应对机电系统设计的复杂性

  公司：ABB

  设计挑战：解决自动化行业的重大挑战

  软件解决方案：modeFRONTIER

  收益：

• 利用基于优化的开发来处理自动化和控制系统带来的复杂性

• 最大限度地提高机电产品性能，满足可靠性要求并减轻整体环境影响

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1.机器人系统设计

工业挑战

工业机器人是一种复杂的系统，包括硬件和越来越多的软件组件。必须仔细规划子系统设计（齿轮箱、电机、传感器和制动器）和机器接口、安全集成、现场总线、PCBA、电源和驱动模块等元件之间的相互作用，以确保最佳性能。多年来，成本压力使机器人在物理规格方面成为一种商品。在众多设计挑战中，对更轻部件的需求导致刚度降低，使控制问题更加复杂。此外，许多第三方接口需要集成，并且产品必须符合软件、电气和机械质量标准。

ABB经验

在ABB旗舰机器人之一的Twin Robot Xbar Press Tending 机器人系统中，工程师考虑了18个设计变量（代表齿轮扭矩、电机扭矩和电机速度），并在modeFRONTIER中管理目标和约束，仅通过改变软件组件，就可实现12%的节能。“我们对这个机器人进行了30年的‘手动’优化，它是最常用的机器人之一。借助modeFRONTIER，我们能够确定一种新的设计，无需实施成本，只需更改软件配置即可在不影响性能的情况下节省12%的能源。显然，这是手工无法完成的事情，你需要一个优化软件来完成。”ABB全球研发经理Wappling博士说。

机电一体化设计的复杂性演变历史

收益

“随着仿真包含越来越多的系统，而不仅仅是组件，管理机电一体化的能力变得越来越重要：机械、电子和软件的影响都需要考虑在内。”Wappling继续说。ESTECO technology紧跟不断发展的研发需求，为设计师提供灵活的环境，以处理复杂系统分析的每一个微妙步骤。如本机器人案例所示，在仿真框架中插入虚拟控制模型可使设计者应用优化方法，校准软件并确定零成本解决方案。

2.中压重合闸的多目标优化

挑战

中压重合闸现在是一种重要的电 保护装置，它连接不同的电 电源，提高 络/电 的可靠性，并使架空线路自愈和自动重新配置方案的实施成为可能。随着可再生能源的高度普及，中压电 正在向双向发展。因此，相关的开关设备必须确保对新型电力系统以及新型负载的保护。由于上述原因，中压重合闸的优化设计对于实现出色的开关能力非常重要。中压重合器的开关能力可能会受到各种参数的影响，例如负责打开和关闭装置的驱动能量。因此，为了最大限度地延长重合闸的使用寿命，必须建立优化控制，尤其是与驱动能量相关的控制。多目标优化的目标是确定关闭和打开操作的最佳驱动能量控制策略。

modeFRONTIER

工作流引导硬件在环（HIL）过程

解决方案

ABB研发团队建立了一个两步优化框架，包括最初在电磁致动器上工作的能效约束和直接优化有限元模型（FEM）。然后通过硬件在环（HIL）优化过程进行物理校准，完成数值仿真步骤，确保整个系统达到预期性能。在第一次迭代过程中，modeFRONTIER通过确定电磁系统的最佳配置帮助改进了有限元模型，同时满足了设计边界条件施加的约束。使用COMSOL Multiphysics创建的参数化有限元模型连接到Matlab LiveLink，以便利用modeFRONTIER中Matlab的直接集成节点，自动引导所有设计更改并顺序控制两个模型。在第二步中，研发团队选择对系统进行深入分析，将modeFRONTIER与仿真模型和硬件相结合，以进一步增强开关特性。HIL框架为整个重合闸系统提供了一个研究环境。

由于采用了这种方法，可以对使用CompactRIO/LabVIEW实现的控制方案进行优化：在运行一次完全的关闭-打开操作后，数据被传输到Matlab进行后处理，并重新返回到循环中，以进行下一次运行。由于减少超程和回程对产品寿命极为重要，modeFRONTIER对HIL系统进行了试点（1500次运行，DOE采用第一个优化步骤中选定的参数），研发科学家确定了一种新的控制方案，可显著延长产品寿命。ABB公司的高级科学家Octavian Craciun表示：“确定的控制方案可使超程和回程减少50%，从而显著提高寿命。”。

最大化重合闸寿命的最优控制方案对应行程

企业介绍

Business Introduction

艾迪捷信息科技（上海）有限公司（简称IDAJ-CHINA）成立于1997年，拥有国内顶尖的技术咨询团队，致力于将尖端CAE/MBD仿真科技引入工程技术，凭借强大技术力量和对方案合理规划能力，为客户提供世界领先的软件产品和CAE咨询服务，在业界处于领先地位！现因IDAJ中国业务不断扩大，急需诚聘以下岗位人才，在此热忱欢迎有能力的你加入我们，共同推动CAE/MBD仿真技术在中国的应用与发展！