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技术专题
机电仿真软件和电路设计分析的作用
机电系统采用多种软件来成功设计，包括机电仿真软件。您的机电仿真软件和机械建模工具可确保您的系统在机械方面达到预期的性能，但是在创建机械仿真和机电仿真之前，它们无法解决电路的特定功能。
电气设计和分析工具对于设计电动机控制电路和功率传输系统非常重要，这样可以确保机械系统可以按预期运行。真正的机电仿真软件将使用系统的3D模型进行分析，但这需要首先创建原理图和PCB布局。如果您可以在开始机械设计和机电仿真之前完成电路设计和PCB布局，则可以创建一个满足电气和机械要求的系统。
机电系统设计过程需要电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能很困难，因为他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电动机的功率之类的事情。机械设计的这些方面，尤其是传递给电动机的功率和运动范围，只有在设计了功率和电动机控制电路之后才能适当考虑。
必须模拟的两个关键电路是您的电源传输/管理和电机控制系统。这些电路需要以最小的损耗（即，尽可能高的效率）向机械组件提供所需的功率。这些系统都不是100％高效的，但是使用正确的电路设计和分析工具可以使您尽可能地接近。
您的功率传输系统通常需要容纳来自未稳压直流电源或交流电源的输入功率。无论哪种情况，您都需要设计一个功率调节级，以便为板上的下游电动机供电。由于电动机有AC和DC两种，因此最好将电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的电源匹配。
对于将使用交流电源运行但需要直流电动机或步进电动机的更复杂的系统，您可能需要具有开关调节器的功率因数校正（PFC）电路，以确保向机电系统提供稳定的电流和高效的功率传输系统。为了从单相电源转换为脉动DC，可以使用带有输出电容器的标准整流器电路。要将三相电源转换为直流电源，请使用以下电路。
用于AC-DC转换的三相整流电路
在仿真软件中，您可以将三相交流输入电源建模为一组三个交流电源，每个交流电源的相位偏移为120°。只需使用二极管模型扫描源幅度，即可检查所产生纹波的幅度并计算功率因数。IEC 61000-3是三相交流电源转换系统上非常严格的欧洲标准，该标准将输入电流的总谐波失真（THD）限制在每相16至75 A RMS输入电流时不超过48％。功率较低的设备（每相输入电流最高为16 A RMS）被限制为不超过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）过高会导致您的机电系统在总谐波失真（THD）高时浪费功率。但是，直流电源转换中需要总线电容器来提供低通滤波和更稳定的输入直流电源。
在仿真中，您需要尝试使用不同的电容器，以查看哪些值（包括其ESL和ESR值）将为您的机电组件提供最高的功率因数转换。这可以通过参数扫描来完成，同时扫描电容器值并计算总输出功率效率。
电机控制
术语“电动机控制”涵盖正在运行的电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电路，交流电动机的典型电动机控制方法是使用带双向可控硅和三端双向可控硅开关的电位计来调节传递给电动机的功率。
下面显示了一个单相电源示例。在这种简单策略中，您可以将电位计模拟为固定电阻，并在模拟扫频时将其值简单地更改为参数，同时模拟传递给电动机的功率（下面的M1）。
单相交流电动机的速度控制电路。三相电动机可以构建类似的电路
交流电动机控制的最常用方法是调整驱动信号的频率。在构建变频驱动电路时，对于单相或三相输入功率，您需要根据电源电压/电流模拟输出功率。对于直流控制，确切的方法取决于所用电动机的类型。下表总结了用于控制直流电动机速度以及转矩的不同方法。
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直流电动机类型 |
控制方式 |
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无刷 |
更改施加到电枢的电压。这可能会使用功率晶体管，它充当线性稳压器。 |
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拉丝 |
与无刷电机相同。 |
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伺服（带反馈控制的有刷电机） |
通常使用PWM信号进行驱动，并使用正反馈信号进行精确的速度选择。 |
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踏步机 |
输出占空比与电机上各点之间的间距匹配的PWM信号。 |
请注意，有刷和无刷电机也可以使用PWM信号，其中电机接收的平均电压等于占空比乘以线路电压。这样，可以通过可编程的PWM发生器（例如在MCU中）以电子方式控制电动机。