Matlab —— 电路仿真
文章目录
- 0. 综述
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- 0.1 软件安装与常规使用
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- 0.1.1 C/C++编译器安装
- 0.2 Simulink Model
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- 0.2.1 子系统 —— 电路封装
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- 0.2.1.1 子系统参数设置
- 1. 建模实验 —— 半波整流器（详细）
- 2. 建模实验 —— 单相全波整流电路（子系统封装）
- 3. 建模实验 —— 相控/斩控交交调压电路（FFT分析）
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- 3.1 FFT分析
- 3.2 LC滤波电路
- 3.3 实际分析
- 4. 建模实验 —— buck变换器
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- 4.1 添加调制波与载波
- 5. 建模实验 —— 单端反激变换器
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- 5.1 离散仿真
- 6. 建模实验 —— 隔离正激变换器
0. 综述
Matlab对电路模拟仿真特别在原理性仿真中是很好用的。
本博文中涉及的所有电路图，可在https://download.csdn.net/download/weixin_43559366/37395285中免积分下载。
0.1 软件安装与常规使用
版本：Matlab R2018b
：https://zhuanlan.zhihu.com/p/378349402
- Simulink Model界面放大缩小：鼠标滚轮，按空格即可回到原始尺寸
- 元器件参数修改：双击元器件即可
- 快速复制元器件：对元器件使用鼠标右键拖动
- 元器件的使用说明：右击元器件 - help
- 采样步长配置参考：8kHz下，一般选择1e-6的最大采样步长
- 示波器波形测量：
- 添加注释：空白处拖动，点击Creat Area
- 载波信号：使用重复序列实现
三角波设置方法例子如下
锯齿波设置方法例子如下
0.1.1 C/C++编译器安装
在matlab的命令行窗口中，随意输入指令行，当未安装编译器时，会提示安装，跳转到其提供的链接进行下载，也可以直接到MinGW官网下载。
进入到连接后，如下图查看Matlab建议的MinGW版本，这里是6.3版本。
到MinGW官网下载页面点击MingW-W64-builds
跳转到下载页面，选择File
拉到下面，没有6.3版本，那就下载6.4版本，然后根据电脑系统位数下载，比如64位系统下载第一个就可以
下载完成后解压，右击此电脑 - 属性 - 高级系统设置 - 环境变量
在用户变量中点击新建，分别填入内容如下，点确定：
- 变量名：
MW_MINGW64_LOC - 变量值：minGW64解压的地方（路径不要有中文）
双击系统变量中的 path，新建一个路径：D:\mingw64\bin（根据minGW64解压的路径而定）
完成上述配置后，重启matlab
在matlab 的命令行窗口中输入mex -setup，显示如下图信息，即表示编译器安装成功
0.2 Simulink Model
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新建Simulink Model：
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器件库：如下图部件为Simulink的库，其中包含很多类型的库，关于电子电气的，一般只需要用到Simulink和Simscape中的Electrical中的器件即可，前者是弱电器件（信号模型），后者为强电器件（物理模型）。
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0.2.1 子系统 —— 电路封装
在库中添加一个子系统
双击子系统进入编辑窗口，绘制电路，添加输入输出口和连接口
最终子系统电路如下图
返回到电路图后，发现子电路被封装起来，只留下引脚，电路变得简单明了很多
另外一种快速添加子系统的方法，选择需要添加到子系统的电路，点击右下角的三个点，选择创建子系统，即可快速创建主系统电路
0.2.1.1 子系统参数设置
右击封装好的子系统，选择Create Mask，
在Parameters & Dialog 页面中添加Edit，然后按需编辑即可
回到子系统电路中，双击元器件编辑参数，在参数中填入之前Edit栏内设置的变量，即可将其关联上
如果设置变量时出现报错，可以先对已设置的变量设置一个初始值（见下一步），再回来关联变量
此后，双击封装好的子系统电路，即可快速编辑子系统电路中的元器件参数
1. 建模实验 —— 半波整流器（详细）
习题如下，使用Matlab进行电路仿真，并得出相应的结果。
如上所述，新建一个Simulink Model窗口，在库中拖一个powergui到Simulink Model窗口中，拖一个交流电压源、二极管、负载电阻等。
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添加powergui
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添加交流电压源
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添加二极管
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添加负载电阻
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连接元器件
注意器件的端口若是方形的，那它只能与方形的端口链接。 -
修改元器件参数
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添加测量仪表（电压表、电流表）
添加示波器
双击示波器，设置示波器的探头为2个
添加混合器
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连接电路
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设置仿真时间：50Hz下一个信号为0.02s，看5个波形就是0.1s
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运行查看波形
分开波形窗口，这里布局设置为上下布局
可见此时的波形是比较粗糙的，不像理想的正弦波，这是因为仿真器的步长过大（采样周期过大）导致的，点击菜单栏中的设置，将最大步长设置为0.001s（50Hz信号下一个周期为0.02s，设置采样步长为0.001s）
再次运行仿真，波形变得平滑
那么基本电路就搭建成功，下面按照题目来放入相应的元器件并配置好相应参数。
波形图的放大缩小，对波形图使用滚轮或如下图按钮即可
- 使用一个晶闸管代替电路中二极管
修改电压源电压有效值为120V
增加电感负载并设置成0.048H，电阻阻值改为20Ω.
添加万用表并将之前的电压表、电流表删除
将电压源中的测量设置为电压测量，同理将电阻中的测量改为电压、电流测量，电感中的测量改为电压测量。
重命名元器件
双击万用表，将所有测量点添加到右边
添加一个4路信号分解器，并与万用表连接
添加一个3路信号混合器，最后连接结果如下图
添加脉冲发生器，给晶闸管触发信号
设置好信号周期和题目要求的延迟角。
再增加一个示波器去查看信号发生器的波形，最终电路如下图
12. 点击运行，查看两个示波器波形，其中示波器2中黄色为电源电压，蓝色为电阻电压，红色为电感电压，可见，由于电感的存在，负载的电压存在一个滞后状态，导致电源电压到零后，负载电压还未到零。
- 添加平均值、有效值的测量，再添加一个显示窗口
最终电路连接如下图
- 导出仿真数据：右击要导出的仿真数据，选择"log selected signal"
点击运行，再Matlab界面的工作区中，就保存了该信号的log文件，双击打开，有一个"value"文件，选中并选择上方菜单栏的绘图，选择plot，即可绘制该数据的图形
若要修改图形的一些参数，点击菜单栏中的鼠标，然后双击图形空白处即可
将图形修改成以下更加直观的图形之后，点击编辑 - 复制图窗，即可将图形复制
2. 建模实验 —— 单相全波整流电路（子系统封装）
如上所述，新建一个Simulink Model窗口，在库中拖一个powergui到Simulink Model窗口中，使用子系统搭建全桥电路
使用子系统搭建脉冲发生器，该脉冲发生器是用于给晶闸管导通的，其配置的参数如下，其中变量freq、alpha未子系统Mask参数（见0.2.1.1节）
添加负载电阻和电感，参数配置如下
最终外部电路如下
运行后波形图如下
3. 建模实验 —— 相控/斩控交交调压电路（FFT分析）
相控交交调压电路、斩控交交调压电路如下，现用Matlab进行电路仿真。
- 相控交交调压电路：当交流电源为正相时，晶闸管S1导通，反之S2导通
- 斩控交交调压电路：当交流电源为正相时，晶闸管S1导通，反之S2导通，其中S3、S4是感性负载的续流作用
相控交交调压电路如下：
参数如下：
以功率6000W来计算，负载电阻约为8.067ohm .
仿真时间为0.06秒即可
最大采样步长设置为0.0001秒
点击运行仿真，查看示波器波形：
可见负载电压相对电源电压正负半周期都是延迟了30°相位角才触发，其电压平均值于电源电压平均值一样，但RMS（有效值）比电源的RMS小很多，而且延迟角越大，RMS越小，从而实现降压功能
斩控交交调压电路如下
电源与负载参数与相控交交调压电路一样，如下
其中主电路子系统电路如下
其中Motset 的m脚接的是终端，作用只是防止编译警告
触发电路子系统电路如下
添加选择开关，其作用是当控制端口（输入2端口，即中间那个端口）满足所选标准时，信号通过输入1；否则，通过输入3。控制端口2的标准为u2>=阈值、u2>阈值或u2~=0可选。这里控制端口2的信号为交流电压源信号，即当电源电压为正时，信号通过输入1端口，反之通过输入2端口。
添加信号转换器，输出类型选择布尔型
添加逻辑信号操作器，配置为反相器
添加常数，常数设置为0，输出类型为布尔型
添加脉冲发生器，参数如下
点击运行，查看示波器波形
将信号放大后可见，输出信号并不平滑，此时分析它的总谐波畸变率（THD）（输出信号所有的谐波之和加基波之和占信号的百分比）
3.1 FFT分析
右击要分析的数据，选择"log selected signal"，再次点击运行，生成数据
双击Power gui，选择FFT分析（傅里叶分析）
配置好FFT 分析参数，点击Display，即可显示FFT分析波形，从左到右依次为基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波 … ，同时可见输出信号的THD为14.62%，总谐波失真非常大
同理查看斩控交交调压电路的THD，注意将最大频率改为40kHz，可见其THD达到99.88%
3.2 LC滤波电路
L1计算：
已知电路功率为6000W，电压值为220V，则计算得输出电流约为27.273A
已知电感的感抗为ωL，电感上的电压为0.05V=ωL * I，已知V=220V、I=27.273A、ω=314，则计算得出L约为0.00128H
C1计算：
电容值通过LC滤波电路的谐振频率公式来计算，谐振频率取5kHz，计算得C约为0.8μF
天机RMS和Display部件查看其负载电压的有效值，再次点击电路运行，查看波形图
3.3 实际分析
回到最初的斩控交交调压电路，理想情况下Mosfet S1和S4互补导通（S2、S3同理），前面的电路触发也是如此设置，但实际电路中可能因为某些原因，存在Mosfet S1、S4都不导通的情况，若此时负载L中存在大电压，此电压得不到及时的泄放，会对负载形成较大的威胁。
回到触发电路子系统电路，将S4、S3配置为常触发状态，修改如下
再次运行并查看示波器，仿真下，结果与前面的分析并无差异。
再次查看FFT分析，发现THD降低到3.47%，满足电网THD<5%的要求。
使用一个示波器查看两个电路的负载电压，可见斩控交交调压电路比相控交交调压电路效果更佳。
4. 建模实验 —— buck变换器
主电路原理图如下，简述原理为：
- 当Mos管S打开时，电源电压通过电感给电容和负载供电
- 当Mos管S关闭时，电感上储蓄的能量通过二极管协防，继续给电容和负载供电
搭建电路与参数如下
注：
- 万用表观察的是负载R1的电压
- 采集时间为0.02s
点击仿真，查看示波器
可见负载上的电压并不是完全是20V，这是因为Mos管、二极管的导通压降和R、L、C的寄生参数引起的。
4.1 添加调制波与载波
添加调制波和载波信号，其中调制波使用参数1实现，载波使用20kHz的锯齿波信号实现，调制波就是目标波形的占空比，因为占空比是40%，所以这里常数值设置为0.4
添加加法器并修改参数
添加零比较器并修改为大于0时输出为真（1）
最后电路搭建如下
点击仿真，查看示波器，波形如下，与第一个电路的结果差不多
5. 建模实验 —— 单端反激变换器
电路原理、参数与运行原理如下。
搭建电路如下：
其中线性变压器：
其参数解释如下：
- 单位，pu为标幺值单位，SI为标准值单位
- 运行功率与频率
- 原边电压（重要）、电阻、漏电感值
- 副边电压（重要）、电阻、漏电感值
- 励磁电阻、励磁电感（重要）
电感原边、副边的匝数比，一般通过原边电压和副边电压体现，如下原边电压为24、副边电压为8，那么该变压器的匝数比就是24/8=3：1
DC-DC PWM脉冲发生器，开关频率设置为40kHz，占空比为38.5%
仿真时间设置为0.02s，点击仿真，查看示波器，可见负载电阻电压稳定后处于4V左右
将PWM发生器的占空比设置为50%后，再次仿真查看示波器，可见输出电压大概在7V左右
其原因在于：电路处于开环状态，二极管、Mosfet、变压器中的电阻等会导致压降存在
5.1 离散仿真
右击空白处，选择Sample Time Display（采样时间显示），选All，即显示所有采样时间
然后弹出一个框，其中：
- 连续量
- 固定最小步长量
- 离散量
- 常量
- 混合量
对应地，在电路中有对应颜色的标识，如参数0.43为常量，那么它就显示为常量的颜色
点击设置按钮
选择固定步长和无连续状态，固定步长设置为0.25e-6
双击Power GUI，同样设置为离散仿真
添加一个子系统，其电路如下
其中，添加离散型PID控制器，设置为PI控制器，设置好PI参数，固定饱和（相当于限幅）
返回到主电路并连接
运行仿真，查看示波器，可见，电压最后能稳定到5V左右。
最后，添加一个零阶保持器和滞后器到子系统电路
6. 建模实验 —— 隔离正激变换器
电路原理图与参数如下：
电路工作过程如下：
- 当Mos管S导通时：电源通过变压器N1到N2传递能量，同时给电感Lm充电。副边给电感L充电，给负载C、R供电。
- 当Mos管S关断时：电感Lm释放能量，通过绕组N1续流，电流从N1非同名端流出，若传递到N2，电流也应该从非同名端流出，但副边N2无电流回路，则N1的能量只能传递到N3，电流从N3非同名端流出，回馈到电源端。
Matlab中电路搭建与参数设置如下：
使用离散仿真模式
脉冲发生器
变压器
示波器查看负载电阻电压和绕组N3的电流
仿真时间设置为0.02秒，运行仿真，查看示波器波形图
