基于Simplorer的永磁直流電機控制

1 概述

Ansys Simplorer是直觀易用、多物理域、多層次的系統(tǒng)仿真軟件，能夠幫助工程師實現(xiàn)復雜的高精度快速設計、仿真分析與優(yōu)化設計，包括：電機、電磁、電源和其它機電一體化系統(tǒng)。Simplorer提供集成化的設計環(huán)境，滿足客戶對復雜系統(tǒng)，如：機電部件、電力電子線路、系統(tǒng)級機電控制等，進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。強大的虛擬仿真技術，可幫助用戶深入研究產品設計的每個方面，是開發(fā)復雜的電力推動系統(tǒng)、電機及驅動系統(tǒng)、以及新能源系統(tǒng)理想的設計工具，能在快速實現(xiàn)高精度設計的同時，降低設計成本。

本文將構建一個簡單的AC/DC 二極管整流器，為直流永磁電機供電，同時還將構建一個完整的控制方案，用于在啟動和突然負載變化的情況下驅動電機，對永磁直流電機進行控制。

通過本文的學習，讀者將了解到以下內容：

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

(2)如何在沒有物理線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創(chuàng)建復雜的控制結構;

(5)如何在同一圖中繪制不同的數(shù)據(jù)(信號)。

2 實現(xiàn)方法

首先插入一個Simplorer的設計。啟動 Electronics Desktop，將項目另存為 WS_2_1.aedt，使用圖標 插入Simplorer設計，將設計重命名為DC_Motor_Control，使用圖標 再次保存項目。

項目另存為 WS_2_1.aedt

設計重命名為DC_Motor_Control

接著插入元件──電壓源。

在組件庫窗口中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，對E2和E3重復該過程，分別添加相位120度和240度。

Voltage Source

設置為Sine

添加120度位

接著插入元件──二極管。

在組件庫窗口中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 來適應所有。

插入二極管

接著插入元件──電容器

在組件庫窗口中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，在可見性下的輸出/顯示選項卡中選擇電容值。

Passive Elements

插入電容器

電容值更改為1mF

在可見性下的輸出/顯示選項卡中選擇電容值

接著插入元件──直流電機

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 組件逆時針旋轉270度，雙擊DCMP并設置RA=1.2ohm，LA = 9.5mH，KE=0.544Wb，J=0.004kgm2，如下圖所示。

插入直流電機DCMP

DCMP參數(shù)設置

接著插入零部件──半導體開關(Mosfet)

在組件庫窗口中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將其逆時針旋轉90度，確保使用Pin被選中。

插入半導體開關(Mosfet)

確保使用Pin被選中

接下來連接組件。

將鼠標放在組件的一個終端上，鼠標指針的形狀變?yōu)槭中?，按?LMB 并移動十字直到下一個組件的連接端子。添加Ground節(jié)點，單擊圖標

， 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

驅動電路

接下來創(chuàng)建數(shù)據(jù)集。

現(xiàn)在將創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)數(shù)組，用于表示直流電機負載扭矩。在庫窗口Simplorer Elements>>Basic Elements>>Tools>>TimeFunctions，選擇DATAPAIRS組件，將其拖放到Schematic中，雙擊DATAPAIRS塊，將名稱更改為TorqueLoad，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)。

名稱更改為TorqueLoad

單擊Datasets

單擊Add

將名稱更改為Tload并根據(jù)以下內容輸入時間/值對：

0 1

0.075 1

0.08 10

0.1 10

輸入時間/值對

點擊“確定”，然后“完成”，然后再“確定”，然后，點擊確定退出所有窗口。

接下來向直流電機添加新的負載轉矩。

再次雙擊TorqueLoad表查找塊，選擇輸出/顯示選項卡，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

負載定義為TorqueLoad.VAL

接下來添加控制方案。

控制方案由外部SpeedControl回路和內部Current Control 回路組成。這兩個控件有不同的目標，其中速度控制將電機驅動到1000rpm的固定速度，電流控制使電流不超過最大值，將其限制在20A左右的±2.5A范圍內，要實現(xiàn)的完整方案如下圖所示。

外部Speed Control回路和內部Current Control回路

接下來插入控制邏輯模塊。

在組件庫窗口中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個塊排列如下圖。

外部Speed Control回路和內部Current Control回路所需元器件

接下來設置組件可見性和屬性。

為了在原理圖上獲得更好的組件可見性，建議檢查高級屬性轉到菜單項Tools>>Options>>General Options>>SchematicEditor>>General 最終選中“顯示高級屬性數(shù)據(jù)”。在Tools>>Schematic Editor >>Fonts選擇所需的字體類型和字體大小。 您還可以選中“應用此字體...活動原理圖”框來修改已放置在原理圖上的元素的可見性。準備好后，點擊OK。

顯示高級屬性數(shù)據(jù)

Fonts字體設置

接下來對齊組件。

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

Align Horizontal與Flip Vertical

接下來修改增益模塊屬性。

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

GAIN1(Motor_speed)雙擊GAIN2并將名稱更改為Proportional_Gain，在參數(shù)選項卡KP設置為50。

GAIN2(Proportional_Gain)

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

GAIN3(Motor_current)

接下來修改求和模塊屬性。

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

SUM1

SUM3

接下來修改常量模塊屬性。

雙擊CONST1并將名稱更改為N_REF，將值給定為1000。

常量模塊

接下來修改INTG積分模塊屬性。

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

INTG積分模塊

接下來修改限制模塊屬性。

雙擊LIMIT1并將名稱更改為Limiter，在參數(shù)選項卡中，將UL給定為20，將LL給定為0。

限制模塊

接下來修改TPHBlock (Schmitt Trigger) 模塊屬性。

雙擊TPH并將名稱更改為Control_Output，在參數(shù)選項卡中，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

接下來連接模塊和控制方案。

按下入進行10個模塊的連接。

連接10個模塊

將Control_Output模塊連接到Mosfet的門級。

Control_Output模塊連接到Mosfet的門級

接下來進行后處理準備。

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，此時會自動彈出New Trace窗口，用戶可通過選擇數(shù)量來選擇流經DCMP電機的電流 DCMP1.IA，單擊“Add Trace”按鈕，然后單擊“Close”關閉。

Rectangular Plot放置在電路上方

選擇DCMP電機的電流 DCMP1.IA

接下來設置模擬分析。

在本示例中，由于使用的控制技術，無法輕松預測 Mosfet 開關頻率，為了確保以適當?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設置了非常小的值。在瞬態(tài)分析設置窗口中，給定Tend為120ms，給定Hmin為1ns，給定Hmax為1ms，點擊OK鍵確認。

瞬態(tài)分析求解設置

最后進行分析與結果的查看。

選擇菜單SimplorerCircuit>>Analyze運行分析，流經直流電機的電流的最終結果應與下圖非常相似。

電流結果

選擇圖表報告RMB>>ModifyReport，選擇參數(shù)DCMP1.N與TorqueLoad.VAL同時按下Add Trace，得到如下結果。

電流、轉速、轉矩結果

用戶需要注意的是，當電機加速到所需速度時，電機電流將受到限制，一旦電機達到所需速度，電機電流就會降低以保持速度，當轉矩負載再次增加時，它會導致電機電流增加以支持增加的轉矩負載，以保持速度恒定。

此Workshop到此結束，最后，在工作文件夾中保存名為WS_2_1 的文件。

3 總結

本文以永磁直流電機為例，介紹了基于Simplorer的電機控制模型。我們建立了一個簡單的 AC/DC 二極管整流器，為直流永磁電機供電，同時還構建了一個完整的控制方案，用于在啟動和突然負載變化的情況下驅動電機，來對永磁直流電機進行控制。Simplorer強大的虛擬仿真技術，可幫助用戶深入研究產品設計的每個方面，是電機及驅動系統(tǒng)、以及新能源系統(tǒng)理想的設計工具，能在快速實現(xiàn)高精度設計的同時，降低設計成本。

審核編輯：湯梓紅