機電仿真軟件和電路設計分析的作用

2020-07-14

機電系統采用多種軟件來(lái)成功設計，包括機電仿真軟件。您的機電仿真軟件和機械建模工具可確保您的系統在機械方面達到預期的性能，但是在創(chuàng )建機械仿真和機電仿真之前，它們無(wú)法解決電路的特定功能。

電氣設計和分析工具對于設計電動(dòng)機控制電路和功率傳輸系統非常重要，這樣可以確保機械系統可以按預期運行。真正的機電仿真軟件將使用系統的3D模型進(jìn)行分析，但這需要首先創(chuàng )建原理圖和PCB布局。如果您可以在開(kāi)始機械設計和機電仿真之前完成電路設計和PCB布局，則可以創(chuàng )建一個(gè)滿(mǎn)足電氣和機械要求的系統。

機電系統設計過(guò)程需要電氣設計師和機械設計師之間的緊密合作。機械設計師的工作可能很困難，因為他們必須考慮諸如外殼設計，外殼或包裝的運動(dòng)范圍以及傳遞給系統中電動(dòng)機的功率之類(lèi)的事情。機械設計的這些方面，尤其是傳遞給電動(dòng)機的功率和運動(dòng)范圍，只有在設計了功率和電動(dòng)機控制電路之后才能適當考慮。

必須模擬的兩個(gè)關(guān)鍵電路是您的電源傳輸/管理和電機控制系統。這些電路需要以最小的損耗（即，盡可能高的效率）向機械組件提供所需的功率。這些系統都不是100％高效的，但是使用正確的電路設計和分析工具可以使您盡可能地接近。 

您的功率傳輸系統通常需要容納來(lái)自未穩壓直流電源或交流電源的輸入功率。無(wú)論哪種情況，您都需要設計一個(gè)功率調節級，以便為板上的下游電動(dòng)機供電。由于電動(dòng)機有AC和DC兩種，因此最好將電動(dòng)機類(lèi)型與輸入功率類(lèi)型匹配。功率調節和傳輸策略需要與所使用的電源匹配。

對于將使用交流電源運行但需要直流電動(dòng)機或步進(jìn)電動(dòng)機的更復雜的系統，您可能需要具有開(kāi)關(guān)調節器的功率因數校正（PFC）電路，以確保向機電系統提供穩定的電流和高效的功率傳輸系統。為了從單相電源轉換為脈動(dòng)DC，可以使用帶有輸出電容器的標準整流器電路。要將三相電源轉換為直流電源，請使用以下電路。

用于A(yíng)C-DC轉換的三相整流電路

在仿真軟件中，您可以將三相交流輸入電源建模為一組三個(gè)交流電源，每個(gè)交流電源的相位偏移為120°。只需使用二極管模型掃描源幅度，即可檢查所產(chǎn)生紋波的幅度并計算功率因數。IEC 61000-3是三相交流電源轉換系統上非常嚴格的歐洲標準，該標準將輸入電流的總諧波失真（THD）限制在每相16至75 A RMS輸入電流時(shí)不超過(guò)48％。功率較低的設備（每相輸入電流最高為16 A RMS）被限制為不超過(guò)THD的33.8％。

系統的功率因數和總諧波失真（THD）相關(guān)，太高的總諧波失真（THD）過(guò)高會(huì )導致您的機電系統在總諧波失真（THD）高時(shí)浪費功率。但是，直流電源轉換中需要總線(xiàn)電容器來(lái)提供低通濾波和更穩定的輸入直流電源。

在仿真中，您需要嘗試使用不同的電容器，以查看哪些值（包括其ESL和ESR值）將為您的機電組件提供最高的功率因數轉換。這可以通過(guò)參數掃描來(lái)完成，同時(shí)掃描電容器值并計算總輸出功率效率。

電機控制

術(shù)語(yǔ)“電動(dòng)機控制”涵蓋正在運行的電動(dòng)機上的速度和轉矩控制。這通過(guò)調節驅動(dòng)信號中的參數之一來(lái)提供。對于實(shí)際的交流驅動(dòng)電路，交流電動(dòng)機的典型電動(dòng)機控制方法是使用帶雙向可控硅和三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的電位計來(lái)調節傳遞給電動(dòng)機的功率。 

下面顯示了一個(gè)單相電源示例。在這種簡(jiǎn)單策略中，您可以將電位計模擬為固定電阻，并在模擬掃頻時(shí)將其值簡(jiǎn)單地更改為參數，同時(shí)模擬傳遞給電動(dòng)機的功率（下面的M1）。

單相交流電動(dòng)機的速度控制電路。三相電動(dòng)機可以構建類(lèi)似的電路

交流電動(dòng)機控制的最常用方法是調整驅動(dòng)信號的頻率。在構建變頻驅動(dòng)電路時(shí)，對于單相或三相輸入功率，您需要根據電源電壓/電流模擬輸出功率。對于直流控制，確切的方法取決于所用電動(dòng)機的類(lèi)型。下表總結了用于控制直流電動(dòng)機速度以及轉矩的不同方法。

請注意，有刷和無(wú)刷電機也可以使用PWM信號，其中電機接收的平均電壓等于占空比乘以線(xiàn)路電壓。這樣，可以通過(guò)可編程的PWM發(fā)生器（例如在MCU中）以電子方式控制電動(dòng)機。