DC Motor

Модель электродвигателя постоянного тока с электрическими и крутящими характеристиками и моделированием отказа

  • Библиотека:
  • Simscape/Электрический/Электромеханический/Коллекторные двигатели

  • DC Motor block

Описание

Блок DC Motor представляет электрические и крутящие характеристики двигателя постоянного тока с помощью следующей модели эквивалентной схемы:

DC motor model

Вы задаете эквивалентные параметры схемы для этой модели, когда задаете параметр Model parameterization равным By equivalent circuit parameters. Резистор R соответствует сопротивлению, заданному вами в параметре Armature resistance. Индуктор L соответствует индуктивности, заданной вами в параметре Armature inductance.

Можно задать, как сгенерировать магнитное поле двигателя постоянного тока, установив параметр Field type на нужную опцию. Постоянные магниты в двигателе вызывают следующие коэффициенты противо-ЭДС, vb в якоре:

vb=kvω

где kv - Back-emf constant, а ω - скорость вращения. Двигатель производит следующий крутящий момент, который пропорциональен i тока мотора:

TE=kti

где kt - Torque constant. Блок DC Motor принимает, что нет электромагнитных потерь. Это означает, что механическая степень равно электрической степени, рассеянному коэффициентом противо-ЭДС в якоре. Уравнивание этих двух членов дает:

TEω=vbiktiω=kvωikv=kt

В результате вы задаете или kv, или kt в параметрах блоков.

Если магнитное поле генерируется из токов , текущих через обмотки, Back-emf constant зависит от If тока поля:

kv=LafIf

где Laf - Field-armature mutual inductance.

Характеристика крутящий момент-скорость для блока DC Motor связана с параметрами на предыдущем рисунке. Когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By stall torque & no-load speed или By rated power, rated speed & no-load speedблок решает для эквивалентных параметров схемы следующим образом:

  1. Для зависимости крутящий момент и скорость в установившемся режиме, L не имеет никакого эффекта.

  2. Суммируйте напряжения вокруг цикла и переставьте для i:

    i=VvbR=VkvωR

  3. Замените это значение i в уравнение крутящего момента:

    TE=ktR(Vkvω)

    Когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By stall torque & no-load speedблок использует предшествующее уравнение, чтобы определить значения для R и kt (и эквивалентно kv).

    Когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By rated power, rated speed & no-load speedблок использует номинальную скорость и степень, чтобы вычислить номинальный крутящий момент. Блок использует номинальный крутящий момент и значения скорости без нагрузки в предыдущем уравнении, чтобы определить значения для R и kt.

Блок моделирует J инерции двигателя и λ демпфирования для всех значений параметра Model parameterization. Результирующий крутящий момент на блоке:

T=ktR(Vkvω)Jω˙λω

Не всегда возможно измерить демпфирование ротора, и демпфирование ротора не всегда предусмотрено на таблице данных производителя. Альтернативой является использование тока без нагрузки для вывода значения для демпфирования ротора.

Для без нагрузки механический крутящий момент, генерируемый электрическим двигателем, должен равняться крутящему моменту демпфирования ротора:

ktinoload=λωnoload

где i noload является током без нагрузки. Если вы выбираете By no-load current для параметра Rotor damping parameterization это уравнение используется в дополнение к уравнению крутящего момента и скорости для определения значений для λ и других коэффициентов уравнения.

Значение демпфирования ротора, заданное непосредственно или в терминах тока без нагрузки, учитывается при определении эквивалентных параметров схемы для опций Model parameterization By stall torque and no-load speed и By rated power, rated speed and no-load speed.

Когда положительный ток течет от электрического + к портам -, положительный крутящий момент действует от механического C к портам R.

Ошибки

Блок DC Motor позволяет вам смоделировать два типа отказов:

  • Отказ обмотки якоря - Обмотка якоря отказывает и переходит к разомкнутой цепи.

  • Отказ обмотки возбуждения - Обмотка возбуждения, которая создает отказ магнитного поля и переходит к разомкнутой схеме.

Блок может вызвать события отказа:

  • В определенное время (временный отказ).

  • Когда предел тока превышается на более длительный, чем определенный временной интервал (поведенческий сбой).

Можно включать или отключать эти триггерные механизмы отдельно.

Можно выбрать, выдавать ли значения при возникновении отказа, используя параметр Reporting when a fault occurs. Утверждение может принимать форму предупреждения или ошибки. По умолчанию блок не выдает значения.

Этот рисунок показывает типовое представление двигателя постоянного тока с кистями, якорями, коммутаторами и их обмотками:

Если вы устанавливаете параметр Enable armature winding open-circuit fault равным Yesякорь прекращает работать в момент времени, заданный параметром Time at which armature winding fault is triggered для временного отказа, или когда токи обмотки превышают значение параметра Maximum permissible armature winding current для поведенческого отказа. Когда якорь отказывает, источник напряжения, соединенный с этим блоком, наблюдает разомкнутую схему для части общего оборота двигателя, заданного параметром Fraction of revolution during which armature is open-circuit rev_faulted. Этот рисунок иллюстрирует поведение состояния схемы для определенного rev_faulted в течение всего периода революции:

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем из контекстного меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт, H на значке блока, и отображает параметры Temperature Dependence и Thermal Port.

Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты потерь сопротивления меди, которые преобразуют электрическую степень в тепло. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов и о параметрах Temperature Dependence и Thermal Port, смотрите Симуляция Термальных эффектов в Вращательных и Поступательных Приводах.

Порты

Сохранение

расширить все

Электрический порт сопоставлен с положительным контактом двигателя постоянного тока.

Электрический порт сопоставлен с отрицательным выводом двигателя постоянного тока.

Механический вращательный порт сопоставлен с корпусом двигателя постоянного тока.

Механический вращательный порт сопоставлен с ротором двигателя постоянного тока.

Электрический порт сопоставлен с положительной обмоткой возбуждения.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Field type равным Wound.

Электрический порт сопоставлен с отрицательной обмоткой возбуждения.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Field type равным Wound.

Тепловой порт. Для получения дополнительной информации см. Раздел «Тепловой порт»

Параметры

расширить все

Электрический крутящий момент

Выберите один из следующих методов для типа поля:

  • Permanent Magnet - Сгенерируйте магнитное поле двигателя постоянного тока с помощью постоянных магнитов.

  • Wound - Сгенерируйте магнитное поле двигателя постоянного тока, используя ток, протекающий через обмотки.

Выберите один из следующих методов параметризации блоков:

  • By equivalent circuit parameters - Предоставить электрические параметры для эквивалентной модели цепи двигателя.

  • By stall torque & no-load speed - Обеспечивают параметры крутящего момента и скорости, которые блок преобразует в эквивалентную модель схемы двигателя.

  • By rated power, rated speed & no-load speed - Обеспечивают параметры степени и скорости, которые блок преобразует в эквивалентную модель схемы двигателя.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Permanent magnet.

Сопротивление магнитного поля.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Wound.

Индуктивность магнитного поля.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Wound.

Взаимная индуктивность между магнитным полем и проводящим фрагментом двигателя.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Wound.

Начальный ток поля.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Wound.

Сопротивление проводящему фрагменту мотора.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By equivalent circuit parameters.

Индуктивность проводящего фрагмента мотора. Если у вас нет информации об этой индуктивности, установите значение этого параметра в маленькое, ненулевое число.

Укажите, задаете ли вы коэффициент противо-ЭДС, постоянная или крутящий момент мотора. Когда вы задаете их в единицах СИ, эти константы имеют одно и то же значение, поэтому вы задаете только то или иное в диалоговом окне блока.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By equivalent circuit parameters.

Отношение напряжения, генерируемого двигателем, к скорости, с которой вращается двигатель.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Define back-emf or torque constant равным Specify back-emf constant.

Отношение крутящего момента, генерируемого двигателем, к току, поданному на него.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Define back-emf or torque constant равным Specify torque constant.

Величина крутящего момента, генерируемого двигателем, когда скорость приблизительно равна нулю.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By stall torque & no-load speed.

Скорость двигателя, когда он не управляет нагрузкой.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By stall torque & no-load speed или By rated power, rated speed & no-load speed.

Скорость двигателя на номинальном уровне механической степени.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By rated power, rated speed & no-load speed.

Механическая степень, которую двигатель предназначен для обеспечения номинальной скорости.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By rated power, rated speed & no-load speed.

Напряжение, при котором двигатель рассчитан на работу.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Model parameterization равным By stall torque & no-load speed или By rated power, rated speed & no-load speed.

Выберите один из следующих методов, чтобы задать демпфирование ротора:

  • By damping value - Задайте значение демпфирования ротора непосредственно, используя параметр Rotor damping в параметрах Mechanical.

  • By no-load current - Блок вычисляет демпфирование ротора на основе значений, которые вы задаете для параметров No-load current и DC supply voltage when measuring no-load current. Если вы выбираете эту опцию, параметр Rotor damping недоступен для параметров Mechanical.

Задайте текущее значение без нагрузки, которое будет использоваться для вычисления демпфирования ротора. Этот параметр видим только, когда вы выбираете By no-load current для параметра Rotor damping parameterization.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Rotor damping parameterization равным By no-load current.

Задайте напряжение питания постоянного тока, соответствующее текущему значению без нагрузки, которое будет использоваться для вычисления демпфирования ротора.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Rotor damping parameterization равным By no-load current.

Механический

Сопротивление ротора изменяться в движении мотора. Значение может быть нулем.

Энергия, рассеянная ротором. Значение может быть нулем.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы устанавливаете параметр Rotor damping parameterization в настройке Electrical Torque равной By damping value.

Скорость ротора в начале симуляции.

Температурная зависимость

Эта вкладка отображается только для блоков с пустым тепловым портом. Для получения дополнительной информации см. Раздел «Тепловой порт»

Температурный коэффициент сопротивления.

Температура, для которой заданы параметры двигателя.

Тепловой порт

Эта вкладка отображается только для блоков с пустым тепловым портом. Для получения дополнительной информации см. Раздел «Тепловой порт»

Тепловая масса является энергией, необходимой для повышения температуры на одну степень.

Температура теплового порта в начале симуляции.

Ошибки

Выберите Yes чтобы включить моделирование отказов и показать соответствующие параметры в разделе Faults, что позволяет вам выбрать метод отчетности и указать время, в которое инициирует отказ обмотки якоря.

Доля вращения двигателя постоянного тока, во время которого обмотка якоря повреждена, и источник напряжения наблюдает разомкнутую схему. Для получения дополнительной информации см. раздел «Неисправности».

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes.

Проводимость разомкнутой цепи при отказе обмотки якоря.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes.

Является ли триггер для отказа обмотки якоря временным или поведенческим.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes.

Время, когда обмотка якоря становится неисправной.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes и Armature winding fault trigger к Temporal.

Верхний порог тока нагрузки для разомкнутой обмотки якоря.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes и Armature winding fault trigger к Behavioral.

Количество времени, в течение которого ток обмотки должен постоянно превышать максимально допустимый ток обмотки якоря, прежде чем срабатывает поведенческий отказ.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable armature winding open-circuit fault равным Yes и Armature winding fault trigger к Behavioral.

Выберите Yes чтобы включить моделирование отказов обмотки возбуждения и показать соответствующие параметры в разделе Faults, что позволяет вам выбрать метод отчетности и определить время, в которое инициирует отказ обмотки возбуждения.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Field type равным Wound.

Проводимость разомкнутой цепи, когда обмотка возбуждения повреждена.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable field winding open-circuit fault равным Yes.

Является ли триггер для отказа обмотки возбуждения временным или поведенческим.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable field winding open-circuit fault равным Yes.

Время, в которое обмотка возбуждения становится неисправной.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable field winding open-circuit fault равным Yes и Field winding fault trigger к Temporal.

Верхний порог тока нагрузки для разомкнутой обмотки возбуждения.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable field winding open-circuit fault равным Yes и Field winding fault trigger к Behavioral.

Количество времени, в течение которого ток обмотки должен постоянно превышать максимально допустимый ток обмотки возбуждения до запуска поведенческого отказа.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Enable field winding open-circuit fault равным Yes и Field winding fault trigger к Behavioral.

Отчет о симуляции, когда происходит отказ:

  • None - Не генерирует предупреждение или ошибку.

  • Warn - Генерирует предупреждение.

  • Error - симуляция останавливается и генерирует ошибку.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте Enable armature winding open-circuit fault или Enable field winding open-circuit fault Yes.

Примеры моделей

Ссылки

[1] Bolton, W. Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering, 3-е издание Pearson Education, 2004.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

.
Введенный в R2008a
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте