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간단한 회로를 빌드하고 시뮬레이션하기

이 예제에서는 Simscape™ Electrical™ 블록과 사용자 지정 Simscape Electrical 블록을 사용하여 삼각파 생성기를 모델링한 다음 파형 생성기 출력에서 전압을 살펴봅니다.

적분기와 비반전 증폭기로 구성된 전형적인 회로 구성을 사용하여 삼각파를 생성하고, 데이터시트를 사용하여 블록 파라미터를 지정합니다. 자세한 내용은 Parameterizing Blocks from Datasheets 항목을 참조하십시오.

완성된 모델을 보려면 삼각파 생성기 예제를 여십시오.

시스템 컴포넌트를 나타낼 블록 선택하기

먼저, 입력 신호, 삼각파 생성기, 출력 신호 표시를 나타내기 위한 블록을 선택합니다.

물리 블록 세트로 삼각파 생성기를 모델링합니다. 파형 생성기는 다음으로 구성됩니다.

  • 2개의 Operational Amplifier 블록

  • 적분기와 비반전 증폭기를 만들기 위해 연산 증폭기와 함께 작동하는 저항기 및 커패시터

  • 물리 신호를 사용하는 모델의 물리적 부분과 Simulink® 신호를 사용하는 모델의 나머지 부분을 연계하는 기능을 하는 Simulink-PS Converter 블록 및 PS-Simulink Converter 블록

모델링할 2개의 연산 증폭기를 위한 제조업체 데이터시트가 마련되어 있습니다. 이 예제의 뒷부분에서 이 데이터시트를 사용하여 Simscape Electrical Band-Limited Op-Amp 블록을 파라미터화합니다.

다음 표에는 시스템 컴포넌트를 나타내는 블록의 역할이 설명되어 있습니다.

블록

설명

Sine Wave

Variable Resistor 블록의 저항을 제어하는 정현파 신호 생성

Scope

삼각 출력파 표시

Simulink-PS Converter정현파 Simulink 신호를 물리 신호로 변환
Solver Configuration

모든 물리 모델링 블록에 적용되는 솔버 설정 정의

PS-Simulink Converter출력 물리 신호를 Simulink 신호로 변환
Capacitor적분기를 만들기 위해 Operational Amplifier 블록 및 Resistor 블록과 함께 작동
Resistor적분기와 비반전 증폭기를 만들기 위해 Operational Amplifier 블록 및 Capacitor 블록과 함께 작동
Variable Resistor적분기의 이득을 조정하는 시변 저항 제공(이에 따라, 생성되는 삼각파의 주파수와 진폭이 변함)
DC Voltage Source

비반전 증폭기의 Operational Amplifier 블록에 대한 DC 기준 신호 생성

Voltage Sensor

적분기의 출력에서의 전압을 전류에 비례하는 물리 신호로 변환

Electrical Reference

전기 접지 제공

Band-Limited Op-Amp적분기와 비반전 증폭기를 만들기 위해 커패시터 및 저항기와 함께 작동
Diode공급 전압에 독립적인 출력 파형을 만들기 위해 Band-Limited Op-Amp 블록의 출력 제한

모델 빌드하기

Simulink 모델을 만들고 모델에 블록을 추가하고 블록을 연결합니다.

  1. 새 모델을 만듭니다.

  2. 다음 표에 나열된 블록을 모델에 추가합니다. 표에서 라이브러리 경로 열에는 각 블록의 계층적 경로가 명시되어 있습니다.

    블록

    라이브러리 경로

    수량

    Sine WaveSimulink > Sources

    1

    ScopeSimulink > Commonly Used Blocks

    1

    Simulink-PS ConverterSimscape > Utilities

    1

    Solver ConfigurationSimscape > Utilities

    1

    PS-Simulink Converter Simscape > Utilities

    1

    CapacitorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    1

    ResistorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    3

    Variable ResistorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    1

    Electrical ReferenceSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    2

    DC Voltage SourceSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sources

    1

    Voltage SensorSimscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sensors

    1

    Band-Limited Op-Amp

    Simscape > Electrical > Integrated Circuits

    2

    Diode

    Simscape > Electrical > Semiconductor & Converters

    2

    참고

    도메인 유형이 electrical인 Simscape 함수 ssc_new를 사용하여 다음 블록을 포함하는 Simscape 모델을 만들 수 있습니다.

    • Simulink-PS Converter

    • PS-Simulink Converter

    • Scope

    • Solver Configuration

    • Electrical Reference

  3. 다이어그램에 나와 있는 것처럼 블록의 이름을 바꾸고 블록을 연결합니다. 삼각파 생성기 회로의 블록은 두 단계로 구성됩니다. Comparator Stage에는 Band-Limited Op-Amp 블록과 2개의 Resistor 블록으로 빌드한 비교기가 포함됩니다. Integrator Stage에는 또 다른 Band-Limited Op-Amp 블록, Resistor 블록, Capacitor 블록, Electrical Reference 블록으로 빌드한 적분기가 포함됩니다.

모델 파라미터 지정하기

시스템 컴포넌트의 동작을 나타내기 위해 다음과 같은 파라미터를 지정합니다.

모델 설정 파라미터

다음 블록은 특정 블록에 국한되지 않는 모델 정보를 지정합니다.

  • Solver Configuration

  • Electrical Reference

Simscape 모델이 늘 그렇듯이, 토폴로지가 서로 다른 각각의 물리 네트워크에 Solver Configuration 블록이 하나씩 포함되어야 합니다. 이 예제의 경우에는 물리 네트워크가 하나 있으므로 디폴트 파라미터 값을 갖는 Solver Configuration 블록을 하나 사용합니다.

각각의 Simscape Electrical 네트워크마다 Electrical Reference 블록이 하나씩 포함되어야 합니다. 이 블록에는 파라미터가 없습니다.

입력 신호 파라미터

Sine Wave 블록을 사용하여 정현파 제어 신호를 생성합니다.

다음과 같이 Sine Wave 블록 파라미터를 설정합니다.

  • 진폭 — 0.5e4

  • 바이어스 — 1e4

  • 주파수 — pi/5e-4

삼각파 생성기 파라미터

삼각파를 생성하는 물리 시스템을 모델링하는 블록을 구성합니다.

  • Integrator Stage — Band-Limited Op-Amp 블록, Capacitor 블록, Resistor 블록 R3

  • Comparator Stage — Band-Limited Op-Amp1 블록, Resistor 블록 R1 및 R2

  • Variable Resistor

  • Diode 및 Diode1

  • 모델의 물리적 부분과 모델의 Simulink 부분을 연계하는 Simulink-PS Converter 블록과 PS-Simulink Converter 블록

  1. Simulink-PS Converter 블록에 디폴트 파라미터를 적용합니다. 이러한 파라미터는 Variable Resistor 블록 입력에서 필요한 디폴트 단위와 일치하도록 블록 출력의 물리 신호 단위를 설정합니다.

  2. +–20V 전원을 갖는 LM7301 소자에 맞춰 2개의 Band-Limited Op-Amp 블록 파라미터를 설정합니다.

    • 데이터시트에는 이득이 97dB로 나와 있으며, 이는 10 ^ ( 97 / 20 ) = 7.1e4와 같습니다. 이득, A 파라미터를 7.1e4로 설정합니다.

    • 데이터시트에는 입력 저항이 39메가옴으로 나와 있습니다. 입력 저항, Rin을 39e6으로 설정합니다.

    • 출력 저항, Rout을 0옴으로 설정합니다. 데이터시트에는 Rout에 대한 값이 나와 있지 않지만, 해당 항은 Rout이 구동하는 출력 저항기에 비하면 중요하지 않습니다.

    • 최소 출력 전압과 최대 출력 전압을 각각 –20V와 +20V로 설정합니다.

    • 데이터시트에는 최대 슬루 레이트가 1.25V/μs로 나와 있습니다. 최대 슬루 레이트, Vdot 파라미터를 1.25e6V/s로 설정합니다.

    • 대역폭을 4e6으로 설정합니다.

  3. 4.3V 제너 다이오드에 맞춰 2개의 Diode 블록 파라미터를 설정합니다. BZX384-B4V3을 모델링하기 위해 다음과 같이 블록 파라미터를 설정합니다.

    • 메인 탭에서 다이오드 모델을 조각별 선형으로 설정합니다. 이렇게 하면 이 회로의 올바른 동작을 테스트하기에 더욱 적합한 단순화된 제너 다이오드 모델이 선택됩니다.

    • 순방향 전압을 0.6V로 유지합니다. 이는 대부분의 다이오드에서 일반적인 값입니다.

    • 데이터시트에는 순방향 전압이 1V일 때 순방향 전류가 250mA로 나와 있습니다. Diode 블록이 이와 일치하도록, On 저항을 (1V – 0.6V) / 250mA = 1.6옴으로 설정합니다.

    • 데이터시트에는 1V의 역방향 전압에서 역방향 누설 전류가 3μA로 나와 있습니다. 따라서 Off 컨덕턴스를 3μA / 1V = 3e-6S로 설정합니다.

    • 데이터시트에는 역방향 전압이 4.3V로 나와 있습니다. 항복 탭에서 역방향 항복 전압 Vz를 4.3V로 설정합니다.

    • 제너 저항 Rz를 적당히 작은 수로 설정합니다. 데이터시트에는 5mA의 역방향 전류에 대한 제너 전압이 나와 있습니다. Diode 블록이 실제 소자를 나타내도록 하려면, 시뮬레이션된 역방향 전압이 5mA에서 4.3V에 가까워야 합니다. Rz는 0일 때가 많으며, 그럴 경우 전압-전류 기울기가 무한대가 됨에 따라 역방향 항복 전압은 전류에 관계없이 Vz가 됩니다. 하지만 적합한 수치적 속성을 얻으려면 Rz를 너무 작게 만들면 안 됩니다. 만약 5mA에서 제너 전압에 0.01V 오차를 허용할 경우 Rz는 0.01V / 5mA = 2옴입니다. 제너 저항 파라미터를 이 값으로 설정합니다.

  4. Voltage Sensor 블록에는 파라미터가 없습니다.

  5. Variable Resistor 블록에 디폴트 파라미터를 적용합니다. 이러한 파라미터는 Variable Resistor 블록 입력에서 필요한 디폴트 단위와 일치하도록 블록 출력의 물리 신호 단위를 설정합니다.

  6. 다음과 같이 Capacitor 블록 파라미터를 설정합니다.

    • 커패시턴스 — 2.5e-9

    • 커패시터 전압 — 0.08

      이 값은 피드백 루프에서 발진을 일으킵니다. 변수 탭에서 이 항목을 찾을 수 있습니다.

    • 직렬 저항 — 0

  7. DC Voltage Source 블록의 정전압 파라미터를 0으로 설정합니다.

  8. Resistor R3 블록의 저항 파라미터를 10000으로 설정합니다.

  9. Resistor R1 블록의 저항 파라미터를 1000으로 설정합니다.

  10. Resistor R2 블록의 저항 파라미터를 10000으로 설정합니다.

  11. PS-Simulink Converter 블록에 디폴트 파라미터를 적용합니다. 이러한 파라미터는 Scope 블록 입력에서 필요한 디폴트 단위와 일치하도록 블록 출력의 물리 신호 단위를 설정합니다.

신호 표시 파라미터

Scope 블록의 파라미터를 지정하여 삼각 출력 신호를 표시합니다.

Scope 블록을 더블 클릭한 다음 보기 > 구성 속성을 클릭하여 Scope 구성 속성 대화 상자를 엽니다. 기록 탭에서 기록할 마지막 점 개수 체크박스를 선택 해제합니다.

솔버 파라미터 구성하기

연속시간 솔버를 사용하도록 솔버 파라미터를 구성합니다. Simscape Electrical 모델은 Simscape Solver Configuration 블록에서 로컬 솔버 파라미터가 선택 해제되어 있는 경우에만 연속시간 솔버에서 실행됩니다. 또한 시뮬레이션 종료 시간을 변경하고, 더 정확한 시뮬레이션을 위해 상대 허용오차를 좁히고, Simulink가 저장하는 시뮬레이션 데이터 점 개수에 대한 제한을 제거합니다.

  1. 모델 창에서, 모델링 > 모델 설정을 선택하여 구성 파라미터 대화 상자를 엽니다.

  2. 대화 상자 왼쪽에 있는 트리의 솔버 범주에서 다음을 수행합니다.

    • 중지 시간 파라미터 값으로 2000e-6을 입력합니다.

    • 솔버 목록에서 ode23t(수정된 경직성/사다리꼴)을 선택합니다.

    • 최대 스텝 크기 파라미터 값으로 4e-5를 입력합니다.

    • 상대 허용오차 파라미터 값으로 1e-6을 입력합니다.

  3. 선택 트리의 데이터 가져오기/내보내기 범주에서 기록할 마지막 점 개수 체크박스를 선택 해제합니다.

  4. 확인을 클릭합니다.

솔버 파라미터 구성에 대한 자세한 내용은 Simulating an Electronic, Mechatronic, or Electrical Power System 항목을 참조하십시오.

모델 시뮬레이션 및 결과 분석하기

시뮬레이션을 실행하고 결과를 플로팅합니다.

모델 창에서, 시뮬레이션 > 실행을 선택하여 시뮬레이션을 실행합니다.

스코프 창에서 삼각파를 보려면 Scope 블록을 더블 클릭합니다. 시뮬레이션을 실행하기 전에 또는 실행한 후에 이를 수행할 수 있습니다.

다음 플롯은 전압 파형을 보여줍니다. Variable Resistor 블록의 저항이 증가함에 따라 출력 파형의 진폭은 증가하고 주파수는 감소합니다.

삼각파형 전압