概述

基于仿真速度和結果精度之間的權衡，在設計的第一階段使用高精度模型不是一種有效的方法。高精度模型會使仿真速度變的非常慢，建議在設計過程中的每個階段使用合適的模型。可能會發現，合適的模型會更容易優化系統參數。

本文將用實例的方式演示以分段建模的方式優化直流電機控制系統。

直流電機控制系統

下面是直流電機控制系統的示意圖：

圖1 直流電機控制系統

該圖由定子或勵磁繞組組成，該繞組產生恒定的勵磁磁通量。該繞組由電感Ls和電阻Rs建模。當電壓Vs施加到定子繞組時，電流is流動，產生磁通Ψ。轉子繞組也通過其電感LR和電阻RR來建模。當電壓VR施加到轉子繞組時，電流IR流動。VR是由差分輸入電壓VD驅動的控制器的輸出。信號流是從VD到VR，但不是在相反的方向上。因此，轉子和定子之間的電樞反作用被忽略。

定子

首先，我們寫出定子繞組的數學方程式：

通常，磁通量Ψ是定子電流Is的非線性函數。為了簡單起見，我們假設Ψ是Is的線性函數：

y=LSIS

因此我們可以得到：

轉子

對于轉子繞組的數學方程，我們得到

VI是當轉子繞組在勵磁場中旋轉時在轉子繞組中感應的相反的電動勢。VI可以寫成常數C1、通量Ψ和角速度ω的乘積。

V1=C1yw

機械動力學

對于轉子軸上的力矩，我們可以寫出平衡方程：

MR是轉子驅動轉矩，它是勵磁磁通Ψ和轉子電流IR乘以常數C2的線性函數。ML是給定的負載力矩，MF是電機的內摩擦力矩，假設它是角速度ω乘以常數C3的線性函數。JM是與轉子機械連接的所有旋轉質量的慣性矩。控制器

控制器由設置的標稱角速度ωS的速度電位器電壓和與角速度ω成正比的轉速表電壓之間的電壓差VD驅動。我們可以將VD寫成角速度之差乘以常數C4：

VD=C4(ωS-ω)

對于控制器，我們使用PI特性，其描述如下：

Simulink 模型

首先，我們在Simulink中對整個系統進行建模。

圖2 Simulink模型

參數

Simulink 模型結果

角速度ωS（t）和ω（t）的曲線如下所示。定子電壓VS在時間t＝1s處被接通。ωS在2s時設置為50 rad/S，轉子開始轉動。在t=6s左右，ω達到50 rad/s的穩態。

在t=7s時，施加50 Nm的負載力矩，轉子速度降至43.6 rad/s。因此，控制器增加VR，在t=10s左右再次達到ωs=50 rad/s的新穩態。

圖3.Angularvelocitiesω(t)andωS(t)

Simulink-PSpice 模型（理想運放）

參考Simulink模型的仿真結果，我們現在將把一些Simulink塊替換為PSpice電路。下面是系統框圖

圖4.系統框圖

Simulink 模型（理想運放）

下面是Simulink模型，其中包括使用SLPS的PSpice電路。

圖5.Simulink模型

PSpice 電路（理想運放）

定子、轉子和PI控制器采用PSpice建模，如下所示。

圖6.定子電路

圖7.轉子電路

圖8.PI控制電路

電路元件VS、RS、LS和ER、RR、LR實現dIs/dt和dIR/dt的等式。對于PI控制器中的運算放大器，我們首先使用一個理想的模型，該模型具有很高的開環增益、無限輸入電阻、零輸出電阻、零輸入偏置電壓、零輸入偏移和偏置電流，并且沒有輸出電壓飽和。這種行為很容易在PSPICE中通過線性電壓控制電壓源進行建模。PI控制器輸出電壓V(9)（PIC_OUT）由以下等式給出。

有了這些因素

I和P特性相交的角頻率f0為：

電壓V(9)控制增益值為-20的電壓控制電壓源ER。因此，我們得到

將此方程與Simulink模型中的VR方程進行比較，我們注意到兩者是相同的，因為常數C5=606和C6=100。因此，PSpice控制器電路在Simulink模型中實現了與子系統PI控制器相同的VR方程。

Simulink-PSpice模型仿真結果

仿真結果如下：

圖9 理想放大下的PI控制器的ω(t)和ωS(t)f

Simulink-PSpice 模型（實際運放）

PSpice電路（實際運放）

我們現在用標準μA741 OPamp的設備級模型取代PI控制器中的理想OPamp模型。

圖10.使用μA741的PI控制器電路

Simulink-PSpice 仿真結果（實際運放）

圖11.使用μA741的PI控制器的ωS(t)

在1s點開啟激勵后，電機開始反向轉動。顯然，設備級模型的行為與控制器中使用的理想運放模型不同。這是因為在t=0直流工作點計算時，由于輸入失調電壓和非常高的開環增益，運放輸出進入飽和狀態。

PSpice電路（直流反饋）為了避免偏移問題，在反饋回路中加入了10MΩ電阻器R4，將直流增益限制在1000。

圖12.帶直流反饋的PI控制電路

Simulink-PSpice 仿真結果（直流反饋）

圖13.ωS(t)（R4=10MΩ）

由于運放輸出偏置電壓降低，相反方向的初始瞬態也降低。直流增益降低的負面影響是ω(t)的穩態響應與50 rad/s略有不同。

通過在設計過程的每個階段選擇不同的模型，您可以快速查找并解決問題。首先用理想模型建模，就可以確定近似參數。然后，您可以將這些理想模型替換為線性電子元件，然后再替換為非線性器件，以進行最終電路驗證。在Simulink中使用PSpice (SLPS)可以減少設計修改的次數，并使您的設計周期更短。

總結

PSpice System Option軟件模塊將cadence仿真技術和MathWork 的Simulink-MATLAB仿真包整合在一起形成一個強大的聯合仿真環境。

Simulink是一個多領域仿真和基于模型的動態系統仿真平臺，與PSpice軟件緊密集成，這允許設計人員執行系統級仿真，其中包括物理器件的實際電氣模型，在早期的設計過程中也可以發現設計和集成問題，減少原型設計的迭代次數。集成還能夠使機電系統的設計人員（如控制塊，傳感器和功率轉換器）能夠實現集成系統和電路仿真。