玮 单位：北京宇航系统工程研究所