2. Компьютерные технологии проектирования электроприводов

Использование численных и аналитических методов при исследовании сложных систем и стремительное развитие вычислительной техники сопровождалось выпуском программных математических пакетов, позволяющих решать системы линейных, нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, а также выполнять многие наиболее применяемые математические операции. К таким программам относятся следующие системы: MathCad, MatLab, Maple, Mathematica.

К современным универсальным пакетам можно отнести следующие системы схемотехнического моделирования: MicroCap; интегрированный программный комплекс проектирования аналоговых, цифровых и аналого-цифровых устройств Design Lab; специализированную систему моделирования сложных динамических систем с непрерывным и дискретным временем Simulink, входящую в систему MatLab.

Признанным мировым лидером в области схемотехнического моделирования электрических и электронных цепей является программа PSpice, первая версия которой была разработана корпорацией Micro Sim в 1984 г. В настоящее время программа PSpice входит в состав систем OrCAD 9.1 (или более ранней системы Р-CAD) и Micro Sim Design Lab 8.0 [19].

В программе PSpice имеются встроенные математические модели типовых компонентов аналоговых устройств, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители, конденсаторы, катушки индуктивности, управляемые и независимые источники тока и напряжения, управляемые ключи и т.п.

Моделирование электромеханических объектов с помощью программы PSpice можно осуществить на основе метода электроаналогии. При этом для всех элементов электромеханических систем необходимо составить эквивалентные электрические схемы [14].

Известное уравнение движения одномассовой электромеханической системы имеет вид

, (9.1)

где - электромагнитный момент двигателя; - статический момент трения и нагрузки; - момент инерции подвижных частей; - частота вращения ротора.

На основании метода электроаналогии уравнению (9.1), описывающему одномассовую электромеханическую систему, можно поставить в соответствие уравнение, описывающее процессы в электрической цепи, содержащей источники тока и емкость:

. (9.2)

Эквивалентная схема одномассовой электромеханической системы представлена на рис. 65.

Управляемый источник тока осуществляет моделирование электромагнитного момента, источник тока моделирует статический момент, емкость конденсатора должна быть численно равна моменту инерции .

Рис. 65.

Наличие фиктивного сопротивления большой величины необходимо для обеспечения условий расчета. При его отсутствии программа PSpice считает данную цепь короткозамкнутой, и расчет не производится. Напряжение между узлами 1 и 0 численно равно частоте вращения ротора [14].

Очевидно, что применение метода электроаналогии и отсутствие библиотек с описанием электрических машин вызывает определенные затруднения при моделировании электроприводов с помощью программы PSpice. В связи с этим при моделировании электроприводов наиболее целесообразно использовать пакет MatLab, первая версия которого была разработана более 20 лет назад. Название пакета происходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость смены поколений вычислительной техники, MatLab успевал впитывать все наиболее ценное и важное из них. В настоящее время MatLab представляет собой богатейшую библиотеку функций [7].

Для облегчения работы с пакетом специалистам различных областей науки и техники вся библиотека функций разбита на разделы. Те из них, которые носят наиболее общий характер, входят в состав ядра MatLab. Те же функции, которые являются специфическими для конкретной области, включены в состав пакетов расширения (Toolboxes).

Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов. Используя их, можно исследовать практически любую систему. Существует возможность настройки параметров практически для всех блоков.

Вся библиотека Simulink разбита на восемь разделов:

1) непрерывные блоки (Continuous);

2) дискретные блоки (Discrete);

3) функции и таблицы (Function & Table);

4) математические функции (Math);

5) нелинейные блоки (Nonlinear);

6) сигналы и системы (Signals & Systems);

7) виртуальные приборы для наблюдения и регистрации процессов (Sinks);

8) источники сигналов (Sources).

Дополнительные пакеты прикладных программ охватывают практически все проблемы проектирования систем автоматического управления.

Наиболее важным для исследования электромеханических систем является пакет Power Systems Bloskset [7]. Содержащаяся в его составе библиотека Powerlib2 разбита также на восемь разделов:

1) источники электрической энергии (Electrical Sources);

2) пассивные силовые элементы (Elements);

3) силовые электронные элементы (Power Electronics);

4) электрические машины (Machines);

5) блоки связи (Connectors);

6) блоки измерений (Meassurements);

7) дополнительные библиотеки (Extras);

8) демонстрационные программы (Demos).

Более подробные сведения о работе с пакетом MatLab 6.1 и его библиотеками приводятся в [7]. Следует отметить, что названия некоторых библиотек, приводимые в данном разделе, могут отличаться от названий, приводимых в версии пакета MatLab 6.1, установленной у читателя.

Существенным является и то обстоятельство, что моделирование на PSpice и MatLab может быть осуществлено также в сети Internet.