Motor & Drive (System Level)

Типовой двигатель и привод с управлением крутящим моментом с обратной связью

Библиотека:
Simscape/Электрический/Электромеханическое/Моделирование системного уровня

Описание

Блок Motor & Drive (System Level) представляет типовой двигатель и привод с управлением крутящим моментом с обратной связью. Используйте этот блок для моделирования бесщеточного двигателя (такого как PMSM) и привода, или, в целом, тяговых и приводных систем, реализованных с использованием широкой области значений типов двигателей.

Чтобы включить быструю симуляцию в уровень системы, этот блок абстрагирует двигатель, электронику привода и управление.

Блок разрешает только область значений крутящих моментов и скоростей, которые задает огибающая крутящего момента. В строении блока по умолчанию вы задаете эти данные в диалоговом окне блока как набор точек данных скорости и соответствующих значений максимального крутящего момента.

Этот рисунок показывает определение Декартовых квадрантов:

Tabulated torque-speed envelope for brushless motor model

Следующий рисунок показывает типовую огибающую крутящего момента для управляемого крутящим моментом двигателя и привода.

Tabulated torque-speed envelope for brushless motor model

Задайте огибающую крутящего момента только для области положительного крутящего момента, то есть квадранты 1 и 4. Если вы задаете только положительные скорости (квадрант 1 или, эквивалентно, область двигателя), то огибающая крутящего момента квадранта 4 определяется блоком как зеркальное изображение квадранта 1. Огибающая крутящего момента-скорости мотора имеет тот же профиль, когда мотор работает в обратном направлении (квадранты 2 и 3).

Вместо предоставления табличных данных о крутящем моменте-скорости можно задать максимальный крутящий момент и максимальную степень. Это приводит к профилю огибающей крутящего момента и скорости, показанному ниже. Другие три рабочих квадранта ограничены этим же профилем.

Torque-speed envelope for brushless motor model based on maximum torque and maximum power

Блок производит положительный крутящий момент, действующий от механических портов C к R.

Прерывистая перегрузочная Операция

Чтобы перегрузить двигатель на короткие периоды времени, установите параметр Allow intermittent over-torque на Yes. В этом случае необходимо задать значения как для параметров Continuous operation maximum torque envelope, так и для параметров Intermittent operation maximum torque envelope. Внутренне блок определяет, какую огибающую крутящего момента применять, основываясь на истории потребности в крутящем моменте. Можно перегрузить привод мотора, если потребность в крутящем моменте была меньше, чем огибающая крутящего момента непрерывной операции, для большего, чем значение, заданное в параметре Recovery time. Избыточный крутящий момент отключен, если избыточный крутящий момент применен дольше, чем значение, заданное в параметре Over-torque time limit.

Для более специфичного управления избыточным крутящим моментом отключите избыточное вращение в блоке Motor & Drive и реализуйте внешнее ограничение крутящего момента в Simulink™ между потребностью в крутящем моменте и входным портом Tr Motor & Drive.

Моделирование электрических потерь

Блок позволяет как упрощенное, так и сведенное в таблицу определение электрических потерь. Поведение по умолчанию, упрощенное, состоит в том, чтобы смоделировать потери как сумму следующих четырех членов:

Последовательное сопротивление между источником степени постоянного тока и приводом мотора.
Фиксированные потери независимо от крутящего момента и скорости, _P0. Используется для расчета фиксированных потерь конвертера.
Зависящие от крутящего момента электрические потери k², где τ - крутящий момент, а k - константа. Это представляет омические потери в медных обмотках.
Зависящие от скорости электрические потери _kw², где ω - скорость, а _kw - константа. Это представляет потери в железе из-за токов Фуко.

Это упрощение зависимости потерь от крутящего момента и скорости может быть достаточным для ранних проектных работ, независимо от базового типа двигателя и топологии привода.

Если вам требуется больше точности, или позже в процессе проекта, можно задать табличные значения потерь как функцию скорости двигателя и крутящего момента нагрузки. При использовании этой опции предоставьте данные для всех рабочих квадрантов, в которых будет выполняться ваша симуляция. Если вы предоставляете частичные данные (для примера, только для области переднего двигателя с квадрантами 1), то другие квадранты считаются повторяющими ту же шаблонами потерь. Это обычно является правильным для области реверс-двигателя, но может быть приближением для квадрантов торможения/генерации. Блок не экстраполирует значения потерь для величин скорости и крутящего момента, которые превышают область значений таблицы.

Наконец, можно задать электрические потери при помощи табличных данных эффективности вместо одного измерения эффективности или табличных данных потерь. При использовании этой опции также предоставьте данные для всех рабочих квадрантов, в которых будет выполняться ваша симуляция. Если вы предоставляете частичные данные (для примера, только для области переднего двигателя с квадрантами 1), то другие квадранты считаются повторяющими ту же шаблонами потерь.

Лучшая практика заключается в предоставлении табличных данных о потерях как функции скорости и крутящего момента, а не табличных данных о эффективности, поскольку:

Эффективность становится плохо определенным для нулевой скорости или нулевого крутящего момента.
Используя потери, можно также учесть фиксированные потери, которые все еще присутствуют для нулевой скорости или крутящего момента.

Если вы используете табличную опцию эффективности:

Блок преобразует значения эффективность, которые вы предоставляете, в потери и использует табличные потери для симуляции.
Значения эффективность, которые вы обеспечиваете для нулевой скорости или нулевого крутящего момента, игнорируются, и потери принимаются равными нулю, когда крутящий момент или скорость равны нулю.
Блок использует линейную интерполяцию, чтобы определить потери. Предоставьте табличные данные для низких скоростей и низких крутящих моментов, по мере необходимости, чтобы получить требуемый уровень точности для более низких условий степени.
Блок не экстраполирует значения потерь для величин скорости и крутящего момента, которые превышают область значений таблицы.

Когда вы предоставляете табличные данные о потерях или эффективности, можно также задать его как функцию от скорости, крутящего момента нагрузки и напряжения питания постоянного тока. Эта опция используется, когда напряжение питания не регулируется и может изменяться во время симуляции. Одним из примеров является ходовая часть транспортного средства, который не имеет регулятора постоянного тока в восходящем направлении от привода мотора. Используйте блок Motor & Drive (System Level), чтобы смоделировать привод двигателя и предоставить табличные значения потерь или эффективности в зависимости от скорости двигателя, крутящего момента нагрузки и напряжения питания постоянного тока.

Варианты блока

Блок предоставляет четыре варианта моделирования, доступных путем щелчка правой кнопкой мыши по блоку в вашей блок-схеме и затем выбора соответствующей опции из контекстного меню, в разделе Simscape > Block choices:

No thermal port - базовая модель, которая не моделирует отказы или термальные эффекты. Это значение по умолчанию.
Show thermal port - Модель с пустым тепловым портом. Эта модель не моделирует отказы.
Faultable| No thermal port - Модель с пустым портом управления отказом. Эта модель не моделирует термальные эффекты.
Faultable | Show thermal port - Модель, которая позволяет моделировать как отказы, так и термальные эффекты. Тепловой порт и входной порт отказа открыты.

Тепловые порты

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, выберите один из вариантов блока, который моделирует термальные эффекты, как описано в Вариантах блока. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры Temperature Dependence и Thermal Port. Эти параметры описаны далее на этой странице с описанием.

Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты потерь сопротивления меди, которые преобразуют электрическую степень в тепло. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов в блоках привода, смотрите Симуляция термальных эффектов во Вращательном и Поступательном приводах.

Симуляция отказов

Можно использовать входной порт физического сигнала F чтобы симулировать отказ сервопривода, а также подключение и отключение источника постоянного тока. Вы не можете симулировать отключение питания постоянного тока путем простого открытия переключателя, потому что должно быть конечное напряжение на клеммах сервопривода, создавая ток, который балансирует электрическую и механическую степень.

Чтобы открыть порт управления отказом, выберите один из вариантов неисправимых блоков, как описано в вариантах блока. Это действие отображает входной порт физического сигнала, F на значке блока, и добавляет вкладку Faults в диалоговое окно блока. Эти вкладки описаны далее на этой странице с описанием.

Если сигнал соединяется с портом F, то блок действует согласно настройкам параметра на вкладке Faults. Для примера, если Fault condition Faulted if F >= Fault thresholdзатем, когда сигнал в порте F поднимается выше Fault threshold значения, сервопривод перестает работать, со стороны питания берётся нулевой ток, и нулевой ток подается на сторону нагрузки.

Переменные

Используйте настройки Variables, чтобы задать приоритет и начальные целевые значения для основных переменных перед симуляцией. Для получения дополнительной информации смотрите Задать приоритет и Начальный целевой объект для основных переменных.

Допущения и ограничения

Драйвер мотора отслеживает крутящий момент с постоянной по времени Tc.
Колебания скорости двигателя из-за механической нагрузки не влияют на отслеживание крутящего момента двигателя.

Порты

Вход

расширить все

`Tr` - Уставка по крутящему моменту
физический

Порт физического входа сопоставлен с ссылкой крутящего момента.

`F` - Порт отказа сервопривода
физический

Физический входной порт сопоставлен с симуляцией отказа сервопривода.

Зависимости

Этот порт видим только, когда вы выбираете вариант неисправимого блока, как описано в Вариантах блока..

Выход

расширить все

`W` - Механический выход скорости
физический

Физический выходной порт сопоставлен с механической скоростью.

Сохранение

расширить все

`+` - Положительный электрический источник постоянного тока
электрический

Электрический порт сопоставлен с положительным источником постоянного тока.

`-` - Отрицательный электрический источник постоянного тока
электрический

Электрический порт сопоставлен с отрицательным источником постоянного тока.

`C` - Корпус мотора
механический

Механический вращательный порт сопоставлен с корпусом мотора.

`R` - Ротор мотора
механический

Механический вращательный порт сопоставлен с ротором мотора.

Параметры

расширить все

Электрический крутящий момент

`Parameterize by` - Параметризация по
`Tabulated torque-speed envelope` (по умолчанию) | `Maximum torque and power`

Выберите один из следующих методов параметризации блоков:

Tabulated torque-speed envelope - Обеспечивают векторы скоростей вращения и соответствующих максимальных значений крутящего момента. Это опция по умолчанию.
Maximum torque and power - Определить огибающую крутящего момента-скорости путем задания значений максимально допустимого крутящего момента и степени мотора.

`Allow intermittent over-torque` - Вариант прерывистого избыточного крутящего момента
`No` (по умолчанию) | `Yes`

Позволяет ли прерывистый избыточный крутящий момент. Для получения дополнительной информации о избыточном крутящем моменте см. Раздел «Прерывистая операция».

`Continuous operation maximum torque envelope` - Вектор значений максимального крутящего момента для непрерывной операции
`[.09, .08, .07, 0]` `N*m` (по умолчанию)

Максимальные значения крутящего момента для допустимой установившейся операции. Эти значения соответствуют скоростям в параметре Corresponding rotational speeds и определяют огибающую крутящего момента для двигателя.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Tabulated torque-speed envelope.

`Intermittent operation maximum torque envelope` - Вектор значений максимального крутящего момента для прерывистой операции
`[.36, .32, .28, 0]` `N*m` (по умолчанию)

Максимальные значения крутящего момента при прерывистой операции с избыточным крутящим моментом.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Tabulated torque-speed envelope и Allow intermittent over-torque к Yes.

`Corresponding rotational speeds` - Вектор скоростей вращения
`[0, 3750, 7500, 8000]` `rpm` (по умолчанию)

Скорости вращения для допустимой установившейся операции. Чтобы избежать плохой эффективности из-за бесконечного наклона в кривой крутящий момент-скорость, задайте вектор скоростей вращения, который не содержит повторяющихся последовательных значений.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Tabulated torque-speed envelope.

`Continuous operation maximum torque` - Максимальный крутящий момент для непрерывной операции
`0.1` `N*m` (по умолчанию)

Максимально допустимый крутящий момент двигателя при непрерывной операции.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Maximum torque and power.

`Continuous operation maximum power` - Максимальная степень для непрерывной операции
`30` `W` (по умолчанию)

Максимально допустимая степень двигателя во время непрерывной операции.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Maximum torque and power.

`Intermittent operation maximum torque` - Максимальный крутящий момент для прерывистой операции
`0.4` `N*m` (по умолчанию)

Максимальный допустимый крутящий момент двигателя при прерывистой операции с избыточным крутящим моментом.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Maximum torque and power и Allow intermittent over-torque к Yes.

`Intermittent operation maximum power` - Максимальная степень для прерывистой операции
`120` `W` (по умолчанию)

Максимально допустимая степень двигателя при прерывистых избыточных операциях.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Parameterize by равным Maximum torque and power и Allow intermittent over-torque к Yes.

`Over-torque time limit` - Предел времени перегрузки по крутящему моменту
`30` `s` (по умолчанию)

Максимальное количество времени, на которое вы можете непрерывно применять избыточный крутящий момент.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Allow intermittent over-torque равным Yes.

`Recovery time` - Время восстановления
`60` `s` (по умолчанию)

Количество времени, в течение которого крутящий момент должен быть меньше огибающей непрерывного рабочего крутящего момента, чтобы иметь возможность снова применить избыточный крутящий момент.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Allow intermittent over-torque равным Yes.

`Torque control time constant, Tc` - Время управления крутящим моментом константа
`0.02` `s` (по умолчанию)

Постоянная времени, с которой драйвер двигателя отслеживает крутящий момент.

Электрические потери

`Parameterize losses by` - Параметризация электрических потерь
`Single efficiency measurement` (по умолчанию) | `Tabulated loss data as a function of speed and torque` | `Tabulated efficiency data as a function of speed and torque` | `Tabulated loss data as a function of speed, torque, and DC supply voltage` | `Tabulated efficiency data as a function of speed, torque, and DC supply voltage`

Выберите один из следующих методов для параметризации электрических потерь:

Single efficiency measurement - Моделируйте потери как сумму четырех членов, перечисленных в описании блока, в одной точке измерения.
Tabulated loss data as a function of speed and torque - Определить потери по двумерному поиску таблицы на основе предоставленных табличных данных по скоростям двигателя, крутящим моментам нагрузки и соответствующим потерям.
Tabulated efficiency data as a function of speed and torque - Определить потери путем двумерного поиска таблицы на основе предоставленных табличных данных для скоростей двигателя, крутящих моментов нагрузки и соответствующих КПД.
Tabulated loss data as a function of speed, torque, and DC supply voltage - Определить потери по трехмерному поиску таблицы на основе предоставленных табличных данных по скоростям двигателя, крутящим моментам нагрузки, напряжениям питания постоянного тока и соответствующим потерям.
Tabulated efficiency data as a function of speed, torque, and DC supply voltage - Определить потери по трехмерному поиску таблицы на основе предоставленных табличных данных по скоростям двигателя, крутящим моментам нагрузки, напряжениям питания постоянного тока и соответствующим КПД.

Для получения дополнительной информации смотрите Моделирование электрических потерь.

`Motor and driver overall efficiency (percent)` - Общая эффективность двигателя и драйвера
`100` (по умолчанию)

Блок определяет общую эффективность как

$η = 100 \frac{τ_{0} ω_{0}}{τ_{0} ω_{0} + P_{0} + k τ_{0}^{2} + k_{w} ω_{0}^{2}}$

где:

τ 0 представляет Torque at which efficiency is measured.
ω 0 представляет Speed at which efficiency is measured.
P 0 представляет Fixed losses independent of torque or speed.
$k τ_{0}^{2}$ представляет зависящие от крутящего момента электрические потери.
_kw² представляет зависящие от скорости потери в железе.

При инициализации блок решает уравнение эффективности для k. Блок пренебрегает потерями, связанными с демпфированием ротора.