机電(diàn)仿真软件和電(diàn)路设计分(fēn)析的作用(yòng)

2020-07-14

机電(diàn)系统采用(yòng)多(duō)种软件来成功设计，包括机電(diàn)仿真软件。您的机電(diàn)仿真软件和机械建模工具可(kě)确保您的系统在机械方面达到预期的性能(néng)，但是在创建机械仿真和机電(diàn)仿真之前，它们无法解决電(diàn)路的特定功能(néng)。

電(diàn)气设计和分(fēn)析工具对于设计電(diàn)动机控制電(diàn)路和功率传输系统非常重要，这样可(kě)以确保机械系统可(kě)以按预期运行。真正的机電(diàn)仿真软件将使用(yòng)系统的3D模型进行分(fēn)析，但这需要首先创建原理(lǐ)图和PCB布局。如果您可(kě)以在开始机械设计和机電(diàn)仿真之前完成電(diàn)路设计和PCB布局，则可(kě)以创建一个满足電(diàn)气和机械要求的系统。

机電(diàn)系统设计过程需要電(diàn)气设计师和机械设计师之间的紧密合作。机械设计师的工作可(kě)能(néng)很(hěn)困难，因為(wèi)他(tā)们必须考虑诸如外壳设计，外壳或包装的运动范围以及传递给系统中電(diàn)动机的功率之类的事情。机械设计的这些方面，尤其是传递给電(diàn)动机的功率和运动范围，只有(yǒu)在设计了功率和電(diàn)动机控制電(diàn)路之后才能(néng)适当考虑。

必须模拟的两个关键電(diàn)路是您的電(diàn)源传输/管理(lǐ)和電(diàn)机控制系统。这些電(diàn)路需要以最小(xiǎo)的损耗（即，尽可(kě)能(néng)高的效率）向机械组件提供所需的功率。这些系统都不是100％高效的，但是使用(yòng)正确的電(diàn)路设计和分(fēn)析工具可(kě)以使您尽可(kě)能(néng)地接近。 

您的功率传输系统通常需要容纳来自未稳压直流電(diàn)源或交流電(diàn)源的输入功率。无论哪种情况，您都需要设计一个功率调节级，以便為(wèi)板上的下游電(diàn)动机供電(diàn)。由于電(diàn)动机有(yǒu)AC和DC两种，因此最好将電(diàn)动机类型与输入功率类型匹配。功率调节和传输策略需要与所使用(yòng)的電(diàn)源匹配。

对于将使用(yòng)交流電(diàn)源运行但需要直流電(diàn)动机或步进電(diàn)动机的更复杂的系统，您可(kě)能(néng)需要具有(yǒu)开关调节器的功率因数校正（PFC）電(diàn)路，以确保向机電(diàn)系统提供稳定的電(diàn)流和高效的功率传输系统。為(wèi)了从单相電(diàn)源转换為(wèi)脉动DC，可(kě)以使用(yòng)带有(yǒu)输出電(diàn)容器的标准整流器電(diàn)路。要将三相電(diàn)源转换為(wèi)直流電(diàn)源，请使用(yòng)以下電(diàn)路。

用(yòng)于AC-DC转换的三相整流電(diàn)路

在仿真软件中，您可(kě)以将三相交流输入電(diàn)源建模為(wèi)一组三个交流電(diàn)源，每个交流電(diàn)源的相位偏移為(wèi)120°。只需使用(yòng)二极管模型扫描源幅度，即可(kě)检查所产生纹波的幅度并计算功率因数。IEC 61000-3是三相交流電(diàn)源转换系统上非常严格的欧洲标准，该标准将输入電(diàn)流的总谐波失真（THD）限制在每相16至75 A RMS输入電(diàn)流时不超过48％。功率较低的设备（每相输入電(diàn)流最高為(wèi)16 A RMS）被限制為(wèi)不超过THD的33.8％。

系统的功率因数和总谐波失真（THD）相关，太高的总谐波失真（THD）过高会导致您的机電(diàn)系统在总谐波失真（THD）高时浪费功率。但是，直流電(diàn)源转换中需要总線(xiàn)電(diàn)容器来提供低通滤波和更稳定的输入直流電(diàn)源。

在仿真中，您需要尝试使用(yòng)不同的電(diàn)容器，以查看哪些值（包括其ESL和ESR值）将為(wèi)您的机電(diàn)组件提供最高的功率因数转换。这可(kě)以通过参数扫描来完成，同时扫描電(diàn)容器值并计算总输出功率效率。

電(diàn)机控制

术语“電(diàn)动机控制”涵盖正在运行的電(diàn)动机上的速度和转矩控制。这通过调节驱动信号中的参数之一来提供。对于实际的交流驱动電(diàn)路，交流電(diàn)动机的典型電(diàn)动机控制方法是使用(yòng)带双向可(kě)控硅和三端双向可(kě)控硅开关的電(diàn)位计来调节传递给電(diàn)动机的功率。 

下面显示了一个单相電(diàn)源示例。在这种简单策略中，您可(kě)以将電(diàn)位计模拟為(wèi)固定電(diàn)阻，并在模拟扫频时将其值简单地更改為(wèi)参数，同时模拟传递给電(diàn)动机的功率（下面的M1）。

单相交流電(diàn)动机的速度控制電(diàn)路。三相電(diàn)动机可(kě)以构建类似的電(diàn)路

交流電(diàn)动机控制的最常用(yòng)方法是调整驱动信号的频率。在构建变频驱动電(diàn)路时，对于单相或三相输入功率，您需要根据電(diàn)源電(diàn)压/電(diàn)流模拟输出功率。对于直流控制，确切的方法取决于所用(yòng)電(diàn)动机的类型。下表总结了用(yòng)于控制直流電(diàn)动机速度以及转矩的不同方法。

请注意，有(yǒu)刷和无刷電(diàn)机也可(kě)以使用(yòng)PWM信号，其中電(diàn)机接收的平均電(diàn)压等于占空比乘以線(xiàn)路電(diàn)压。这样，可(kě)以通过可(kě)编程的PWM发生器（例如在MCU中）以電(diàn)子方式控制電(diàn)动机。