行业应用方案 | 机电一体化多学科系统

Ansys 行业应用方案连载（12） | 机电一体化多学科系统

从家用电器到工业设备，从电动玩具到舰船飞机，我们身边充满着各式各样的机电产品。机电一体化技术不是机械技术、微电子技术、信息技术的简单组合和拼凑，而是机械动力、电力电子、自动控制、软件信息等技术有机结合的系统集成与融合。

随着各学科技术的发展，机电一体化多学科系统目前正朝着高性能、高可靠、高集成、高智能的方向发展，而与此同时也带来了技术领域严峻的挑战。高性能意味着精度提升和功率增大，随之而来的是棘手的功耗和散热问题；高集成意味着更小尺寸，这对EMC/EMI问题带来更大挑战；高智能意味着控制算法和代码的完善，但同时也表示对软件代码复杂度和安全可靠性有更高要求。

机电产品生产厂家面临的挑战却不止于此，更有同行竞争者带来的压力，所以必须缩短研发周期、降低产品成本和提高产品性能。随着计算机技术和仿真技术的发展，仿真模型能够实现对实际产品的高保真度，减少了对产品的迭代设计周期，在仿真中优化产品设计，降低产品成本的同时提升产品的性能。

机电一体化多学科系统仿真技术的发展，更是解决了各专业学科协同性在产品仿真中的问题，提高了对复杂机电产品性能分析的效率，为机电一体化系统的改进设计提供技术支持与效果分析。

对于机电一体化多学科系统所面临的技术挑战，Ansys提供了完整的解决方案。针对机电产品中的各部件，Ansys各学科仿真工具能够提供准确的3D仿真模型，并通过领先的降阶模型技术（ROM），将部件模型添加到系统仿真工具中，同时Ansys支持Modelica与VHDL-AMS等多学科建模语言，用以搭建仿真系统。场路协同仿真的方法既保证了部件模型的高精度，又满足了系统仿真的快速性要求。

电驱动系统作为电动汽车的核心技术之一，主要包括动力输出的驱动电机、电能变换的功率变换器（逆变器）以及实现控制算法的控制系统。

• 驱动电机模型建模

• 半导体器件特征化建模

• 驱动电路模型搭建

• 电缆模型建模

• 寄生参数抽取

• 驱动负载建模

• 控制算法实现

由机电惯性器件为核心组成的机电惯性仪表与系统是海陆空天各装备导航制导的核心系统，在深空探测、海洋开发、机器人、无人机等民用领域也至关重要。

• 力矩发生器

• 陀螺电机

• 角度/位置传感器

• 陀螺仪

• 线缆线束布局设计

工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。

• 机械结构系统

• 驱动系统

• 感知系统

• 控制系统

• 机器人-环境交互系统

• 人机交互系统

更高精度和更快速的多学科协同仿真

为了方便用户快速构建机电一体化多学科系统，Ansys Twin Builder将多域系统建模器的强大功能与广泛的0D应用程序特定库、3D 物理求解器和 ROM 功能相结合，既保证模型的高精度，同时保证系统仿真的快速性，完成多学科信息的交互仿真。

• 通过Maxwell、Mechanical、Fluent等Ansys物理场仿真工具搭建高精度的部件3D模型，使用Ansys领先的降阶模型技术生成ROM模型，导入至Ansys Twin Builder中，既可以保证精度又能够提高仿真速度

• 支持Modelica、VHDL-AMS等多学科建模语言，搭建系统中机械、电子、电力、液压、热交换等模型，实现机电一体化多学科系统中各部件模型的搭建

• 支持FMI标准接口，与其他软件进行联合仿真，如与Ansys Motion通过FMI进行联合仿真，实现机械臂系统的动态仿真；将SCADE生成的高安全级别代码嵌入机电系统中，实现软硬件联合仿真

Ansys在机电一体化多学科系统的解决方案能建立无限接近物理实际的机电系统，对系统中的电磁设备、执行机构、互联机构、控制算法、代码安全性进行全面的设计、仿真和分析，在搭建机电系统之前对整个系统进行性能分析与优化。此外可以将系统模型与实际物理系统进行数据信息传递，搭建机电系统的数字孪生体 (Digital Twin) ，进而进行预测性维护。