如何实现MATLAB与SPICE仿真分析之间的转换

邮局订阅号 8 2 9 4 63 6 0元 年 技 术 创 新 仿 真 技 术 嵌入式系统应用精选2 0 0 例 如何实现 MA T L A B与 S P I C E仿真分析之间的 转换 H o wt oR e a l i z eT r a n s f o r ma t i o nb e t we e nS P I C Ea n dMA T L A Bi nS i mu l a t i o nA n a l y s i s 浙江水利水电专科学校 施文济 S h i We n j i 摘要 结合S P I C E与M A T L A B仿真软件各自的特点 对它们之间的转换进行研究 通过采用接口软件进行动态连接或嵌入 实现了S P I C E与M A T L A B之间的转换 较好地解决了在复杂系统仿真分析中 发挥这两种仿真软件的各自优点的问题 从 而使系统仿真更具有实用性 关键词 MA T L A B S P I C E 仿真 转换 中图分类号 T P文献标识码 A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f S P I C Ea n dM A T L A B s y s t e m a t i cr e s e a r c hi sm a d ef o rt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nS P I C Ea n dM A T L A B B ys e t t i n gu pd y n a m i cl i n ko rb u i l t i nu s i n gi n t e r f a c es o f t w a r e t h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nS P I C Ea n d M A T L A Bc a nb er e a l i z e dt os o l v et h ep r o b l e m o f e x e r t i o no f e a c ha d v a n t a g eo f S P I C Ea n dM A T L A Bi ns i m u l a t i o na n a l y s i so f c o m p l e xs y s t e m a n dm a k es y s t e ms i m u l a t i o nm o r ep r a c t i c a l K e yw o r d s MA T L A BS P I C Es i mu l a t i o n t r a n s f o r ma t i o n 文章编号 1 0 0 8 0 5 7 0 2 0 0 6 0 2 1 0 2 6 9 0 3 引言 近年来 计算机仿真技术已经渗入到电路设计的 各个领域 一些仿真软件相继出现 如由美国加州大 学伯克莱分校开发的通用电路仿真软件S P I C S 由美 国A n a l o g y公司开发的S A B E R通用软件 由美国B P A B o n n e v i l l e电力局 开发的用于电力系统分析的软件 E M T P 由美国M a t h w o r k s公司推出的用于控制系统仿 真软件M A T L A B S i m u l i n k等 这使得计算机仿真技术 已经成为电路设计人员的一种基本手段 一个典型的系统通常是由电力电子器件构成的 开关装置 由模拟及数字电路构成的控制电路以及机 电设备构成的负荷等三部分组成 在这样一个复杂的 混合系统中 既有模拟电路又有数字电路 既有小功 率的电子器件又有大功率的电力电子器件 其各个部 分往往又遵循不同的物理法则 很难有一种仿真软件 能完全适用于电力电子系统的仿真设计 因此 在设 计电力电子系统时 就希望各仿真软件之间能互相转 换 充分发挥它们各自的优点 扬长避短 使电力电子 系统的仿真能更接近实际 更实用 本文主要就S P I C E与M A T L A B仿真软件的特点 进行分析 并对它们之间的转换进行探讨 1 S P I C E软件的特点 S P I C E S i m u l a t i o nP r o g r a mw i t hI CE m p h a s i s 是一 种通用的电子电路仿真软件 它主要用于大规模集成 电路的计算机辅助设计 P S P I C E则是用于P C机的 S P I C E版本 自6 0版本之后 P S P I C E引入了图形界 面 进一步方便了用户的使用 为从事电子电路分析 与设计的用户提供了一个完整的计算机辅助设计工 具包 S P I C E软件具有模拟 数字混合仿真 可以利用 文本和原理图两种输入形式进行由数字和模拟元件 构成的混合系统设计 同时提供模拟器件 数字器件 传输线 磁芯模型在内的仿真模型数据库 此外 还可 以从互联网站点上下载新的器件模型 帮助用户有效 地改进设计和降低成本 S P I C E还具有大量的模拟功 能模型和系统分析功能 其中模拟功能模型使用户可 以用类似于传递函数框图的方法对复杂的电路进行 时域或频域分析 而其电路基本分析功能使用户从不 同的角度 如直流 交流和瞬态分析 灵敏度分析 参 数扫描以及优化和波形分析等 对设计电路进行分析 和研究 从而优化设计 但当S P I C E应用电力电子领域时也就显露一些 不足之处 由于它是为信息电子电路设计的 因此器 件的模型均是针对小功率电子器件的 对于模拟电力 电子电路中所用的大功率电力电子器件中存在的高 施文济 教授 项目来源 浙江省教育厅科研基金项目 编号 J K 2 0 0 4 0 7 3 9 运用MA T L A B对线性时不变系统进 行辅助设计 2 6 9 技 术 创 新 中文核心期刊 微计算机信息 测控自动化 2 0 0 6年第2 2卷第2 1期 3 6 0元 年 邮局订阅号 8 2 9 4 6 P L C技术应用2 0 0例 仿 真 技 术 电压 大注入现象不太适用 有时甚至可能会导致错 误的结果 同时在进行电力电子电路仿真时常会产生 不收敛的问题 通常为了改善计算结果的收敛性 需 要修改仿真条件 例如缩小相对精度 R E L T O L 加大 迭代次数 I T L n 这样就大大加长仿真时间 有时甚至 会引起较大的误差 2 MA T L A B S i mu l i n k的特点 M A T L A B作为控制领域中最流行的C A D软件 自从1 9 8 0年被推出以来就一直受到工程技术人员的 重视和广泛应用 该软件除了具有传统的交互式编程 能力外 还具有强有力的矩阵运算 数据处理和图象 处理功能 特别是由M A T L A B推出的S i m u l i n k 它拥 有大量的控制系统工具箱和图形仿真环境 进一步方 便了用户的使用 使M A T L A B得到更广泛的应用 S i m u l i n k是用于M A T L A B下建立系统框图和仿 真的环境 从名字上看 该程序有两层含义 s i m u 表 示仿真 l i n k 表示它能进行系统连接 即把一系列模 块连接起来 构成复杂的系统模型 S i m u l i n k通过提供 一个图形化的用户界面 G U I 由信号源 线性和非线 性器件 连接件和各种工具箱组成的模型库以及用户 自己定制或创建的模型库 解决了建模和分析这个关 键问题 但由于M A T L A B软件不能有效地给三极管 电 感 变压器这样的常用元件建模 所以对电子线路的 仿真还是具有一定的局限性 同时M A T L A B和其他基 于理想开关模型的软件一样 虽然可以容易地以数字 公式来表达控制算法 但很难精确描述开关装置上升 下降的动态过程 即使在M A T L A B S i m u l i n k条件下进 行仿真 其速度很慢 阻碍了M A T L A B的应用 3 S P I C E与MA T L A B之间的连接 M A T L A B从结构上适于对微分方程和传递函数 描述的系统进行仿真 使它特别适合于对控制系统进 行优化设计 但用它来进行电子线路仿真就并非其之 长 S P I C E是目前电子线路最常用的仿真分析软件 但 所仿真的电子线路仅是整个控制系统的一个部分 因 此能将M A T L A B和S P I C E软件互相结合起来 即将 S P I C E所仿真的电子线路转换成M A T L A B S i m u l i n k 中模块 使得在S i m u l i n k下可以直接调用由S P I C E所 仿真设计的电子线路 通过这样的方法来对整个系统 进行仿真 应该说是最好的选择 也就是说 用户在系 统建模时 既可以利用M A T L A B自定义模型和器件 也可以利用任何M A T L A B指令 包括作图指令 和工 具箱 而在分析及优化设计时 再用P S P I C E来进行一 系列的仿真分析 目前能进行S P I C E到M A T L A B S i m u l i n k转换的 有两种方法 3 1通过S L S P动态连接技术进行转换 该方法是通过S L S P S i m u l i n k S p i c e I n t e r f a c e 软 件将S P I C E文件 c i r 通过M A T L A B下的动态连接技 术直接运行 将结果传回到M A T L A B工作空间 S L S P软件可以同时仿真含有S i m u l i n k型子系统 和S P I C E型子系统的综合系统 该接口的软件可以在 网上下载 它是在M A T L A B S i m u l i n k环境下工作 它 是将S P I C E文件 c i r 通过M A T L A B根据S i m u l i n k特 点用CM E XS F u n c t i o n编写新的方框 同样也能用 S P I C E 3 F 5的源码来编写 该接口首先要定义以S i m u l i n k和S P I C E子系统 模块的综合系统 然后选择初始变量以供S i m u l i n k和 S P I C E模拟子系统之间进行数据交换 例如用该接口仿真直流电机速度控制系统 如图 1 整个S i m u l i n k和S P I C E模块系统框图 略可向作者 索取 其中虚线框内的模块是以S P I C E仿真的 S P I C E文件 c i r 如下所示 F i l eg s m c i r 3 c i rf r o m C h a p t e r4 5o f S I M U L I N K S P I C E I n t e r f a c e U s e r s M a n u a l T R A N0 0 0 51 000 0 0 5 T S T E PT S T O PT S T A R TT M A X o n l y T M A Xi m p o r t a n t h e r e s t a t c k c u r r e n t i s r e t u r n e dt o S I M U L I N K V S10S L S P R S125 0 0 L S201 0 r o t o r c u r r e n tI R r e t u r n e dt o S I M U L I N K v o l t a g e a t n o d e 3i s r e t u r n e dt o S I M U L I N K R R 3090 2 0 R R 340 5 L R 450 1 V Is e tf r o m w i t h i nS I M U L I N K V I50S L S P 速度设定 调节器 VDVR 电枢 LSI S VS R