對大多數(shù)工程師說“模擬”這個詞，就會想到運算放大器、功率器件、I/O 或信號調(diào)理電路。但是，如果我們包括由連續(xù)變量和行為描述的所有內(nèi)容，例如，“機械”方面，則電路之外的系統(tǒng)也充滿了“模擬”。“機電一體化”一詞是指結(jié)合電子和機械元件的技術(shù)，包括在接口處執(zhí)行的電機和傳感器。

在這篇文章中，我想展示一些可以在 SystemVision Cloud(一個免費的在線原理圖捕獲和仿真平臺)中建模和仿真的機電一體化系統(tǒng)示例。這些示例不僅展示了模擬電路設(shè)計，還展示了外部系統(tǒng)的關(guān)鍵元素，包括控制、電機/執(zhí)行器和動態(tài)機械負載，這些對于理解整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。這些示例還展示了設(shè)計過程的早期“概念探索”與后期“實施驗證”階段。

第一個設(shè)計示例展示了步進電機控制負載角度的能力，而不是通過使用旋轉(zhuǎn)角度傳感器進行反饋，而是通過簡單地計算步數(shù)。在這種情況下，向前走八步，然后在反向走兩步，每秒鐘重復(fù)一次這個循環(huán)。

可以看到負載角(棕色波形)根據(jù)方向控制信號(淺藍色波形)和 100ms 周期性時鐘輸入(未顯示)的命令而增加和減少。但是在第二個循環(huán)的第四個階段，上發(fā)條的扭矩超過了步進電機的能力，導(dǎo)致它突然“回彈”到一個負角，低于初始起點!這個“戲劇性”的結(jié)果說明了在設(shè)計電機及其控制電子設(shè)備時需要包括所有相關(guān)的“系統(tǒng)環(huán)境”。

請注意，電機相電流的切換順序(紅色和深藍色波形)反映了驅(qū)動開關(guān)在正向和反向方向上的順序。在設(shè)計過程的這個階段，我們正在嘗試探索和驗證正確的開關(guān)順序、足夠的電機失速扭矩、步進振鈴/穩(wěn)定時間，以及可能的最大步進速率限制。這些設(shè)計方面不需要詳細的功率 MOSFET 開關(guān)和復(fù)雜的柵極驅(qū)動電路來進行正確評估，因此正在使用理想的數(shù)控開關(guān)，因為它們通常允許更快的仿真。

第二個設(shè)計示例擴展了交互技術(shù)的范圍，包括更詳細的模擬和數(shù)字電子以及流體方面。該系統(tǒng)包括一個直流電機/泵/壓力調(diào)節(jié)器、一個電流體燃料噴射器和一個調(diào)節(jié)噴射器電流的混合信號驅(qū)動電路。

該設(shè)計顯示了在噴射開始后降低噴射器驅(qū)動電流的能力，以提高效率。這利用了電磁體共有的特性，即“保持”磁體閉合所需的電流比初始“拉入”所需的電流低。左上角顯示的仿真結(jié)果包括指令的噴油器電流設(shè)定點(深藍色波形)和由功率 MOSFET 的 PWM 開關(guān)調(diào)節(jié)的實際電流(橙色波形)。電流設(shè)定點最初設(shè)置為 3.0A，但在 10 毫秒后降至僅 1.3A 以保持不變。

右上角顯示的結(jié)果包括在拉入和釋放循環(huán)期間噴油器入口處的調(diào)節(jié)壓力(綠色波形)和噴油器柱塞位置(洋紅色波形)。壓力調(diào)節(jié)泵和噴油器組件模型(陰影區(qū)域)都是通過“組裝”更原始的關(guān)鍵物理效應(yīng)模型來創(chuàng)建的。對于泵，這包括直流電機、理想的定量泵和旁通閥。噴射器模型包括電磁鐵、彈簧/質(zhì)量/阻尼器和行程限制硬停止，以及噴射閥和代表噴嘴的固定孔。噴嘴流量(淺藍色波形)被整合，以使輸送到發(fā)動機的燃料量(紅色波形)成為噴射事件的關(guān)鍵性能指標。

理想情況下，該加油量僅取決于指令噴射時間的持續(xù)時間。但在

實際上，它還取決于驅(qū)動電路和噴油器的動態(tài)響應(yīng)、泵的調(diào)節(jié)壓力等因素。觀察和分析這些多學(xué)科相互作用的能力對于此類機電系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要。

在最后一個示例中，我們著眼于系統(tǒng)開發(fā)過程開始時可能發(fā)生的設(shè)計概念探索。該示意圖代表了一個驅(qū)動簡單機械負載的永磁同步電機 (PMSM)，該電機還包括一個發(fā)條彈簧以測試機器的扭矩能力。驅(qū)動電子設(shè)備的細節(jié)尚未確定，因此連續(xù)的 Clarke/Park 轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用理想的正弦相電壓并讀取電機的相電流。淺藍色波形是測試指令的正交電流(Iq，“轉(zhuǎn)矩電流”)。橙色波形顯示了相應(yīng)的負載軸角度響應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)下，由于彈簧的原因，它與電機扭矩成正比(胡克定律)。此外，還顯示了電機內(nèi)部轉(zhuǎn)矩和 A 相電流(分別為綠色和深藍色波形)。

因為控制模型是連續(xù)的，所以仿真運行得非常快。此版本對于整體設(shè)計性能的系統(tǒng)級評估很有用。但是，您也可以探索此設(shè)計的后期版本，其中包括理想開關(guān)并在此處驗證驅(qū)動它們的空間矢量調(diào)制算法：PMSM 電機和 PWM 驅(qū)動器1。另一個具有完整驅(qū)動電路實現(xiàn)的版本，其中可以分析功率 MOSFET 開關(guān)的應(yīng)力水平。

總之，模擬電子在機電一體化系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是，有效的設(shè)計過程必須包括對多種交互技術(shù)的整體視圖。它還必須支持從早期/抽象/概念到最終/具體/詳細實施的發(fā)展進程，并在每個階段進行適當(dāng)?shù)姆治龊蜋?quán)衡評估。