使用SystemVision Cloud进行电机和机电系统的模拟

对大多数工程师说“模拟”这个词，就会想到运算放大器、功率器件、I/O 或信号调理电路。但是，如果我们包括由连续变量和行为描述的所有内容，例如，“机械”方面，则电路之外的系统也充满了“模拟”。“机电一体化”一词是指结合电子和机械元件的技术，包括在接口处执行的电机和传感器。

在这篇文章中，我想展示一些可以在 SystemVision Cloud(一个免费的在线原理图捕获和仿真平台)中建模和仿真的机电一体化系统示例。这些示例不仅展示了模拟电路设计，还展示了外部系统的关键元素，包括控制、电机/执行器和动态机械负载，这些对于理解整个系统的性能至关重要。这些示例还展示了设计过程的早期“概念探索”与后期“实施验证”阶段。

第一个设计示例展示了步进电机控制负载角度的能力，而不是通过使用旋转角度传感器进行反馈，而是通过简单地计算步数。在这种情况下，向前走八步，然后在反向走两步，每秒钟重复一次这个循环。

可以看到负载角(棕色波形)根据方向控制信号(浅蓝色波形)和 100ms 周期性时钟输入(未显示)的命令而增加和减少。但是在第二个循环的第四个阶段，上发条的扭矩超过了步进电机的能力，导致它突然“回弹”到一个负角，低于初始起点!这个“戏剧性”的结果说明了在设计电机及其控制电子设备时需要包括所有相关的“系统环境”。

请注意，电机相电流的切换顺序(红色和深蓝色波形)反映了驱动开关在正向和反向方向上的顺序。在设计过程的这个阶段，我们正在尝试探索和验证正确的开关顺序、足够的电机失速扭矩、步进振铃/稳定时间，以及可能的最大步进速率限制。这些设计方面不需要详细的功率 MOSFET 开关和复杂的栅极驱动电路来进行正确评估，因此正在使用理想的数控开关，因为它们通常允许更快的仿真。

第二个设计示例扩展了交互技术的范围，包括更详细的模拟和数字电子以及流体方面。该系统包括一个直流电机/泵/压力调节器、一个电流体燃料喷射器和一个调节喷射器电流的混合信号驱动电路。

该设计显示了在喷射开始后降低喷射器驱动电流的能力，以提高效率。这利用了电磁体共有的特性，即“保持”磁体闭合所需的电流比初始“拉入”所需的电流低。左上角显示的仿真结果包括指令的喷油器电流设定点(深蓝色波形)和由功率 MOSFET 的 PWM 开关调节的实际电流(橙色波形)。电流设定点最初设置为 3.0A，但在 10 毫秒后降至仅 1.3A 以保持不变。

右上角显示的结果包括在拉入和释放循环期间喷油器入口处的调节压力(绿色波形)和喷油器柱塞位置(洋红色波形)。压力调节泵和喷油器组件模型(阴影区域)都是通过“组装”更原始的关键物理效应模型来创建的。对于泵，这包括直流电机、理想的定量泵和旁通阀。喷射器模型包括电磁铁、弹簧/质量/阻尼器和行程限制硬停止，以及喷射阀和代表喷嘴的固定孔。喷嘴流量(浅蓝色波形)被整合，以使输送到发动机的燃料量(红色波形)成为喷射事件的关键性能指标。

理想情况下，该加油量仅取决于指令喷射时间的持续时间。但在

实际上，它还取决于驱动电路和喷油器的动态响应、泵的调节压力等因素。观察和分析这些多学科相互作用的能力对于此类机电系统开发至关重要。

在最后一个示例中，我们着眼于系统开发过程开始时可能发生的设计概念探索。该示意图代表了一个驱动简单机械负载的永磁同步电机 (PMSM)，该电机还包括一个发条弹簧以测试机器的扭矩能力。驱动电子设备的细节尚未确定，因此连续的 Clarke/Park 转换模块应用理想的正弦相电压并读取电机的相电流。浅蓝色波形是测试指令的正交电流(Iq，“转矩电流”)。橙色波形显示了相应的负载轴角度响应，在稳态下，由于弹簧的原因，它与电机扭矩成正比(胡克定律)。此外，还显示了电机内部转矩和 A 相电流(分别为绿色和深蓝色波形)。

因为控制模型是连续的，所以仿真运行得非常快。此版本对于整体设计性能的系统级评估很有用。但是，您也可以探索此设计的后期版本，其中包括理想开关并在此处验证驱动它们的空间矢量调制算法：PMSM 电机和 PWM 驱动器1。另一个具有完整驱动电路实现的版本，其中可以分析功率 MOSFET 开关的应力水平。

总之，模拟电子在机电一体化系统中发挥着关键作用。但是，有效的设计过程必须包括对多种交互技术的整体视图。它还必须支持从早期/抽象/概念到最终/具体/详细实施的发展进程，并在每个阶段进行适当的分析和权衡评估。