[发明专利]机电联合仿真方法

摘要

本发明涉及一种机电联合仿真方法。其特征是，在UGNX下设计机电产品的机械部分，在Matlab/Simulink下设计电气部分，然后两者进行联合仿真，分析几点产品的动态特性。本发明使用联合仿真,可以将机械部分的物理特性和动力学特性更加全面地反映到控制系统中,使机电系统仿真的可信度更高。

主权项

1.一种机电联合仿真方法，其特征是，在UGNX下设计机电产品的机械部分，在Matlab/Simulink下设计电气部分，然后两者进行联合仿真，分析机电产品的动态特性；UGNX下的设计步骤是首先设计机械结构，然后进行机械结构运动学仿真，然后进入动力学协同仿真环境，然后设置输入驱动转矩的转动副，然后设置需要输出的检测参数，然后设置输入/输出的接口，然后求解得到Matlab/Simulink所需要的信息交互mdl文件；Matlab/Simulink下的设计步骤是首先选择电机类型，然后构建驱动器及控制策略，然后对电机位置、速度进行仿真，然后设置输出接口，然后添加UGNX下生成的机械结构模块，然后分析各种参数；UGNX下的设计具体步骤是UGNX采用8.0版本，1)启动UGNX，在“文件→实用工具→用户默认设置→运动分析→分析→ReccurDyn”中,“控制/动力学→MATLAB可执行文件”，通过浏览找到matlab.exe,确定后重新启动UGNX，使环境变量起作用；2)在UG的建模环境下建立一圆柱，直径50mm高度100mm，基点为绝对坐标(0,0,0)，轴向为Z方向，材料默认；通过“分析→测量体”测量圆柱的惯性矩Izc为480.48205267Kg.mm^2；也可手动计算转动惯量，对于圆柱形转动惯量，计算公式为其中M为圆柱体质量，可直接在软件中测量，其值为1.537542569Kg，D为圆柱体直径50mm，计算可得转动惯量为0.000480482kg·m²，与测量值一样；3)进入Motion模块，选择“动力学”分析类型，高级解算方案选择“协同仿真”；4)设置连杆，质量属性选择“自动”，系统会自动计算连杆的质心及转动惯量，其中Izz为480.482052673953Kg.mm^2，Izz为绕z轴的转动惯量，该值与步骤2)测量及计算的Izc值相同；5)设置运动副J001，选择旋转副，连杆为上述连杆，原点为连杆的圆心，也就是(0,0,0)点，矢量方向为Z方向；6)添加两个Plant输入：Pin_fuzai与Pin_T，前者是负载转矩，后者是电机的输出转矩，也就是机械系统的输入转矩；7)添加两个标量扭矩T_fuzai、T_input，扭矩的幅值采用“f(x)函数”的方法，把Pin_fuzai与Pin_T分别添加到扭矩中，即把Pin_fuzai添加至T_fuzai中，把Pin_T添加至T_input中；然后T_fuzai、T_input分别作用在步骤5)中所定义的旋转副；在定义函数的时候，从插入中选择“运动→工厂输入”，找到所选择的Plant输入，单位选择“sec”与“N‑m”；8)新建传感器Se001，传感器的作用是检测旋转副J001绕Z方向的加速度；9)新建Plant输出Pou_J001_AMAG，通过Pou_J001_AMAG把传感器Se001所对应的加速度传递给Simulink中；10)新建结算方案，分析类型为“控制/动力学”，时间0.5秒，分析步数为1000，然后求解，协同仿真主机程序为“Simulink”；11)通过以上步骤，在仿真当前目录下生成两个文件：*_Plant.m与*_PlantIO.m；在Matlab/Simulink中，电机及其控制系统建模步骤如下，Matlab版本为2012A；12)在Matlab中把工作目录设置为UGNX仿真文件所在目录，也就是*_Plant.m与*_PlantIO.m文件所在目录，运行*_Plant.m文件，得到NXMotion Plant Block；其中Pin_T是Simulink传递到UGNX中机械结构的输入转矩，Pin_FuZai是负载转矩，Pou_J001_AMAG是UGNX反馈给Simulink的角加速度；13)建立电机控制模型，电源采用三相交流电源，频率50HZ，电机采用Simulink中SimPowerSystems/Machines中的三相异步交流电机；电机参数为：额定功率3*746W、线电压220V、频率50HZ、定子电阻0.435Ω、定子电感2*2.0e‑3H、转子电阻0.816Ω、转子电感2.0e‑3H、互感69.31e‑3H、转子转动惯量0.089Kg.m^2、摩擦系数0、极对数2、初始状态[1,0 0,0,0 0,0,0]；14)输出电机转速与电机转矩，电机输出的转速Mecnanical.Rotor Speed(ω/m)，然后转化为常用的转/分量纲；输出转矩Mechanical.Electromagnetic torque Te(N*m)，电机输出的转速和输出转矩分别连接示波器；15)根据动力平衡原理，对于机构输入轴有为角速度，其中负载转矩T'预设值为20N.m，转动惯量直接从UGNX软件中测量，因为是绕Z轴，所以只需要测量Jz，Jz为绕转轴z的转动惯量其值为480.482052673953Kg.mm^2，而Simulink中电机转子也有转动惯量，因此电机实际输入的转动惯量为两者之和，所以UGNX中机构的转动惯量，必须加上电机转子的转动惯量，因此自定义Izz为两者之和，也就是480.482052673953+89000Kg.mm^2；16)把电机输出转矩连接到NXMotion Plant Block中Pin_T输入，把预设值为20的负载转矩连接到Pin_fuzai，Pou_J001_AMAG为机械结构角加速度，与转动惯量求积后与负载转矩相加，一起作为电机的输入转矩，形成闭环；17)把NXMotion Plant Block中Dynamic Model的NXMotion_step修改为1000，使UG的仿真精度与Simulink相同；18)设置仿真时间为0.5秒，运行仿真。