SimElectronics

Benjamn Luciano Prez MusajaCUI: 20091878

Laboratorio de Control Automtico I Christian Cutipa Gonzales CUI: 20101458

PRESENTACION

El presente informe da a conocer el funcionamiento de la extensin de Matlab, conocida como SIMELECTRONICS de SIMULINK, se darn a conocer conceptos de su funcionamiento y aplicaciones, y se realizara un ejemplo guiado.

INDICE

I. SIMELECTRONICS --------------------------------------------------------------------------3

II. CARACTERSTICAS PRINCIPALES --------------------------------------------------------3

III. MODELADO DE SISTEMAS MECATRNICOS ------------------------------------------4

IV. MODELADO DE SISTEMAS ELECTRNICOS --------------------------------------------5

V. CREACIN DE COMPONENTES PERSONALIZADOS ------------------------------------6

VI. MODELOS DE SIMULACIN -----------------------------------------------------------------7

VII. ANLISIS DE SISTEMAS -----------------------------------------------------------------------8

VIII. EJEMPLO: GENERADOR DE ONDA TRIANGULAR ---------------------------------------9

i. Panormica de onda triangular Generador Ejemplo --------------------------------9ii. Bloques de Seleccin para representar los componentes del sistema ----------9iii. Construyendo el Modelo ------------------------------------------------------------------11iv. Especificacin de los parmetros del modelo ----------------------------------------12v. Configuracin de Solver Parameters ---------------------------------------------------18vi. Ejecucin de la simulacin y analizar los resultados --------------------------------18

IX. BIBLIOGRAFA ----------------------------------------------------------------------------19

I. SIMELECTRONICSSimElectronics proporciona bibliotecas de componentes para el modelado y simulacin de sistemas electrnicos y mecatrnicos. Las bibliotecas incluyen modelos de semiconductores, motores, accionamientos, sensores y actuadores. Puede utilizar estos componentes para desarrollar sistemas de accionamiento electromecnico y construir modelos de comportamiento para la evaluacin de arquitecturas de circuitos analgicos en Simulink .SimElectronics modelos pueden ser utilizados para desarrollar algoritmos de control en los sistemas electrnicos y mecatrnicos, incluyendo la electrnica de carrocera de vehculo, aviones, servomecanismos y amplificadores de potencia de audio. Los modelos de semiconductores incluyen los efectos de temperatura no lineal y dinmico, lo que permite seleccionar los componentes de amplificadores, convertidores analgico-digitales, bucles de enganche de fase, y otros circuitos. Se puede parametrizar el modelo utilizando MATLAB variables y expresiones. Puede agregar hidrulicos, neumticos y otros componentes mecnicos, a un modelo utilizando Simscape y probarlos en un ambiente de simulacin nica. Para implementar modelos para otros entornos de simulacin, incluyendo-in-the-loop (HIL sistemas de hardware), SimElectronics admite la generacin de cdigo C.II. CARACTERSTICAS PRINCIPALESBibliotecas de componentes electrnicos y electromecnicos con conexiones fsicas, incluyendo sensores, semiconductores, y actuadoresOpciones de parametrizacin, permitiendo valores de los parmetros clave que se introducen directamente en las hojas de datos de la industriaModelos de semiconductores y el motor con un comportamiento dependiente de la temperatura y los puertos termales configurablesVariantes de modelos ideales y no ideales, que permite el ajuste del modelo de fidelidadPosibilidad de ampliar bibliotecas de componentes utilizando el lenguaje Simscape Acceso a la linealizacin y capacidades de clculo de estado estacionario en SimscapeEl apoyo para la generacin de cdigo CSimElectronics se utiliza para optimizar el rendimiento a nivel de sistema y la creacin de modelos de planta para el diseo de control. Los modelos se crean apoyar su proceso de desarrollo completo, incluyendo simulaciones de hardware-in-the-loop.Sistema electromecnico que contiene un motor de corriente continua, engranaje de gusano, sensor de efecto Hall, control de velocidad, y un motor servo-amplificador (parte superior), el modelo SimElectronics asociado (izquierda), y una parte del modelo de control de velocidad (abajo). Los bloques de color en el modelo corresponden a los componentes en el sistema electromecnico.

III. MODELADO DE SISTEMAS MECATRNICOSSimElectronics proporciona bibliotecas de motores, actuadores, controladores y componentes del sensor. Puede conectar los componentes, tales como puentes de H, servomotores y los potencimetros, los sistemas mecatrnicos modelo. Los modelos creados se pueden agrupar en subsistemas, que le permite crear bibliotecas de componentes mecatrnicos, como los que se utilizan en robtica, aviones, actuacin y sistemas de vehculos activos. La conexin de estos sistemas con sistemas de control modelados en Simulink le permite probar los sistemas mecatrnicos integrados en un nico entorno.SimElectronics bibliotecas de actuadores, controladores y sensores para los sistemas mecatrnicos modelado.

Adems de las conexiones de flujo de entrada-salida o seal tradicionales utilizadas en Simulink, SimElectronics utiliza conexiones fsicas que permiten el flujo de potencia en cualquier direccin. Modelos de sistemas mecatrnicos construyen utilizando conexiones fsicas (o modelos causales) se asemejan mucho al sistema fsico que representan, y son ms fciles de entender y compartir.Muchos de los modelos de componentes en SimElectronics permiten ajustar el nivel de fidelidad. Puede incluir o ignorar ciertos efectos, como el comportamiento dependiente de la temperatura. Para los sistemas que utilizan la modulacin por ancho de pulso (PWM) , usted tiene la opcin de fijar el modo de simulacin para un promedio para la simulacin ms rpido o PWM para ver los efectos del cambio en el sistema.Modelo SimElectronics (arriba a la izquierda) de un motor de corriente continua controlado. Cambiar el modo de simulacin en el cuadro de dilogo Parmetros (derecha) saldos de la compensacin de la velocidad de la simulacin y el modelo de fidelidad, como se ve en los grficos que muestran los resultados de las simulaciones que utilizan el modo promediados (abajo a la izquierda) y el modo PWM (abajo a la derecha).

Para ayudarle a especificar valores de parmetros realistas, se proporcionan varios mtodos de parametrizacin para muchos componentes. Usted puede leer valores de los parmetros directamente de las hojas de datos o asignar los parmetros del circuito equivalente.IV. MODELADO DE SISTEMAS ELECTRNICOSSimElectronics proporciona bibliotecas de los semiconductores, circuitos integrados (modelos de comportamiento), y los dispositivos pasivos. Puede conectar transistores, diodos, amplificadores y otros componentes para modelar sistemas electrnicos. Los modelos creados se pueden agrupar en subsistemas, lo que le permite construir bibliotecas reutilizables de componentes del circuito. La conexin de estos sistemas electrnicos con sistemas de control modelados en Simulink permite combinar control digital con los modelos de comportamiento de los circuitos analgicos.Adems de las conexiones de flujo de entrada-salida o seal tradicionales utilizados en Simulink , los modelos de componentes electrnicos en SimElectronics utilizan conexiones fsicas que permiten el flujo de potencia en cualquier direccin. Modelos de sistemas electrnicos construidos con conexiones fsicas se parecen mucho a los circuitos electrnicos que representan y son ms fciles de entender y compartir.Los modelos de transistores en SimElectronics incluyen no linealidades y la dinmica de alta frecuencia para ayudar a capturar estos efectos en la simulacin. Muchos componentes de SimElectronics permiten especificar el comportamiento dependiente de la temperatura y configurar una conexin trmica para modelar la transferencia de calor dentro de su sistema.Para ayudarle a especificar valores de parmetros realistas, se proporcionan varios mtodos de parametrizacin para muchos componentes. Usted puede leer valores de los parmetros directamente de las hojas de datos o asignar los parmetros de la ecuacin.SimElectronics bibliotecas de semiconductores y circuitos integrados para el modelado de sistemas electrnicos.

V. CREACIN DE COMPONENTES PERSONALIZADOSPuede agregar componentes de otros modelos fsicos productos a su modelo SimElectronics. La biblioteca de la fundacin en Simscape contiene bloques en dominios fsicos hidrulicos, trmicos, magnticos y otros. La integracin de estos dominios en el modelo SimElectronics utilizar conexiones fsicas ayuda a modelar otros aspectos de su sistema en un solo entorno.Simscape es un lenguaje orientado a objetos basado en MATLAB que le permite crear sus propios componentes de modelado fsico y bibliotecas. Se pueden definir los componentes personalizados completo con la parametrizacin, conexiones fsicas, y las ecuaciones representadas como ecuaciones algebraicas diferenciales implcitos causales (DAE). Dentro de archivo de idioma Simscape de su componente, puede utilizar MATLAB para analizar los valores de los parmetros, realizar clculos preliminares, e inicializar variables del sistema. El Simulink bloque y la caja de dilogo para el componente personalizado se crean automticamente a partir del archivo.Usando el lenguaje Simscape, puede controlar exactamente qu efectos se reflejan en los modelos de sus componentes fsicos. Este enfoque le permite equilibrar el equilibrio entre la fidelidad del modelo y la velocidad de simulacin.Usando el lenguaje Simscape para crear un modelo personalizado de un ultracondensador con prdidas. La ecuacin que se muestra (inferior izquierda) se lleva a cabo en el idioma Simscape (arriba a la izquierda), y el bloque de Simulink (arriba a la derecha) y el cuadro de dilogo (abajo a la derecha) se crean automticamente a partir del archivo Simscape.

VI. MODELOS DE SIMULACINPuede llevar a cabo la simulacin transitoria de modelos SimElectronics. Las simulaciones se pueden ejecutar en el escritorio (paso variable) o en un entorno de tiempo real (paso fijo). Cada aspecto de la simulacin se puede automatizar mediante scripts de MATLAB , incluyendo la configuracin del modelo de introducir los valores de la simulacin y la ejecucin de los lotes de simulaciones. La capacidad de resolver el estado de equilibrio se puede utilizar para reducir el tiempo de simulacin mediante la eliminacin de los transitorios no deseados de forma automtica en el inicio de la simulacin.Algoritmos de optimizacin permiten ajustar automticamente los parmetros de simulacin. Este enfoque le permite, por ejemplo, para encontrar los diseos que minimizan el consumo de energa o el par del actuador requerido. Para acelerar las tareas de optimizacin y otros estudios de diseo que requieren muchas simulaciones, puede utilizar Parallel Computing Herramientas para distribuir sus simulaciones SimElectronics en varios ncleos o un grupo de equipos.

VII. ANLISIS DE SISTEMASTodos los datos de simulacin de su modelo SimElectronics se pueden guardar automticamente en el MATLAB espacio de trabajo. Usando MATLAB, puede analizar, trazar, animar, y guardar los resultados de la simulacin en muchos formatos de archivo diferentes. Puede realizar tareas como el anlisis de la respuesta de frecuencia del circuito, la comparacin de la simulacin se ejecuta para mejorar el algoritmo de control, y verificar el calendario de eventos durante la simulacin de conmutacin. Con Simulink Report Generator , los resultados de las simulaciones SimElectronics se pueden guardar automticamente en un informe, junto con las imgenes del modelo, parcelas, y otra informacin.Para analizar el comportamiento de dominio de la frecuencia de su sistema, puede generar un modelo lineal de tiempo continuo o en tiempo discreto de su modelo SimElectronics no lineal. El modelo lineal se puede utilizar para estudiar la dinmica del sistema y para apoyar el diseo del controlador mediante la aplicacin de la teora de control lineal.

Amplificador de audio basado en un JFET de canal N (derecha). La curva de respuesta de frecuencia (a la izquierda) se gener por linealizar el modelo SimElectronics.

VIII. EJEMPLO: GENERADOR DE ONDA TRIANGULAR

i. Panormica de onda triangular Generador EjemploEn este ejemplo, se modelara un generador de onda triangular con SimElectronics,bloques elctricos y bloques elctricos SimElectronics personalizados, y luego ver la tensin en la salida del generador de onda.Se utiliza una configuracin de circuito clsico que consiste en un integrador y un amplificador no inversor para generar la onda triangular, y el uso de hojas de datos (datasheets) para especificar los parmetros de bloque.

ii. Bloques de Seleccin para representar los componentes del sistemaEn primer lugar, se seleccionan los bloques para representar la seal de entrada, el generador de onda triangular y la visualizacin de la seal de salida.Su modelo del generador de onda triangular con un conjunto de bloques fsicos entre corchetes por un bloque Convertidor de Simulink-PS y un bloque de convertidor de PS-Simulink. El generador de onda consiste en: Dos bloques de amplificador operacional Las resistencias y un condensador que funcionan con los amplificadores operacionales para crear el amplificador integrador y no inversora Bloques Simulink-PS Converter y PS-Simulink Converteres. La funcin de los bloques Simulink-PS Converter y PS-Simulink Converter es de un puente de las partes fsicas del modelo, que usan seales fsicas, y el resto del modelo, que utiliza seales sin unidades de Simulink.Usted tiene una hoja de datos del fabricante para los dos amplificadores operacionales que desea modelar. Ms tarde, en el ejemplo, se utiliza la hoja de datos para parametrizar el bloque Band-Limited Op-Amp de SimElectronics.En la siguiente tabla se describe la funcin de los bloques que representan los componentes del sistema.

BLOQUESDESCRIPCIN

Sine WaveGenera una seal sinusoidal que controla la resistencia de la resistencia variable de bloque.

Simulink-PS ConverterConvierte la seal de Simulink sinusoidal en una seal fsica.

Solver ConfigurationDefine las configuraciones a resolver que se aplican a todos los bloques de modelado fsico.

Electrical ReferenceProporciona la conexin elctrica a tierra.

CapacitorFunciona con un bloque amplificador operacional y la resistencia para crear el integrador.

ResistorFunciona con el amplificador operacional y el condensador para crear el amplificador integrador y no inversor.

Variable ResistorProporciona una resistencia variable en el tiempo que se ajusta la ganancia del integrador, que a su vez vara la frecuencia y la amplitud de la onda triangular generada.

DC Voltage SourceGenera una seal de referencia de CC para el bloque amplificador operacional del amplificador no inversor.

Voltage SensorConvierte la tensin elctrica en la salida del integrador en una seal fsica proporcional a la corriente.

PS-Simulink ConverterConvierte la seal fsica de salida a una seal de Simulink.

ScopeMuestra la salida de onda triangular.

Band-Limited Op-AmpFunciona con el condensador y la resistencia para crear un integrador y un amplificador no inversor.

DiodeLimitar la salida del bloque del Op-Amp de banda limitada, para hacer que la forma de onda de salida sea independiente de la tensin de alimentacin.

iii. Construyendo el ModeloCrear un modelo de Simulink, aadir bloques con el modelo, y conectar los bloques.1. Crear un nuevo modelo.2. Aadir a la modelo de los bloques indicados en la tabla siguiente. La columna Ruta de biblioteca de la tabla especifica la va jerrquica para cada bloque.BLOQUERUTA DE BIBLIOTECACANTIDAD

Sine WaveSimulink>Sources1

Simulink-PS ConverterSimscape>Utilities1

Solver ConfigurationSimscape>Utilities1

Electrical ReferenceSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Elements1

CapacitorSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Elements1

ResistorSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Elements3

Variable ResistorSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Elements1

DC Voltage SourceSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Sources1

Voltage SensorSimscape>Foundation Library>Electrical>Electrical Sensors1

PS-Simulink ConverterSimscape>Utilities1

ScopeSimulink>Commonly Used Blocks1

Band-Limited Op-AmpSimscape>SimElectronics> Integrated Circuits2

DiodeSimscape>SimElectronics> Semiconductor Devices2

3. Conectar los bloques, como se muestra en la siguiente figura.

Con el diagrama armado y se puede proceder a la especificacin de los parmetros de los bloques del modelo

iv. Especificacin de los parmetros del modeloEspecificar los siguientes parmetros para representar el comportamiento de los componentes del sistema: Modelo Parmetros de instalacinLos siguientes bloques especifican la informacin del modelo que no es especfico para un determinado bloque:

Solver Configuration Electrical Reference

Al igual que con los modelos Simscape, debe incluir un bloque de Solver Configuration en cada red fsica topolgicamente distintas. Este ejemplo tiene una nica red fsica, a fin de utilizar un bloque de Solver Configuration con los valores de los parmetros por defecto.

Debe incluir un bloque de Electrical Reference en cada red SimElectronics. Este bloque no tiene ningn parmetro, representa una puesta a tierra.

Parmetros de la seal de entradaGenerar la seal de control sinusoidal utilizando el bloque Sine Wave.Establezca los parmetros del bloque Sine Wave de la siguiente manera:

Amplitude = 0.5e4 Bias = 1e4 Frequency = pi/5e-4

Parmetros del generador Triangle Wave.Configure los bloques que modelan el sistema fsico que genera la onda triangular:

Bloques: Integrator Band-Limited Op-Amp, Capacitor, y Resistor. Bloques: Noninverting amplifier Band-Limited Op-Amp1, Resistor2, y Variable Resistor. Bloque Resistor1 Bloques: Diode and Diode1 Los bloques Simulink-PS Converter y PS-Simulink Converter que unen la parte fsica del modelo y la parte del modelo de Simulink.

1. Acepte los parmetros por defecto para el bloque Simulink-PS Converter. Estos parmetros establecen las unidades de la seal fsica en la salida del bloque de tal manera que coincidan las unidades por defecto que se esperan de la entrada del bloque Variable Resistor.2. Ajuste los dos bloques Band-Limited Op-Amp para los parmetros del dispositivo LM7301 con una fuente de alimentacin de +/-20V: El datasheet da la ganancia como 97dB, que es equivalente a 10 ^ (97/20) = 7.080e4. Ajuste el parmetro de ganancia a 7E4; Gain, A a 7e4 . El datasheet da resistencia de entrada como 39Mohms. Establecer Input resistance, Rin a 39e6 . Poner Output resistance, Rout a 0 ohmios. El datasheet no cita un valor para Rout, pero el trmino es insignificante en comparacin con la resistencia de salida que conduce. Ajuste los voltajes de salida mnima y mxima de -20 y +20 voltios, respectivamente. El datatsheet da la mxima velocidad como 1.25V/s. Ajuste el parmetro Maximum slew rate, Vdot a 1.25e6 V/s.

3. Ajuste los dos parmetros de los bloques de diodos para un diodo Zener 4.3V. Para modelar un BZX384-B4V3, establezca los parmetros del bloque de la siguiente manera: En la ficha Principal, ajuste Diode model a Piecewise Linear Zener. Esto selecciona un modelo de diodo zener simplificado, que es ms que adecuado para probar el funcionamiento correcto de este circuito. Deje Forward voltage (tensin directa) como 0,6 V; este es un valor tpico para la mayora de los diodos. El datatsheet da la corriente directa como 250 mA cuando la tensin directa es 1V. Para que el bloque de diodos coincide ello, establezca On resistance (resistencia) en (1 V - 0,6 V) / 250mA = 1.6 ohms. El datatsheet da 3A de corriente de fuga y un voltaje reverso de 1V. Por lo tanto, establecer el Off conductance a 3A/1V = 3e-6 S. El datatsheet da la tensin inversa que 4.3V. En la ficha Reverse Breakdown (Distribucin Inversa), ajuste Reverse breakdown voltage Vz (tensin de ruptura inversa) a 4,3 V. Ajuste la resistencia Rz Zener (Zener resistance Rz) a un nmero pequeo adecuadamente. El datatsheet cita a la tensin zener para una corriente inversa de 5 mA. Para el bloque de diodo que sea representativo del dispositivo real, la tensin inversa simulada debe estar cerca de 4,3 V a 5 mA. Como Rz tiende a cero, la tensin de ruptura inversa tender a Vz independientemente de la corriente, como el gradiente de voltaje-corriente se hace infinita. Sin embargo, para las buenas propiedades numricas, Rz no debe hacerse demasiado pequeo. Si, por ejemplo, se permite un error de 0,01 V de la tensin zener a 5 mA, entonces Rz ser 0.01V/5mA = 2 ohms. Ajuste el parmetro Zener resistance Rz a este valor.

4. El bloque de sensor de voltaje (Voltage Sensor) no tiene ningn parmetro.5. Acepte los parmetros por defecto para el bloque Variable Resistor (resistencia variable). Estos parmetros establecen las unidades de la seal fsica en la salida del bloque de tal manera que coincidan las unidades por defecto se esperan de la entrada del bloque de resistencia variable.6. Establezca los parmetros del bloque Capacitor de la siguiente manera: Capacitance = 2.5e-9 Initial voltage = 0.08Este valor se inicia la oscilacin en el circuito de retroalimentacin. Series resistance = 0

7. Establezca los parmetros del bloque DC Voltage Source (fuente de corriente continua) de la siguiente manera: Constant voltage = 0

8. Establezca los parmetros del bloque Resistor (resistencia) de la siguiente manera: Resistance = 10000

9. Establezca los parmetros de los bloques Resistor1 de la siguiente manera: Resistance = 100010. Establezca los parmetros de los bloques Resistor2 de la siguiente manera: Resistance = 1000011. Acepte los parmetros por defecto para el bloque Converter PS-Simulink. Estos parmetros establecen las unidades de la seal fsica en la salida del bloque de tal manera que coincidan las unidades por defecto esperados de la entrada del bloque Scope.

Parmetros de visualizacin de sealEspecifique los parmetros del bloque Scope para mostrar la seal de salida triangular.

Haga doble clic en el bloque Scope y luego haga doble clic en el botn Parameters para abrir el cuadro de dilogo Parmetros Scope. En la pestaa History, desactive la casilla Limit data points to last.

v. Configuracin de Solver ParametersConfigure los parmetros de Solver utilizar un solucionador de tiempo continuo, porque los modelos SimElectronics slo se ejecutan con un solucionador de tiempo continuo. Tambin cambia la hora de finalizacin de simulacin, apriete de la tolerancia relativa para una simulacin ms precisa, y eliminar el lmite en el nmero de puntos de datos de simulacin Simulink.1. En la ventana model, seleccione Simulation > Model Configuration Parameters para abrir el cuadro de dilogo de Parmetros de configuracin.2. En el Solver categora en la pestaa Select en la parte izquierda del cuadro de dilogo: Introduzca 2000e-6 para el valor del parmetro Stop time (tiempo de parada). Seleccione ode23t (Mod. stiff/Trapezoidal) de la lista Solver. Introduzca 4e-5 para el valor de parmetro Max step size (tamao de paso mximo). Introduzca 1e-6 para el valor del parmetro Relative tolerance (tolerancia relativa).3. En la categora Data Import/Export,en la pestaa Select: Borrar la casilla de verificacin de Limit data points to last.4. Haga clic en Ok.

vi. Ejecucin de la simulacin y analizar los resultadosEjecutar la simulacin y graficar los resultados.En la ventana de modelo, seleccione Simulation > Run para ejecutar la simulacin.Para ver la onda triangular en la ventana Scope, haga doble clic en el bloque Scope. Usted puede hacer esto antes o despus de ejecutar la simulacin.El siguiente grfico muestra la forma de onda de tensin. Como la resistencia del bloque de resistencia variable aumenta, la amplitud de la forma de onda de salida aumenta y la frecuencia decrece.Tringulo de forma de onda de voltaje:

IX. BIBLIOGRAFA:

http://www.rpi.edu/dept/chem-ng/WWW/faculty/bequette/lou/simtut/simtut_html.html http://www.mathworks.com/help/physmod/elec/ug/example--modeling-a-triangle-wave-generator.html http://www.eng.newcastle.edu.au/~jhb519/teaching/caut1/Apuntes/matlab1.pdf http://www.mathworks.com/products/simelectronics/ http://es.wikipedia.org/wiki/Simulink http://www.slideshare.net/cosococo/manual-simulink#btnNext http://www.mathworks.com/products/simelectronics/description1.html http://prism2.mem.drexel.edu/~rares/LaunchSimulink.htm

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