基于Simplorer的永磁直流电机控制

1 概述

Ansys Simplorer是直观易用、多物理域、多层次的系统仿真软件，能够帮助工程师实现复杂的高精度快速设计、仿真分析与优化设计，包括：电机、电磁、电源和其它机电一体化系统。Simplorer提供集成化的设计环境，满足客户对复杂系统，如：机电部件、电力电子线路、系统级机电控制等，进行高精度建模和仿真分析，并考虑部件和系统的相互影响的需求。强大的虚拟仿真技术，可帮助用户深入研究产品设计的每个方面，是开发复杂的电力推动系统、电机及驱动系统、以及新能源系统理想的设计工具，能在快速实现高精度设计的同时，降低设计成本。

本文将构建一个简单的AC/DC 二极管整流器，为直流永磁电机供电，同时还将构建一个完整的控制方案，用于在启动和突然负载变化的情况下驱动电机，对永磁直流电机进行控制。

通过本文的学习，读者将了解到以下内容：

(1)如何创建和使用数据集来指定组件属性;

(2)如何在没有物理线连接的情况下连接组件;

(3)如何在组件之间传递信息;

(4)如何使用不同的块体来创建复杂的控制结构;

(5)如何在同一图中绘制不同的数据(信号)。

2 实现方法

首先插入一个Simplorer的设计。启动 Electronics Desktop，将项目另存为 WS_2_1.aedt，使用图标 插入Simplorer设计，将设计重命名为DC_Motor_Control，使用图标 再次保存项目。

项目另存为 WS_2_1.aedt

设计重命名为DC_Motor_Control

接着插入元件──电压源。

在组件库窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Sources，选择E:Voltage Source，将其拖放到Schematic中三次，双击电压源 Voltage Source E1, 选择TimeControlled>>Sine 使其成为正弦波，勾选Spice兼容，选择RMS Value 值为 120Vac 频率选择 60Hz, 按OK确认，对E2和E3重复该过程，分别添加相位120度和240度。

Voltage Source

设置为Sine

添加120度位

接着插入元件──二极管。

在组件库窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Semiconductor system Level，选择二极管，将其拖放到原理图中七次，按Esc键退出插入模式并使用快捷键 Ctrl+D 来适应所有。

插入二极管

接着插入元件──电容器

在组件库窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>> Circuit>>Passive Elements，选择电容器，将其拖放到原理图中，按Esc键退出插入模式，双击电容器，将值更改为1mF，在可见性下的输出/显示选项卡中选择电容值。

Passive Elements

插入电容器

电容值更改为1mF

在可见性下的输出/显示选项卡中选择电容值

接着插入元件──直流电机

选择SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>ElectricalMachines>>DC Machine，选择DCMP，将其拖放到示意图中，按Esc 退出插入模式。使用3次快捷键 Ctrl+R 将 DCMP 组件逆时针旋转270度，双击DCMP并设置RA=1.2ohm，LA = 9.5mH，KE=0.544Wb，J=0.004kgm2，如下图所示。

插入直流电机DCMP

DCMP参数设置

接着插入零部件──半导体开关(Mosfet)

在组件库窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Circuit>>Semiconductor system Level，选择 Mosfet (MOS)，将其拖放到 Schematic中，选择MOS并使用快捷键 Ctrl+R将其逆时针旋转90度，确保使用Pin被选中。

插入半导体开关(Mosfet)

确保使用Pin被选中

接下来连接组件。

将鼠标放在组件的一个终端上，鼠标指针的形状变为十字形，按下 LMB 并移动十字直到下一个组件的连接端子。添加Ground节点，单击图标

， 并将其放入Schemaic，连接所有组件，直到完成如图所示的电路。

连接端子

驱动电路

接下来创建数据集。

现在将创建一个数据数组，用于表示直流电机负载扭矩。在库窗口Simplorer Elements>>Basic Elements>>Tools>>TimeFunctions，选择DATAPAIRS组件，将其拖放到Schematic中，双击DATAPAIRS块，将名称更改为TorqueLoad，然后单击Characteristic按钮。选择数据集...按钮，然后添加(创建新数据集)。

名称更改为TorqueLoad

单击Datasets

单击Add

将名称更改为Tload并根据以下内容输入时间/值对：

0 1

0.075 1

0.08 10

0.1 10

输入时间/值对

点击“确定”，然后“完成”，然后再“确定”，然后，点击确定退出所有窗口。

接下来向直流电机添加新的负载转矩。

再次双击TorqueLoad表查找块，选择输出/显示选项卡，取消选中输出值VAL的输出显示引脚框。双击DC Motor组件并将负载输入定义为刚刚创建的指定TorqueLoad.VAL的表查找块的输出。

取消选中输出值VAL的输出显示

负载定义为TorqueLoad.VAL

接下来添加控制方案。

控制方案由外部SpeedControl回路和内部Current Control 回路组成。这两个控件有不同的目标，其中速度控制将电机驱动到1000rpm的固定速度，电流控制使电流不超过最大值，将其限制在20A左右的±2.5A范围内，要实现的完整方案如下图所示。

外部Speed Control回路和内部Current Control回路

接下来插入控制逻辑模块。

在组件库窗口中SimplorerElements>>Basic Elements>>Blocks>>Continous Blocks，选择GAIN块并将其拖放到Schematic中3次，选择INTG(积分器)块并将其拖放到原理图中。在组件库窗口中Simplorer Elements>>BasicElements>>Blocks>>Sources Blocks。选择CONST(常量值)块并将其拖放到原理图中，在组件库窗口中Simplorer Elements>>BasicElements>>Blocks>>Signal Processing Blocks，选择 SUM块并将其拖放到Schematic中3次，选择TPH (Two-Point Element with Hysteresis) 块并将其拖放到Schematic中，选择LIMIT(限制器)块并将其拖放到Schematic中，将10个块排列如下图。

外部Speed Control回路和内部Current Control回路所需元器件

接下来设置组件可见性和属性。

为了在原理图上获得更好的组件可见性，建议检查高级属性转到菜单项Tools>>Options>>General Options>>SchematicEditor>>General 最终选中“显示高级属性数据”。在Tools>>Schematic Editor >>Fonts选择所需的字体类型和字体大小。 您还可以选中“应用此字体...活动原理图”框来修改已放置在原理图上的元素的可见性。准备好后，点击OK。

显示高级属性数据

Fonts字体设置

接下来对齐组件。

为了使模块方案和一般每个电路更具可读性，使用Simplorer提供的对齐功能通常很有帮助，要水平对齐元素/块，首先选择要对齐的元素/块，然后转到菜单项 Draw>>Align Horizontal，要垂直对齐元素/块。先选择要对齐的元素/块，然后转到菜单项Draw>>Flip Vertical。

Align Horizontal与Flip Vertical

接下来修改增益模块属性。

双击GAIN1并将名称更改为Motor_speed，在Output/Display Tab, 不勾选Show Pin 而选INPUT，在参数选项卡INPUT设置为DCMP1.N(DC Motor Speed)，KP设置为1，TS为0。

GAIN1(Motor_speed)双击GAIN2并将名称更改为Proportional_Gain，在参数选项卡KP设置为50。

GAIN2(Proportional_Gain)

双击GAIN3并将名称更改为Motor Current，在Output/Display Tab, 不勾选Show Pin而选择INPUT，在参数选项卡INPUT设置DCMP1.IA (DC Motor Current)，KP设置为1，TS设置为0。

GAIN3(Motor_current)

接下来修改求和模块属性。

按Ctrl键选择SUM1、SUM2和SUM3，执行RMB>>Flip Vertical，双击SUM1并将INPUT[0]的符号设置为“-”，保持SUM2不变，双击SUM3并将INPUT[1]的符号设置为to “-”。

SUM1

SUM3

接下来修改常量模块属性。

双击CONST1并将名称更改为N_REF，将值给定为1000。

常量模块

接下来修改INTG积分模块属性。

双击INTG1并将名称更改为Integral_Gain，在参数选项卡中将KI给定为20。

INTG积分模块

接下来修改限制模块属性。

双击LIMIT1并将名称更改为Limiter，在参数选项卡中，将UL给定为20，将LL给定为0。

限制模块

接下来修改TPHBlock (Schmitt Trigger) 模块属性。

双击TPH并将名称更改为Control_Output，在参数选项卡中，将THRES1给定为-2.5，将THRES2给定为2.5，将VAL1给定为-1，将VAL2给定为1。

TPH Block(Schmitt Trigger)模块

接下来连接模块和控制方案。

按下入进行10个模块的连接。

连接10个模块

将Control_Output模块连接到Mosfet的门级。

Control_Output模块连接到Mosfet的门级

接下来进行后处理准备。

选择菜单Draw>>Report>>RectangularPlot，并将绘图放置在原理图中，如放在电路上方，此时会自动弹出New Trace窗口，用户可通过选择数量来选择流经DCMP电机的电流 DCMP1.IA，单击“Add Trace”按钮，然后单击“Close”关闭。

Rectangular Plot放置在电路上方

选择DCMP电机的电流 DCMP1.IA

接下来设置模拟分析。

在本示例中，由于使用的控制技术，无法轻松预测 Mosfet 开关频率，为了确保以适当的方式表示所有可能的瞬态，在这种情况下，我们为Hmin和Hmax设置了非常小的值。在瞬态分析设置窗口中，给定Tend为120ms，给定Hmin为1ns，给定Hmax为1ms，点击OK键确认。

瞬态分析求解设置

最后进行分析与结果的查看。

选择菜单SimplorerCircuit>>Analyze运行分析，流经直流电机的电流的最终结果应与下图非常相似。

电流结果

选择图表报告RMB>>ModifyReport，选择参数DCMP1.N与TorqueLoad.VAL同时按下Add Trace，得到如下结果。

电流、转速、转矩结果

用户需要注意的是，当电机加速到所需速度时，电机电流将受到限制，一旦电机达到所需速度，电机电流就会降低以保持速度，当转矩负载再次增加时，它会导致电机电流增加以支持增加的转矩负载，以保持速度恒定。

此Workshop到此结束，最后，在工作文件夹中保存名为WS_2_1 的文件。

3 总结

本文以永磁直流电机为例，介绍了基于Simplorer的电机控制模型。我们建立了一个简单的 AC/DC 二极管整流器，为直流永磁电机供电，同时还构建了一个完整的控制方案，用于在启动和突然负载变化的情况下驱动电机，来对永磁直流电机进行控制。Simplorer强大的虚拟仿真技术，可帮助用户深入研究产品设计的每个方面，是电机及驱动系统、以及新能源系统理想的设计工具，能在快速实现高精度设计的同时，降低设计成本。

审核编辑：汤梓红