仿真在机械运动系统中的应用cfsq.docx

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1、仿真在机机械运动动系统中中的应用用1摘要要11背背景与目目的电路仿真真和控制制算法仿仿真已经经广泛应应用于变变频器开开发过程程当中，但但是负载载特性描描述的比比较简单单，通常常为一般般的恒定定转矩负负载，但但是实际际应用中中机械负负载的状状况要复复杂很多多，为了了准确评评估变频频器在不不同工作作条件下下的性能能，本研研究报告告的目的的在于研研究Saaberr中关于于机械仿仿真的基基本原理理和方法法，以及及在公司司变频器器开发中中的应用用，实现现通过仿仿真模拟拟不同负负载条件件下变频频器工作作状况，为为性能优优化提供供参考。1 2关键词词KCL,KVLL,对偶偶，力，转转矩，位位移，角角速度2机

2、械械仿真的的基本原原理Sabeer是一一种基于于KCLL定理和和KVLL定理进进行仿真真的仿真真器，除除了可以以分析电电路以外外，它还还可以对对于流体体，机械械运动进进行分析析，其中中对于机机械物体体运动的的分析，可可以被应应用在变变频器负负载特性性的分析析当中。简简单说明明如下。21 机械与与电的对对偶关系系机械系统统与电路路分析的的对象一一样，可可以分为为支路和和节点，一一个器件件两个端端点之间间是一个个支路，而而几个器器件的连连接点就就是一个个节点。两两个节电电之间的的物理量量之差被被称为“Acrrosss Vaariaablee ”，而穿穿过一个个支路的的物理量量被称作作“Thrrou

3、ggh VVariiablle”。对于于电路仿仿真而言言，“Acrrosss Vaariaablee ” 是某某个节点点的电压压，“Thrrouggh VVariiablle”是某个个支路的的电流，而而机械系系统仿真真中，“Acrrosss Vaariaablee ” 是节节点的位位移（或或者转动动角度，角角速度），“Through Variable”是支路的力(或者转矩)。他们同样都满足KCL与KVL定理，具有物理意义上的对偶关系。简单说明如下。对于图中中的节点点，有如如下公式式：I1+II2+II3=00其中Inn为流过过各个支支路的电电流。（这这里有一一个参考考 方向问题题，决定定该物理

4、理量的符符号，后后同）图 一 电路的KKCL定定理对于机械械系统的的KCLL定理，则则表示如如下。 对于图中中的节点点，有如如下公式式：f1+ff2+ff3=00其中fnn应该为为来自各各个方向向的作用用力，这这个定理理的基本本含义就就是作用用于某个个点上面面的各个个方向力力量之和和为零。具具体到这这个例子子当中，ff1表示示物体的的重力，ff2表示示绳子的的拉力，二二者之差差f3，在在物体上上面产生生加速度度。电路的KKVL定定理，如如图三：对于图中中所示的的闭合回回路，有有如下公公式： V11-V22-V33=0 即各个支支路端电电压之和和为零。机械运动动的KVVL定理理，如图图四对于图中

5、中所示的的一个闭闭合回路路，有如如下公式式：lp1+lp22+lpp3=00其中lppn表示示各个支支路两端端的相对对位移。对于旋转转机械运运动系统统，也有有同样的的等式，不不过对象象由力和和位移对对应为转转矩和角角度。 3常常用模型型以及基基本仿真真方法Sabeer中提提供的机机械运动动模型可可以分为为两大类类，平移移运动和和转动。它它们的差差别主要要在于变变量类型型的不同同，转动动系统的的模型中中变量是是转矩，角角度，角角速度，角角加速度度；平移移系统的的模型变变量是力力，位移移，速度度，加速速度。等等等，但但是他们们之间有有很强的的对偶特特性，这这部分主主要以一一些简单单例子，说说明SA

6、ABERR中机械械仿真的的基本思思路。并并尽量应应用和电电路仿真真对偶的的方法进进行讲解解。 311源 电路路仿真中中由电压压源和电电流源描描述各种种激励，对对于于机机械系统统中，对对偶的源源如下：电路 电压源源 电流流源平移系统统 力源源 位移源源转动系统统 转矩矩源 角角度源这些源有有各种不不同形式式：恒定定，脉冲冲，正弦弦，斜坡坡等等，其其中最常常用的是是平移系系统中的的力源和和转动系系统中的的转矩源源，举例例说明如如图五在 图 五上面的图图形中，左左边表示示一个重重力作用用于一个个物体的的情况，右右边表示示一个转转矩作用用于一个个转动惯惯量的情情况。他他们分别别满足以以下的公公式：加速

7、度力/质质量 角加加速度转矩/转动惯惯量而仿真输输出的结结果分别别是节点点的位移移，速度度和转动动角度，角角速度，如如图六 图图 六32 负载电路仿真真中，电电阻，电电容，电电感以及及各种半半导体器器件都可可以被视视为电路路当中的的负载，他他们对于于作用在在上面的的电压和和电流有有不同响响应，从从而导致致电路中中这些物物理量产产生变化化。同样样的道理理，机械械运动系系统的仿仿真中，也也有各种种各样的的负载状状况，例例如风机机负载，恒恒转矩负负载，摩摩擦，粘粘滞等，他他们对于于不同的的转矩（或或者力）和和角速度度，角度度（或者者位移）也也产生不不同响应应，当然然也包括括前面提提到的转转动惯量量。

8、 Sabber提提供了常常用的负负载模型型，我们们只需要要输入一一些常用用参数，就就可以得得到他们们的仿真真结果。以图七为为例： 图 七七左图中显显示一个个风机负负载，而而右图显显示一个个摩擦性性负载，通通过定义义他们的的参数，可可以得到到他们对对于在相相同输入入转矩和和转动惯惯量情况况下的运运动状况况。图八中仿仿真结果果显示了了风机负负载的速速度，转转矩以及及速度转矩的的相对关关系。 图 八而图九的的仿真结结果显示示了摩擦擦性负载载速度，转转矩以及及速度转矩的的相对关关系。 图 九当然，实实际中的的负载状状况比这这个复杂杂，但是是通过组组合这些些模型，基基本上可可以满足足要求。33机机械装置

9、置 Sabber中中还提供供了很多多机械装装置的模模型，例例如滑轮轮，卷轴轴，皮带带轮，齿齿轮等等等。这些些模型的的主要作作用是实实现一些些变换：力的大大小与方方向，速速度的大大小与方方向，以以及平移移系统与与转动系系统之间间的转换换。 下图中是是一个提提升装置置，其中中的关键键部件是是卷轴，它它实现转转矩到牵牵引力的的转换过过程，通通过仿真真，可以以得到卷卷轴的角角速度，被被提升重重物的速速度这些些指标。34电电机前面介绍绍的都是是纯机械械的部分分，但是是我们的的分析机机械的目目的是研研究电机机性能，SSabeer中提提供了多多种不同同的电机机模型：鼠笼电电机，步步进电机机，直流流永磁电电机

10、等等等，当然然，我们们用的最最多的是是三相鼠鼠笼电机机。如下下图：在仿真中中，它可可以实现现机电变变量间的的转换，求求出各相相电流以以及输出出转矩。定定义它的的惯量，定定子和转转子的每每相电感感，漏感感，电阻阻，匝数数等参数数，可以以求出它它每相电电流，电电压以及及输出转转矩等。4应用用实例 基于于以上原原理，ssabeer可以以用同一一个仿真真器完成成机电混混合系统统的分析析，求解解这些物物理量，特特别对于于电力拖拖动系统统，可以以完整的的描述驱驱动电路路到机械械负载的的工作情情况。下面是一一个典型型的变频频器仿真真事例TDD30000带势势能负载载 在该图图左边是是电路单单元，包包括了三三

11、相逆变变桥电路路以及电电流检测测，速度度检测电电路；中中间是三三相电机机完成机机电转换换，以及及实现空空间矢量量控制逻逻辑的DDSP算算法控制制单元；右边是是机械部部分，包包含了传传动齿轮轮，卷扬扬装置，阻阻尼，以以及被提提升的重重物。从从而对变变频器的的电路，算算法，机机械特性性进行全全面的分分析。通过仿真真，可以以得到电电路中各各项参数数，以及及物体运运动参数数，如下下所示：三相电流流物体位移移，电机机转矩和和转速通过这样样的仿真真，我们们可以发发现势能能负载和和恒转矩矩负载对对于电机机性能有有不同要要求，并并在此基基础上面面进行控控制参数数的优化化。5总结结1：机械械系统仿仿真功能能的应用用，对于于更好的的理解和和深入研研究变频频器系统统在不同同负载状状况下的的性能具具有重要要的参考考意义，其其根本目目的在于于改进算算法。2：对于于组合负负载的理理解与应应用，例例如对于于一个电电梯，它它可能要要用到阻阻尼，弹弹簧等多多种负载载组合描描述他的的机械运运动特性性，理解解这些模模型特性性是准确确仿真的的前提。