PWM controller's models for investigation ACS in spicefamily ECAD programs

Abstract

EN: Purpose. To improve simulation and design of Automatic Control Systems in the SPICE-compatible programs and to obtain separate economic and universal macromodels of PWM controller. Development of an PWM controller economical macromodel for the study of automatic control systems (ACS) in computer-aided design (ECAD) programs, which does not generate algorithmic failures in comparison with the existing models of PWM. Findings. Analysis of SPICE-family applications’ mathematical basis allowed to classifying existing models of PWM-controllers, defining their suitability for ACS simulation. The criteria for the synthesis of new models have been defined. For the SPICE 3G algorithms, the Switch and Averaged models based on behavioral elements has been developed. Universal and economical PWM controller macromodel based on the simple algorithm for determining the output signal with minimum numbers of input parameters has been designed. For the Automated Measuring magnetic susceptibility System, the macromodel of quasi-PWM signal generator have been designed, which is used in the compensation subsystem. This model is different from the existing ones: it synthesizes the staircase output signal instead the pulse one, thus, there is direct control of the amplitude of the output signal, which is taken averaged. The adequacy of the models is confirmed as comparison of the simulation results during investigations of the model already existing in the SPICE program, as well as the results of experiments with real ACS. The modeling of the PWM controller was carried out on the basis of behavioral elements from the ECAD library, simulation (solution of algebra-differential equations systems with programming elements) is based on SPICE algorithms. The object of the study was the simulation process of ACS with the pulse-width principle of adjusting the output value. The subject of the research are the models of PWM controllers. Originality. The new macromodel of PWM controller that meets the criteria of adequacy, reliability and economy, synthesized on the basis of a new approach in modeling objects at the macro level in accordance with the theory of automatic control. Macromodels based in capabilities of behavioral modeling in the program of computer-aided design in Electronics (ECAD). As part of the compensation system studying, the new controller model has been developed, that turns pulse-width modulated signal into amplitude-modulated signal by a certain algorithm. This approach (obtaining a quasi-PWM signal) made it possible to significantly simplify the control unit model, and the model of ACS at whole. Practical value. PWM macromodels expands the mathematical support of ECAD, reduces the probability of the appearance of algorithmic failures and accelerates the modeling of ACS in ECAD. Approach, which used during its synthesis, allows us to build similar models for other software (CAS, CAE). UK: Мета. Покращити моделювання та проектування систем автоматичного управління (САУ) в програмах, сумісних з SPICE, та отримати окремі економічні та універсальні макромоделі ШІМ-контролера. Розробити економічну макромодель ШІМ-контролера,що не генерує алгоритмічні збої для задач вивчення систем автоматичного управління в програмах автоматизованого проектування (ECAD). Методи дослідження. Моделювання контролера ШІМ здійснювалось на основі поведінкових елементів з бібліотеки ECAD, моделювання (розв’язання систем алгебро-диференціальних рівнянь з елементами програмування) базується на алгоритмах SPICE. Об'єктом дослідження був процес моделювання САУ з принципом широтно-імпульсного регулювання вихідного значення. Предметом дослідження є моделі контролерів ШІМ. Отримані результати. Аналіз математичної забезпечення SPICE-сумісних програм ECAD та інших математичних процесорів дозволив класифікувати існуючі моделі ШІМ-контролерів, визначивши їхню придатність для симуляції САУ. Визначені критерії синтезу нових моделей. Для алгоритмів SPICE 3G розроблено ключовута усереднену моделі на основі елементів поведінки. Розроблено універсальну та економічну макромодель контролера ШІМ на основі простих алгоритмів для визначення вихідного сигналу з мінімальним числом вхідних параметрів. Для автоматизованої системи вимірювання магнітної сприйнятливості було розроблено макромодель генератора квазі-ШІМ сигналів, яка використовується для дослідження компенсаційної підсистеми цієї САР. Ця модель відрізняється від існуючих тим, що вона синтезує вихідний сигнал ступінчастої форми, а не імпульсний, таким чином, існує прямий контроль амплітуди вихідного сигналу, який приймається усередненим. Адекватність моделей підтверджується порівнянням результатів моделювання під час досліджень із існуючою в програмі SPICE моделлю та із із результатами експериментів з реальною САУ. Наукова новизна. Нові макромоделі контролера ШІМ, які відповідають критеріям адекватності, надійності та економічності, синтезовані на основі нового підходу в моделюванні об'єктів на макрорівні відповідно до теорії автоматичного управління. Макромоделі синтезовані із використанням можливостей поведінкового моделювання в програмах автоматизованого проектування в електроніці (ECAD). Як частина вивчення системи компенсації, була розроблена нова модель контролера, яка перетворює ШІМ-сигнал в амплітудномодульований сигнал за певним алгоритмом. Такий підхід (отримання квазі-ШІМ) дозволив значно спростити модель як керуючого пристрою, так і модель САУ в цілому. Практична цінність. Макромоделі PWM розширюють математичне забезпечення ECAD, зменшують ймовірність появи алгоритмічних збоїв та прискорюють моделювання САУ в ECAD. Підхід, який використовувався під час їхнього синтезу, дозволяє створювати аналогічні моделі для іншого програмного забезпечення (CAS, CAE).