划分仿真模型

使用dSPACE Electrical Power Systems Simulation Package分析大型仿真模型，让其理想地分布在一个或多个FPGA上

为电力电子电路创建复杂的仿真模型时，模型会很大，如果不进行优化，可能无法在单个FGPA上计算。那么，问题来了，如何减少计算工作量。如果有必要将模型划分成有意义的子系统，理想的接口应该在哪里。此时，需要保证划分不良不会影响结果的质量。
我们用一个具体的示例来说明dSPACE为该任务提供的通用方法。

关于规模和依赖关系的模型分析

起点是MATLAB®/Simulink® Simscape Electrical ^TM （Specialized Power SystemsTM）工具箱创建的电动汽车模型，该车的车载充电器通过充电墙盒连接电网。

第一步是分析模型，其输出会分析可否直接用可用的FPGA计算模型。dSPACE Electrical Power Systems Simulation Package（EPSS）为此提供分析功能。在我们的例子中，分析结果是具有262,144个矩阵集的模型，每个矩阵集由系统、输入、输出和传递矩阵组成，对FPGA可用的最大速度内存而言，这太大了。矩阵集如此庞大是因为模型中包含18个开关，理论上会考虑2 ¹⁸ = 262,144个可能的配置。

如果分析表明，可以在FPGA上完整计算该模型，则会为该模型生成一个EPSS文件，其中包含实时仿真所需的所有数据，并可通过dSPACE ConfigurationDesk软件纳入系统的I/O配置中。在上图所示的车载充电器拓扑结构示例中，整个模型并不适合实时仿真完整配置以及所有可能的开关组合，因此无法生成EPSS文件。

在电路图中的依赖关系建模

EPSS中的ANALYZE_SPLITTING模块可以直观地显示哪些模型组件在数学上相互从属，不能分开。其中计算了两个相关的状态变量，特别是相关的电容器电压和电感电流，以及开关事件对其他开关元件的可能影响。相互从属的元件用相同的颜色标记，从而，直观地表明其依赖关系。

检查可能的分段位置

在示意图中，可以在电路图的各个点插入EPSS中包含的特殊分割模块（即INTERFACE模块），让开关尽可能均匀分布，不让相互依赖的开关组分开。下图显示了可能的分割位置。所放置的模型分割INTERFACE模块并没有将开关组或依赖状态分开。重新执行分析功能后表明，存储在FPGA上的矩阵集大幅减少，从262,144降至4,096。

下一步是检查整个系统是否稳定，即使有选定的分割点。

检查可能的分割位置的稳定性

EPSS的ANALYZE_SPLITTING模块可以根据开关配置，轻松评估所选INTERFACE模块位置或一组可能的位置是否会带来持续稳定的系统属性。为排除不现实的开关组合、加快计算速度，可以通过“Exclusion of switch combinations”（排除开关组合）选项来配置开关行为。在本例中，充电墙盒和滤波器的并联开关可以分别配置为三相开关，因为它们总是同时开关。

单击“Generate stability results”（生成稳定性结果）按钮，将以图形方式清晰地显示分析结果。除了各分割方法（可以通过INTERFACE模块选择）会为所研究的分割位置带来稳定、不稳定还是边缘稳定的整体系统这些信息外，还显示了相关（扩展）系统矩阵的特征值。可以根据需要，非常方便地筛选和安排所有结果。

在本模型中，通过该分析可以得出，在DC/DC转换器不发生短路的情况下，即使插入INTERFACE模型分割模块，模型也能稳定运行。

考虑通过特殊配置减少开关数量

在实时应用中，除了模型分割，还有其他方法可以减少矩阵集的数量。首先，可以更准确地对特殊开关配置建模。本模型涉及到开关Sa、Sb和Sc，它们总是同时开关。这同样适用于滤波器中的Rprea、Rpreb和Rprec开关。使用dSPACE Electrical Power Systems Simulation Package（使用的图形用户界面与分割分析相同，可在SETUP模块中配置）中提供的“Exclude Switch Combinations”（排除开关组合）功能，可以轻松地将这些开关配置为三相开关。也可以将它们建模为电阻，运行时使用EPSS“Scenarios”（场景）功能切换。我们在这里使用了各种功能的组合，即将Sa、Sb和Sc建模为三相开关，使用场景配置Sprea、Spreb和Sprec。

实时仿真的启动信号

进行这些配置后，现在可以再次使用ANALYZE_MODEL分析函数来检查可用FPGA模型的实时性。结果证明，此时可以为模型生成EPSS文件，这样就可以使用dSPACE Electrical Power Systems Simulation Package（无需合成）中的预配置通用FPGA，在实时系统上运行该模型。

离线研究开关行为

dSPACEElectrical Power Systems Simulation Package的“Analyze Switch Combinations”（分析开关组合）功能可以分析给定有源开关控制对仿真模型中的无源元件的影响。使用EPSS提供的OFFLINE_SIMULATION模块，可以借助EPSS提供的特殊功能，离线仿真电路，记录并以图形方式显示仿真期间发生的所有开关状态。在下面的图示中还可以看到，当设备Q8和Q9（分别为IBGT/二极管模块）的门打开时，Diode2直到响应的后迭代步骤才打开。灰色和白色区域始终代表一个仿真步骤，这些区域内的子部分代表一组可能的后迭代步骤。图片的右边还有考虑用于控制模块的开关状态频率概览。