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评估直流电机的性能

此示例展示了如何对跨电气域和机械域的系统进行仿真。您将学习如何使用 Simscape™ 模块对物理组件进行建模,将这些模块连接到真实模型中,同时还使用 Simulink® 模块,然后对电机模型进行仿真和修改。

该模型基于 Faulhaber 系列 0615 直流微型电机。该模型使用 1.5V 电机的等效电路参数来校验制造商提供的空载转速、空载电流和堵转转矩。通过添加必要的机械负载模型,您可以使用该模型来评估给定应用中的电机性能。

探索模型

  1. 打开 Permanent Magnet DC Motor 示例模型。在 MATLAB® 命令提示符处,输入:

    openExample('simscape/PermanentMagnetDCMotorExample')

    主模型

    该模型包含一个 DC Motor 子系统,该子系统具有两个电气端口和两个机械旋转端口。

    为了提高模块图的可读性,每个 Simscape 域的连接线使用不同的默认颜色和线型。例如在这个模块图中,电路的连接线为深蓝色,而机械旋转端口之间的连接线为浅绿色。物理信号线为棕色。

    电机的电气端口连接到电路,电路由代表电气接地的 Electrical Reference 模块和 1.5V 直流电压源组成。

    在机械方面,Mechanical Rotational Reference 模块表示其他元件的参考点。

    电机负载由名为 Load Torque 的模块表示,该模块是 Ideal Torque Source 模块。它的一侧连接到 Mechanical Rotational Reference 模块,另一侧连接到电机轴。负载转矩由 Step Input 子系统指定,通过物理信号连接到 Load Torque 模块的控制端口 S

    Step Input 子系统包含一个常规的 Simulink 阶跃源,用于提供控制信号。Simulink-PS Converter 模块将控制信号转换为物理信号,并通过 Connection Port 模块 S 将其应用到 Load Torque 模块的控制端口。

    该图还包含一个 Solver Configuration 模块,在任何 Simscape 模型中都必需有这一模块。它包含与 Simscape 仿真的数值算法相关的参数。

  2. 双击 DC Motor 子系统将其打开。

    DC Motor 子系统

    该电机由电路和机械旋转电路组成,通过 Rotational Electromechanical Converter 模块连接。电路由 Resistor 模块和 Inductor 模块组成。它包含两个电气端口,对应于电机的 V+V- 电气端子。机械电路包含一个 Rotational Friction 模块、一个 Inertia 模块和两个机械旋转端口 CR,分别对应于电机外壳和转子。请注意 Rotational Friction 模块和 Rotational Electromechanical Converter 模块的 CR 端口如何连接到电机的 CR 端口,以使物理网络中的变量保持正确方向。

运行模型

  1. 双击 Motor RPM 示波器将其打开。在仿真过程中,此窗口将轴转速显示为时间的函数。

  2. 点击 以开始仿真。Simscape 求解器会对模型进行求值,计算初始条件,然后运行仿真。此过程可能需要几秒钟。模型窗口左下角的消息提供状态信息。

  3. 在 Motor RPM 示波器窗口中检查仿真结果。

    在最初的 0.1 秒内,电机没有外部负载,转速上升到空载值。然后在 0.1 秒时,堵转转矩作为负载施加到电机轴上。放大 Motor RPM 示波器显示了该模型与制造商的空载转速和堵转转矩参数相匹配。

  4. 示例模型还展示了如何使用 MATLAB 代码来分析仿真结果。要绘制电流和负载转矩的图形,请点击模型注释中的 Plot 超链接。图中所示的电流与制造商的空载电流参数相匹配。

更改电源电压

将电源电压降低到 1.25 伏(以仿真电池电量耗尽场景),并改变负载转矩,以找到在此降低电压下的最大扭矩。

  1. 双击 DC Voltage Source 模块。将 Constant voltage 设置为 1.25 V

  2. 运行仿真。注意降低电压对空载转速的影响。

  3. 尝试改变负载转矩,以找到此降低电压下的最大转矩。打开 Step Input 子系统,然后双击 Step 源模块。为输入信号输入不同的最终值,然后重新运行仿真。

    下图显示了 Final value 设置为 -0.2e-3(对应于 (1.25/1.5)*0.24mNm)的仿真结果,因为转矩-转速曲线的幅值与直流电机的电压成正比。

更改电机负载

将转矩源替换为简单的机械负载,例如风扇,其转矩由 alpha*speed^2 定义,其中 alpha-1e-10 Nm/(rad/s)^2。

  1. 从模型中删除 Step Input 子系统。

  2. Simscape 模块库中,打开 Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sensors

  3. Ideal Rotational Motion Sensor 模块拖动到模型窗口。

  4. 打开 Foundation Library > Physical Signals > Functions

  5. PS Product 模块和 PS Gain 模块拖动到模型窗口。

  6. 连接模块,如下图所示。要旋转某个模块,请选择该模块,然后按 Ctrl+R

  7. 双击 PS Gain 模块。在 Gain 参数旁的第一个编辑框中,输入值 -1e-10。在第二个组合框中,使用单位下拉列表,键入单位表达式 N*m/(rad/s)^2,然后点击 Apply

  8. 运行仿真并评估新负载下的电机性能。