基于PSpice System Option接口的直流电机控制系统设计

概述

基于仿真速度和结果精度之间的权衡，在设计的第一阶段使用高精度模型不是一种有效的方法。高精度模型会使仿真速度变的非常慢，建议在设计过程中的每个阶段使用合适的模型。可能会发现，合适的模型会更容易优化系统参数。

本文将用实例的方式演示以分段建模的方式优化直流电机控制系统。

直流电机控制系统

下面是直流电机控制系统的示意图：

图1 直流电机控制系统

该图由定子或励磁绕组组成，该绕组产生恒定的励磁磁通量。该绕组由电感Ls和电阻Rs建模。当电压Vs施加到定子绕组时，电流is流动，产生磁通Ψ。转子绕组也通过其电感LR和电阻RR来建模。当电压VR施加到转子绕组时，电流IR流动。VR是由差分输入电压VD驱动的控制器的输出。信号流是从VD到VR，但不是在相反的方向上。因此，转子和定子之间的电枢反作用被忽略。

定子

首先，我们写出定子绕组的数学方程式：

通常，磁通量Ψ是定子电流Is的非线性函数。为了简单起见，我们假设Ψ是Is的线性函数：

y=LS IS

因此我们可以得到：

转子

对于转子绕组的数学方程，我们得到

VI是当转子绕组在励磁场中旋转时在转子绕组中感应的相反的电动势。VI可以写成常数C1、通量Ψ和角速度ω的乘积。

V1=C1yw

机械动力学

对于转子轴上的力矩，我们可以写出平衡方程：

MR是转子驱动转矩，它是励磁磁通Ψ和转子电流IR乘以常数C2的线性函数。ML是给定的负载力矩，MF是电机的内摩擦力矩，假设它是角速度ω乘以常数C3的线性函数。JM是与转子机械连接的所有旋转质量的惯性矩。控制器

控制器由设置的标称角速度ωS的速度电位器电压和与角速度ω成正比的转速表电压之间的电压差VD驱动。我们可以将VD写成角速度之差乘以常数C4：

VD=C4(ωS-ω)

对于控制器，我们使用PI特性，其描述如下：

Simulink 模型

首先，我们在Simulink中对整个系统进行建模。

图2 Simulink 模型

参数

Simulink 模型结果

角速度ωS（t）和ω（t）的曲线如下所示。定子电压VS在时间t＝1s处被接通。ωS在2s时设置为50 rad/S，转子开始转动。在t=6s左右，ω达到50 rad/s的稳态。

在t=7s时，施加50 Nm的负载力矩，转子速度降至43.6 rad/s。因此，控制器增加VR，在t=10s左右再次达到ωs=50 rad/s的新稳态。

图3. Angular velocitiesω(t) and ωS(t)

Simulink-PSpice 模型（理想运放）

参考Simulink模型的仿真结果，我们现在将把一些Simulink块替换为PSpice电路。下面是系统框图

图4. 系统框图

Simulink 模型（理想运放）

下面是Simulink模型，其中包括使用SLPS的PSpice电路。

图5. Simulink 模型

PSpice 电路（理想运放）

定子、转子和PI控制器采用PSpice建模，如下所示。

图6.定子电路

图7.转子电路

图8. PI 控制电路

电路元件VS、RS、LS和ER、RR、LR实现dIs/dt和dIR/dt的等式。对于PI控制器中的运算放大器，我们首先使用一个理想的模型，该模型具有很高的开环增益、无限输入电阻、零输出电阻、零输入偏置电压、零输入偏移和偏置电流，并且没有输出电压饱和。这种行为很容易在PSPICE中通过线性电压控制电压源进行建模。PI控制器输出电压V(9)（PIC_OUT）由以下等式给出。

有了这些因素

I和P特性相交的角频率f0为：

电压V(9)控制增益值为-20的电压控制电压源ER。因此，我们得到

将此方程与Simulink模型中的VR方程进行比较，我们注意到两者是相同的，因为常数C5=606和C6=100。因此，PSpice控制器电路在Simulink模型中实现了与子系统PI控制器相同的VR方程。

Simulink-PSpice模型仿真结果

仿真结果如下：

图9 理想放大下的PI控制器的ω(t) 和 ωS(t) f

Simulink-PSpice 模型（实际运放）

PSpice电路（实际运放）

我们现在用标准μA741 OPamp的设备级模型取代PI控制器中的理想OPamp模型。

图10. 使用μA741的PI控制器电路

Simulink-PSpice 仿真结果（实际运放）

图11. 使用μA741的PI控制器的ωS(t)

在1s点开启激励后，电机开始反向转动。显然，设备级模型的行为与控制器中使用的理想运放模型不同。这是因为在t=0直流工作点计算时，由于输入失调电压和非常高的开环增益，运放输出进入饱和状态。

PSpice电路（直流反馈）为了避免偏移问题，在反馈回路中加入了10MΩ电阻器R4，将直流增益限制在1000。

图12. 带直流反馈的PI控制电路

Simulink-PSpice 仿真结果（直流反馈）

图13. ωS(t)（R4=10MΩ）

由于运放输出偏置电压降低，相反方向的初始瞬态也降低。直流增益降低的负面影响是ω(t)的稳态响应与50 rad/s略有不同。

通过在设计过程的每个阶段选择不同的模型，您可以快速查找并解决问题。首先用理想模型建模，就可以确定近似参数。然后，您可以将这些理想模型替换为线性电子元件，然后再替换为非线性器件，以进行最终电路验证。在Simulink中使用PSpice (SLPS)可以减少设计修改的次数，并使您的设计周期更短。

总结

PSpice System Option软件模块将cadence仿真技术和MathWork 的Simulink-MATLAB仿真包整合在一起形成一个强大的联合仿真环境。

Simulink是一个多领域仿真和基于模型的动态系统仿真平台，与PSpice软件紧密集成，这允许设计人员执行系统级仿真，其中包括物理器件的实际电气模型，在早期的设计过程中也可以发现设计和集成问题，减少原型设计的迭代次数。集成还能够使机电系统的设计人员（如控制块，传感器和功率转换器）能够实现集成系统和电路仿真。