1 概述

Ansys Simplorer是直觀(guān)易用、多物理域、多層次的系統(tǒng)仿真軟件，能夠幫助工程師實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高精度快速設(shè)計(jì)、仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括：電機(jī)、電磁、電源和其它機(jī)電一體化系統(tǒng)。Simplorer提供集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境，滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，如：機(jī)電部件、電力電子線(xiàn)路、系統(tǒng)級(jí)機(jī)電控制等，進(jìn)行高精度建模和仿真分析，并考慮部件和系統(tǒng)的相互影響的需求。強(qiáng)大的虛擬仿真技術(shù)，可幫助用戶(hù)深入研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的每個(gè)方面，是開(kāi)發(fā)復(fù)雜的電力推動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、以及新能源系統(tǒng)理想的設(shè)計(jì)工具，能在快速實(shí)現(xiàn)高精度設(shè)計(jì)的同時(shí)，降低設(shè)計(jì)成本。

本文將構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的AC/DC 二極管整流器，為直流永磁電機(jī)供電，同時(shí)還將構(gòu)建一個(gè)完整的控制方案，用于在啟動(dòng)和突然負(fù)載變化的情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)永磁直流電機(jī)進(jìn)行控制。

通過(guò)本文的學(xué)習(xí)，讀者將了解到以下內(nèi)容：

(1)如何創(chuàng)建和使用數(shù)據(jù)集來(lái)指定組件屬性;

(2)如何在沒(méi)有物理線(xiàn)連接的情況下連接組件;

(3)如何在組件之間傳遞信息;

(4)如何使用不同的塊體來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu);

(5)如何在同一圖中繪制不同的數(shù)據(jù)(信號(hào))。

2 實(shí)現(xiàn)方法

首先插入一個(gè)Simplorer的設(shè)計(jì)。啟動(dòng) Electronics Desktop，將項(xiàng)目另存為 WS_2_1.aedt，使用圖標(biāo) 插入Simplorer設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)重命名為DC_Motor_Control，使用圖標(biāo) 再次保存項(xiàng)目。

項(xiàng)目另存為 WS_2_1.aedt

設(shè)計(jì)重命名為DC_Motor_Control

接著插入元件──電壓源。

在組件庫(kù)窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Sources，選擇E:Voltage Source，將其拖放到Schematic中三次，雙擊電壓源 Voltage Source E1, 選擇TimeControlled>>Sine 使其成為正弦波，勾選Spice兼容，選擇RMS Value 值為 120Vac 頻率選擇 60Hz, 按OK確認(rèn)，對(duì)E2和E3重復(fù)該過(guò)程，分別添加相位120度和240度。

Voltage Source

設(shè)置為Sine

添加120度位

接著插入元件──二極管。

在組件庫(kù)窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Semiconductor system Level，選擇二極管，將其拖放到原理圖中七次，按Esc鍵退出插入模式并使用快捷鍵 Ctrl+D 來(lái)適應(yīng)所有。

插入二極管

接著插入元件──電容器

在組件庫(kù)窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>> Circuit>>Passive Elements，選擇電容器，將其拖放到原理圖中，按Esc鍵退出插入模式，雙擊電容器，將值更改為1mF，在可見(jiàn)性下的輸出/顯示選項(xiàng)卡中選擇電容值。

Passive Elements

插入電容器

電容值更改為1mF

在可見(jiàn)性下的輸出/顯示選項(xiàng)卡中選擇電容值

接著插入元件──直流電機(jī)

選擇SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>ElectricalMachines>>DC Machine，選擇DCMP，將其拖放到示意圖中，按Esc 退出插入模式。使用3次快捷鍵 Ctrl+R 將 DCMP 組件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)270度，雙擊DCMP并設(shè)置RA=1.2ohm，LA = 9.5mH，KE=0.544Wb，J=0.004kgm2，如下圖所示。

插入直流電機(jī)DCMP

DCMP參數(shù)設(shè)置

接著插入零部件──半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(Mosfet)

在組件庫(kù)窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Semiconductor system Level，選擇 Mosfet (MOS)，將其拖放到 Schematic中，選擇MOS并使用快捷鍵 Ctrl+R將其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，確保使用Pin被選中。

插入半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(Mosfet)

確保使用Pin被選中

接下來(lái)連接組件。

將鼠標(biāo)放在組件的一個(gè)終端上，鼠標(biāo)指針的形狀變?yōu)槭中危聪?LMB 并移動(dòng)十字直到下一個(gè)組件的連接端子。添加Ground節(jié)點(diǎn)，單擊圖標(biāo)

， 并將其放入Schemaic，連接所有組件，直到完成如圖所示的電路。

連接端子

驅(qū)動(dòng)電路

接下來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)集。

現(xiàn)在將創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)組，用于表示直流電機(jī)負(fù)載扭矩。在庫(kù)窗口Simplorer Elements>>Basic Elements>>Tools>>TimeFunctions，選擇DATAPAIRS組件，將其拖放到Schematic中，雙擊DATAPAIRS塊，將名稱(chēng)更改為T(mén)orqueLoad，然后單擊Characteristic按鈕。選擇數(shù)據(jù)集...按鈕，然后添加(創(chuàng)建新數(shù)據(jù)集)。

名稱(chēng)更改為T(mén)orqueLoad

單擊Datasets

單擊Add

將名稱(chēng)更改為T(mén)load并根據(jù)以下內(nèi)容輸入時(shí)間/值對(duì)：

0 1

0.075 1

0.08 10

0.1 10

輸入時(shí)間/值對(duì)

點(diǎn)擊“確定”，然后“完成”，然后再“確定”，然后，點(diǎn)擊確定退出所有窗口。

接下來(lái)向直流電機(jī)添加新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

再次雙擊TorqueLoad表查找塊，選擇輸出/顯示選項(xiàng)卡，取消選中輸出值VAL的輸出顯示引腳框。雙擊DC Motor組件并將負(fù)載輸入定義為剛剛創(chuàng)建的指定TorqueLoad.VAL的表查找塊的輸出。

取消選中輸出值VAL的輸出顯示

負(fù)載定義為T(mén)orqueLoad.VAL

接下來(lái)添加控制方案。

控制方案由外部SpeedControl回路和內(nèi)部Current Control 回路組成。這兩個(gè)控件有不同的目標(biāo)，其中速度控制將電機(jī)驅(qū)動(dòng)到1000rpm的固定速度，電流控制使電流不超過(guò)最大值，將其限制在20A左右的±2.5A范圍內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)的完整方案如下圖所示。

外部Speed Control回路和內(nèi)部Current Control回路

接下來(lái)插入控制邏輯模塊。

在組件庫(kù)窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Blocks>>Continous Blocks，選擇GAIN塊并將其拖放到Schematic中3次，選擇INTG(積分器)塊并將其拖放到原理圖中。在組件庫(kù)窗口中Simplorer Elements>>BasicElements>>Blocks>>Sources Blocks。選擇CONST(常量值)塊并將其拖放到原理圖中，在組件庫(kù)窗口中Simplorer Elements>>BasicElements>>Blocks>>Signal Processing Blocks，選擇 SUM塊并將其拖放到Schematic中3次，選擇TPH (Two-Point Element with Hysteresis) 塊并將其拖放到Schematic中，選擇LIMIT(限制器)塊并將其拖放到Schematic中，將10個(gè)塊排列如下圖。

外部Speed Control回路和內(nèi)部Current Control回路所需元器件

接下來(lái)設(shè)置組件可見(jiàn)性和屬性。

為了在原理圖上獲得更好的組件可見(jiàn)性，建議檢查高級(jí)屬性轉(zhuǎn)到菜單項(xiàng)Tools>>Options>>General Options>>SchematicEditor>>General 最終選中“顯示高級(jí)屬性數(shù)據(jù)”。在Tools>>Schematic Editor >>Fonts選擇所需的字體類(lèi)型和字體大小。 您還可以選中“應(yīng)用此字體...活動(dòng)原理圖”框來(lái)修改已放置在原理圖上的元素的可見(jiàn)性。準(zhǔn)備好后，點(diǎn)擊OK。

顯示高級(jí)屬性數(shù)據(jù)

Fonts字體設(shè)置

接下來(lái)對(duì)齊組件。

為了使模塊方案和一般每個(gè)電路更具可讀性，使用Simplorer提供的對(duì)齊功能通常很有幫助，要水平對(duì)齊元素/塊，首先選擇要對(duì)齊的元素/塊，然后轉(zhuǎn)到菜單項(xiàng) Draw>>Align Horizontal，要垂直對(duì)齊元素/塊。先選擇要對(duì)齊的元素/塊，然后轉(zhuǎn)到菜單項(xiàng)Draw>>Flip Vertical。

Align Horizontal與Flip Vertical

接下來(lái)修改增益模塊屬性。

雙擊GAIN1并將名稱(chēng)更改為Motor_speed，在Output/Display Tab, 不勾選Show Pin 而選INPUT，在參數(shù)選項(xiàng)卡INPUT設(shè)置為DCMP1.N(DC Motor Speed)，KP設(shè)置為1，TS為0。

GAIN1(Motor_speed)雙擊GAIN2并將名稱(chēng)更改為Proportional_Gain，在參數(shù)選項(xiàng)卡KP設(shè)置為50。

GAIN2(Proportional_Gain)

雙擊GAIN3并將名稱(chēng)更改為Motor Current，在Output/Display Tab, 不勾選Show Pin而選擇INPUT，在參數(shù)選項(xiàng)卡INPUT設(shè)置DCMP1.IA (DC Motor Current)，KP設(shè)置為1，TS設(shè)置為0。

GAIN3(Motor_current)

接下來(lái)修改求和模塊屬性。

按Ctrl鍵選擇SUM1、SUM2和SUM3，執(zhí)行RMB>>Flip Vertical，雙擊SUM1并將INPUT[0]的符號(hào)設(shè)置為“-”，保持SUM2不變，雙擊SUM3并將INPUT[1]的符號(hào)設(shè)置為to “-”。

SUM1

SUM3

接下來(lái)修改常量模塊屬性。

雙擊CONST1并將名稱(chēng)更改為N_REF，將值給定為1000。

常量模塊

接下來(lái)修改INTG積分模塊屬性。

雙擊INTG1并將名稱(chēng)更改為Integral_Gain，在參數(shù)選項(xiàng)卡中將KI給定為20。

INTG積分模塊

接下來(lái)修改限制模塊屬性。

雙擊LIMIT1并將名稱(chēng)更改為L(zhǎng)imiter，在參數(shù)選項(xiàng)卡中，將UL給定為20，將LL給定為0。

限制模塊

接下來(lái)修改TPHBlock (Schmitt Trigger) 模塊屬性。

雙擊TPH并將名稱(chēng)更改為Control_Output，在參數(shù)選項(xiàng)卡中，將THRES1給定為-2.5，將THRES2給定為2.5，將VAL1給定為-1，將VAL2給定為1。

TPH Block(Schmitt Trigger)模塊

接下來(lái)連接模塊和控制方案。

按下入進(jìn)行10個(gè)模塊的連接。

連接10個(gè)模塊

將Control_Output模塊連接到Mosfet的門(mén)級(jí)。

Control_Output模塊連接到Mosfet的門(mén)級(jí)

接下來(lái)進(jìn)行后處理準(zhǔn)備。

選擇菜單Draw>>Report>>RectangularPlot，并將繪圖放置在原理圖中，如放在電路上方，此時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出New Trace窗口，用戶(hù)可通過(guò)選擇數(shù)量來(lái)選擇流經(jīng)DCMP電機(jī)的電流 DCMP1.IA，單擊“Add Trace”按鈕，然后單擊“Close”關(guān)閉。

Rectangular Plot放置在電路上方

選擇DCMP電機(jī)的電流 DCMP1.IA

接下來(lái)設(shè)置模擬分析。

在本示例中，由于使用的控制技術(shù)，無(wú)法輕松預(yù)測(cè) Mosfet 開(kāi)關(guān)頻率，為了確保以適當(dāng)?shù)姆绞奖硎舅锌赡艿乃矐B(tài)，在這種情況下，我們?yōu)镠min和Hmax設(shè)置了非常小的值。在瞬態(tài)分析設(shè)置窗口中，給定Tend為120ms，給定Hmin為1ns，給定Hmax為1ms，點(diǎn)擊OK鍵確認(rèn)。

瞬態(tài)分析求解設(shè)置

最后進(jìn)行分析與結(jié)果的查看。

選擇菜單SimplorerCircuit>>Analyze運(yùn)行分析，流經(jīng)直流電機(jī)的電流的最終結(jié)果應(yīng)與下圖非常相似。

電流結(jié)果

選擇圖表報(bào)告RMB>>ModifyReport，選擇參數(shù)DCMP1.N與TorqueLoad.VAL同時(shí)按下Add Trace，得到如下結(jié)果。

電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩結(jié)果

用戶(hù)需要注意的是，當(dāng)電機(jī)加速到所需速度時(shí)，電機(jī)電流將受到限制，一旦電機(jī)達(dá)到所需速度，電機(jī)電流就會(huì)降低以保持速度，當(dāng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載再次增加時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電流增加以支持增加的轉(zhuǎn)矩負(fù)載，以保持速度恒定。

此Workshop到此結(jié)束，最后，在工作文件夾中保存名為WS_2_1 的文件。

3 總結(jié)

本文以永磁直流電機(jī)為例，介紹了基于Simplorer的電機(jī)控制模型。我們建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的 AC/DC 二極管整流器，為直流永磁電機(jī)供電，同時(shí)還構(gòu)建了一個(gè)完整的控制方案，用于在啟動(dòng)和突然負(fù)載變化的情況下驅(qū)動(dòng)電機(jī)，來(lái)對(duì)永磁直流電機(jī)進(jìn)行控制。Simplorer強(qiáng)大的虛擬仿真技術(shù)，可幫助用戶(hù)深入研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的每個(gè)方面，是電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、以及新能源系統(tǒng)理想的設(shè)計(jì)工具，能在快速實(shí)現(xiàn)高精度設(shè)計(jì)的同時(shí)，降低設(shè)計(jì)成本。

審核編輯：湯梓紅