仿真在機械運動系統(tǒng)中的應用

仿真在機械運動系統(tǒng)中的應用1．摘要1．1背景與目的電路仿真和操縱算法仿真差不多廣泛應用于變頻器開發(fā)過程當中，然而負載特性描述的比較簡單，通常為一樣的恒定轉(zhuǎn)矩負載，然而實際應用中機械負載的狀況要復雜專門多，為了準確評估變頻器在不同工作條件下的性能，本研究報告的目的在于研究Saber中關于機械仿確實差不多原理和方法，以及在公司變頻器開發(fā)中的應用，實現(xiàn)通過仿真模擬不同負載條件下變頻器工作狀況，為性能優(yōu)化提供參考。2關鍵詞KCL,KVL,對偶，力，轉(zhuǎn)矩，位移，角速度2．機械仿確實差不多原理Saber是一種基于KCL定理和KVL定理進行仿確實仿真器，除了能夠分析電路以外，它還能夠關于流體，機械運動進行分析，其中關于機械物體運動的分析，能夠被應用在變頻器負載特性的分析當中。簡單講明如下。2．1機械與電的對偶關系機械系統(tǒng)與電路分析的對象一樣，能夠分為支路和節(jié)點，一個器件兩個端點之間是一個支路，而幾個器件的連接點確實是一個節(jié)點。兩個節(jié)電之間的物理量之差被稱為“AcrossVariable”，而穿過一個支路的物理量被稱作“ThroughVariable”。關于電路仿真而言，“AcrossVariable”是某個節(jié)點的電壓，“ThroughVariable”是某個支路的電流，而機械系統(tǒng)仿真中，“AcrossVariable”是節(jié)點的位移（或者轉(zhuǎn)動角度，角速度），“ThroughVariable”是支路的力(或者轉(zhuǎn)矩)。他們同樣都滿足KCL與KVL定理，具有物理意義上的對偶關系。簡單講明如下。關于圖中的節(jié)點，有如下公式：I1+I2+I3=0其中In為流過各個支路的電流。（那個地點有一個參考方向咨詢題，決定該物理量的符號，后同）

圖一電路的KCL定理關于機械系統(tǒng)的KCL定理，則表示如下。關于圖中的節(jié)點，有如下公式：f1+f2+f3=0其中fn應該為來自各個方向的作用力，那個定理的差不多含義確實是作用于某個點上面的各個方向力量之和為零。具體到那個例子當中，f1表示物體的重力，f2表示繩子的拉力，二者之差f3，在物體上面產(chǎn)生加速度。電路的KVL定理，如圖三：關于圖中所示的閉合回路，有如下公式：V1-V2-V3=0即各個支路端電壓之和為零。機械運動的KVL定理，如圖四關于圖中所示的一個閉合回路，有如下公式：lp1+lp2+lp3=0其中l(wèi)pn表示各個支路兩端的相對位移。關于旋轉(zhuǎn)機械運動系統(tǒng)，也有同樣的等式，只是對象由力和位移對應為轉(zhuǎn)矩和角度。3．常用模型以及差不多仿真方法Saber中提供的機械運動模型能夠分為兩大類，平移運動和轉(zhuǎn)動。它們的差不要緊在于變量類型的不同，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的模型中變量是轉(zhuǎn)矩，角度，角速度，角加速度；平移系統(tǒng)的模型變量是力，位移，速度，加速度。等等，然而他們之間有專門強的對偶特性，這部分要緊以一些簡單例子，講明SABER中機械仿確實差不多思路。并盡量應用和電路仿真對偶的方法進行講解。3．1源電路仿真中由電壓源和電流源描述各種鼓舞，關于于機械系統(tǒng)中，對偶的源如下：電路電壓源電流源平移系統(tǒng)力源位移源轉(zhuǎn)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩源角度源這些源有各種不同形式：恒定，脈沖，正弦，斜坡等等，其中最常用的是平移系統(tǒng)中的力源和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩源，舉例講明如圖五在圖五上面的圖形中，左邊表示一個重力作用于一個物體的情形，右邊表示一個轉(zhuǎn)矩作用于一個轉(zhuǎn)動慣量的情形。他們分不滿足以下的公式：加速度＝力/質(zhì)量角加速度＝轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)動慣量而仿真輸出的結(jié)果分不是節(jié)點的位移，速度和轉(zhuǎn)動角度，角速度，如圖六圖六3．2負載電路仿真中，電阻，電容，電感以及各種半導體器件都能夠被視為電路當中的負載，他們關于作用在上面的電壓和電流有不同響應，從而導致電路中這些物理量產(chǎn)生變化。同樣的道理，機械運動系統(tǒng)的仿真中，也有各種各樣的負載狀況，例如風機負載，恒轉(zhuǎn)矩負載，摩擦，粘滯等，他們關于不同的轉(zhuǎn)矩（或者力）和角速度，角度（或者位移）也產(chǎn)生不同響應，因此也包括前面提到的轉(zhuǎn)動慣量。Saber提供了常用的負載模型，我們只需要輸入一些常用參數(shù)，就能夠得到他們的仿真結(jié)果。以圖七為例： 圖七左圖中顯示一個風機負載，而右圖顯示一個摩擦性負載，通過定義他們的參數(shù)，能夠得到他們關于在相同輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量情形下的運動狀況。圖八中仿真結(jié)果顯示了風機負載的速度，轉(zhuǎn)矩以及速度－轉(zhuǎn)矩的相對關系。 圖八而圖九的仿真結(jié)果顯示了摩擦性負載速度，轉(zhuǎn)矩以及速度－轉(zhuǎn)矩的相對關系。 圖九因此，實際中的負載狀況比那個復雜，然而通過組合這些模型，差不多上能夠滿足要求。3．3機械裝置Saber中還提供了專門多機械裝置的模型，例如滑輪，卷軸，皮帶輪，齒輪等等。這些模型的要緊作用是實現(xiàn)一些變換：力的大小與方向，速度的大小與方向，以及平移系統(tǒng)與轉(zhuǎn)動系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。下圖中是一個提升裝置，其中的關鍵部件是卷軸，它實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩到牽引力的轉(zhuǎn)換過程，通過仿真，能夠得到卷軸的角速度，被提升重物的速度這些指標。3．4電機前面介紹的差不多上純機械的部分，然而我們的分析機械的目的是研究電機性能，Saber中提供了多種不同的電機模型：鼠籠電機，步進電機，直流永磁電機等等，因此，我們用的最多的是三相鼠籠電機。如下圖：在仿真中，它能夠?qū)崿F(xiàn)機電變量間的轉(zhuǎn)換，求出各相電流以及輸出轉(zhuǎn)矩。定義它的慣量，定子和轉(zhuǎn)子的每相電感，漏感，電阻，匝數(shù)等參數(shù)，能夠求出它每相電流，電壓以及輸出轉(zhuǎn)矩等。4．應用實例基于以上原理，saber能夠用同一個仿真器完成機電混合系統(tǒng)的分析，求解這些物理量，專門關于電力拖動系統(tǒng)，能夠完整的描述驅(qū)動電路到機械負載的工作情形。下面是一個典型的變頻器仿真事例――TD3000帶勢能負載在該圖左邊是電路單元，包括了三相逆變橋電路以及電流檢測，速度檢測電路；中間是三相電機完成機電轉(zhuǎn)換，以及實現(xiàn)空間矢量操縱邏輯的DSP算法操縱單元；右邊是機械部分，包含了傳動齒輪，卷揚裝置，阻尼，以及被提升的重物。從而對變頻器的電路，算法，機械特性進行全面的分析。通過仿真，能夠得到電路中各項參數(shù)，以及物體運動參數(shù)，如下所示：三相電流物體位移，電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過如此的仿真，我們能夠發(fā)覺勢能負載和恒轉(zhuǎn)矩負載關于電機性能有不同要求，并在此基礎上