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技術(shù)專題
機(jī)電仿真軟件和電路設(shè)計(jì)分析的作用
機(jī)電系統(tǒng)采用多種軟件來成功設(shè)計(jì)，包括機(jī)電仿真軟件。您的機(jī)電仿真軟件和機(jī)械建模工具可確保您的系統(tǒng)在機(jī)械方面達(dá)到預(yù)期的性能，但是在創(chuàng)建機(jī)械仿真和機(jī)電仿真之前，它們無法解決電路的特定功能。
電氣設(shè)計(jì)和分析工具對于設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制電路和功率傳輸系統(tǒng)非常重要，這樣可以確保機(jī)械系統(tǒng)可以按預(yù)期運(yùn)行。真正的機(jī)電仿真軟件將使用系統(tǒng)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。如果您可以在開始機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)電仿真之前完成電路設(shè)計(jì)和PCB布局，則可以創(chuàng)建一個(gè)滿足電氣和機(jī)械要求的系統(tǒng)。
機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程需要電氣設(shè)計(jì)師和機(jī)械設(shè)計(jì)師之間的緊密合作。機(jī)械設(shè)計(jì)師的工作可能很困難，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]諸如外殼設(shè)計(jì)，外殼或包裝的運(yùn)動(dòng)范圍以及傳遞給系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的功率之類的事情。機(jī)械設(shè)計(jì)的這些方面，尤其是傳遞給電動(dòng)機(jī)的功率和運(yùn)動(dòng)范圍，只有在設(shè)計(jì)了功率和電動(dòng)機(jī)控制電路之后才能適當(dāng)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(jī)控制系統(tǒng)。這些電路需要以最小的損耗（即，盡可能高的效率）向機(jī)械組件提供所需的功率。這些系統(tǒng)都不是100％高效的，但是使用正確的電路設(shè)計(jì)和分析工具可以使您盡可能地接近。
您的功率傳輸系統(tǒng)通常需要容納來自未穩(wěn)壓直流電源或交流電源的輸入功率。無論哪種情況，您都需要設(shè)計(jì)一個(gè)功率調(diào)節(jié)級，以便為板上的下游電動(dòng)機(jī)供電。由于電動(dòng)機(jī)有AC和DC兩種，因此最好將電動(dòng)機(jī)類型與輸入功率類型匹配。功率調(diào)節(jié)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(yùn)行但需要直流電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的更復(fù)雜的系統(tǒng)，您可能需要具有開關(guān)調(diào)節(jié)器的功率因數(shù)校正（PFC）電路，以確保向機(jī)電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流和高效的功率傳輸系統(tǒng)。為了從單相電源轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)DC，可以使用帶有輸出電容器的標(biāo)準(zhǔn)整流器電路。要將三相電源轉(zhuǎn)換為直流電源，請使用以下電路。
用于AC-DC轉(zhuǎn)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(jì)算功率因數(shù)。IEC 61000-3是三相交流電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上非常嚴(yán)格的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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48％。功率較低的設(shè)備（每相輸入電流最高為16 A RMS）被限制為不超過THD的33.8％。
系統(tǒng)的功率因數(shù)和總諧波失真（THD）相關(guān)，太高的總諧波失真（THD）過高會(huì)導(dǎo)致您的機(jī)電系統(tǒng)在總諧波失真（THD）高時(shí)浪費(fèi)功率。但是，直流電源轉(zhuǎn)換中需要總線電容器來提供低通濾波和更穩(wěn)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(jī)電組件提供最高的功率因數(shù)轉(zhuǎn)換。這可以通過參數(shù)掃描來完成，同時(shí)掃描電容器值并計(jì)算總輸出功率效率。
電機(jī)控制
術(shù)語“電動(dòng)機(jī)控制”涵蓋正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)上的速度和轉(zhuǎn)矩控制。這通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的參數(shù)之一來提供。對于實(shí)際的交流驅(qū)動(dòng)電路，交流電動(dòng)機(jī)的典型電動(dòng)機(jī)控制方法是使用帶雙向可控硅和三端雙向可控硅開關(guān)的電位計(jì)來調(diào)節(jié)傳遞給電動(dòng)機(jī)的功率。
下面顯示了一個(gè)單相電源示例。在這種簡單策略中，您可以將電位計(jì)模擬為固定電阻，并在模擬掃頻時(shí)將其值簡單地更改為參數(shù)，同時(shí)模擬傳遞給電動(dòng)機(jī)的功率（下面的M1）。
單相交流電動(dòng)機(jī)的速度控制電路。三相電動(dòng)機(jī)可以構(gòu)建類似的電路
交流電動(dòng)機(jī)控制的最常用方法是調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率。在構(gòu)建變頻驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，對于單相或三相輸入功率，您需要根據(jù)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(jī)的類型。下表總結(jié)了用于控制直流電動(dòng)機(jī)速度以及轉(zhuǎn)矩的不同方法。
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直流電動(dòng)機(jī)類型 |
控制方式 |
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無刷 |
更改施加到電樞的電壓。這可能會(huì)使用功率晶體管，它充當(dāng)線性穩(wěn)壓器。 |
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拉絲 |
與無刷電機(jī)相同。 |
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伺服（帶反饋控制的有刷電機(jī)） |
通常使用PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并使用正反饋信號(hào)進(jìn)行精確的速度選擇。 |
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踏步機(jī) |
輸出占空比與電機(jī)上各點(diǎn)之間的間距匹配的PWM信號(hào)。 |
請注意，有刷和無刷電機(jī)也可以使用PWM信號(hào)，其中電機(jī)接收的平均電壓等于占空比乘以線路電壓。這樣，可以通過可編程的PWM發(fā)生器（例如在MCU中）以電子方式控制電動(dòng)機(jī)。