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Valutazione delle prestazioni di un motore a corrente continua

Questo esempio mostra come simulare sistemi che includono domini elettrici e meccanici. Si imparerà come modellare componenti fisici con i blocchi Simscape™, come collegarli in un modello realistico, come utilizzare anche i blocchi Simulink® e come simulare e modificare il modello di un motore.

Il modello è basato su un micromotore CC della Faulhaber, Serie 0615. Il modello utilizza parametri di circuito equivalenti per il motore da 1,5 V per verificare la velocità a vuoto, la corrente a vuoto e la coppia di stallo indicate dal produttore. È possibile utilizzare il modello per valutare le prestazioni del motore in una determinata applicazione, aggiungendo il modello di carico meccanico richiesto.

Analisi del modello

  1. Per aprire il modello di esempio del motore CC a magneti permanenti, digitare ssc_dcmotor nella MATLAB® finestra dei comandi.

    Modello principale

    Il modello contiene un sottosistema motore CC con due porte rotazionali elettriche e due porte rotazionali meccaniche.

    Per una migliore leggibilità dei diagrammi a blocchi, ogni dominio Simscape utilizza un colore e uno stile diverso predefiniti per le linee di collegamento. Ad esempio, in questo diagramma a blocchi le linee di collegamento blu scuro indicano il circuito elettrico mentre, le linee di collegamento verde chiaro indicano i collegamenti tra le porte rotazionali. Le linee del segnale fisico sono marroni.

    Le porte elettriche del motore si collegano al circuito elettrico, consistente in un blocco Electrical Reference che rappresenta una messa a terra e una sorgente di tensione da 1,5 V CC.

    Sul lato meccanico, un blocco Mechanical Rotational Reference rappresenta il punto di riferimento per gli altri elementi.

    Il carico del motore è rappresentato dal blocco denominato Load Torque, che è un blocco Ideal Torque Source. Da un lato è collegato a un blocco Mechanical Rotational Reference e, dall’altro lato, all’albero motore. La coppia di carico è specificata dal sottosistema Step Input, collegato alla porta di controllo S del blocco Load Torque tramite un segnale fisico.

    Il sottosistema Step Input contiene una normale sorgente Simulink Step che fornisce il segnale di controllo. Un blocco Simulink-PS Converter converte il segnale di controllo in un segnale fisico e lo applica alla porta di controllo del blocco Load Torque tramite il blocco Connection Port S.

    Il diagramma contiene inoltre un blocco Solver Configuration, necessario in qualsiasi modello Simscape. Tale blocco contiene i parametri rilevanti per gli algoritmi numerici delle simulazioni Simscape.

  2. Fare doppio clic sul sottosistema Motore CC per aprirlo.

    Sottosistema motore CC

    Il motore consiste in un circuito elettrico e in un circuito rotazionale meccanico, collegati dal blocco Rotational Electromechanical Converter. Il circuito elettrico è formato da un blocco Resistor e da un blocco Inductor. Contiene due porte elettriche, corrispondenti ai terminali elettrici V+ e V- del motore. Il circuito meccanico è formato da un blocco Rotational Friction, un blocco Inertia e due porte rotazionali meccaniche, C e R, corrispondenti rispettivamente alla cassa e al rotore del motore. Si noti come le porte C e R del blocco Rotational Friction e del blocco Rotational Electromechanical Converter sono collegate alle porte C e R del motore per preservare la corretta direzione delle variabili nella rete fisica.

Esecuzione del modello

  1. Fare doppio clic nell’area giri/min del motore per aprirlo. Durante la simulazione, questa finestra visualizza la velocità dell’albero in funzione del tempo.

  2. Fare clic su per avviare la simulazione. Il risolutore Simscape valuta il modello, calcola le condizioni iniziali ed esegue la simulazione. Il processo potrebbe richiedere alcuni secondi. Il messaggio nell'angolo inferiore sinistro della finestra del modello fornisce lo stato.

  3. Esaminare i risultati della simulazione nella finestra dell’area giri/min del motore.

    Per i primi 0,1 secondi, il motore non ha carico esterno e la velocità aumenta fino al valore a vuoto. Dopo, a 0,1 secondi, la coppia di stallo viene applicata come carico all’albero motore. Lo zoom sull’area giri/min del motore mostra che il modello corrisponde ai parametri del produttore per la velocità a vuoto e la coppia di stallo.

  4. Il modello di esempio mostra anche come sia possibile utilizzare il codice MATLAB per analizzare i risultati della simulazione. Per tracciare la coppia corrente e di carico, fare clic sul collegamento ipertestuale Plot nelle annotazioni del modello. La corrente mostrata in figura corrisponde ai parametri del produttore sulla corrente a vuoto.

Modifica della tensione di alimentazione

Ridurre la tensione di alimentazione a 1,25 volt (per simulare la scarica della batteria) e variare la coppia di carico per trovare la coppia massima a questa tensione ridotta.

  1. Fare doppio clic sul blocco DC Voltage Source. Impostare la Constant voltage su 1.25 V.

  2. Eseguire la simulazione. Si noti l’effetto della tensione ridotta sulla velocità a vuoto.

  3. Provare a variare la coppia di carico per trovare la coppia massima a questa tensione ridotta. Aprire il sottosistema Step Input e fare clic sul blocco sorgente Step. Immettere diversi valori finali del segnale di input ed eseguire nuovamente la simulazione.

    L’illustrazione seguente mostra i risultati di simulazione per un Final value impostato su -0.2e-3, che corrisponde a (1.25/1.5)*0.24mNm, poiché la grandezza della curva coppia-velocità è proporzionale alla tensione per un motore CC.

Modifica del carico motore

Sostituire la sorgente coppia con un semplice carico meccanico, ad esempio, una ventola la cui coppia è definita da alpha*speed^2, dove alpha è -1e-10 Nm/(rad/s)^2.

  1. Cancellare il sottosistema Step Input dal modello.

  2. Nella libreria blocchi Simscape, aprire Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sensors.

  3. Trascinare il blocco Ideal Rotational Motion Sensor nella finestra del modello.

  4. Aprire Foundation Library > Physical Signals > Functions.

  5. Trascinare il blocco PS Product e il blocco PS Gain nella finestra del modello.

  6. Collegare i blocchi come mostrato nell’illustrazione seguente. Per ruotare un blocco, selezionarlo e premere Ctrl+R.

  7. Fare doppio clic sul blocco PS Gain. Immettere il valore -1e-10 nella prima casella di modifica accanto al parametro Gain. Nella seconda casella combinata con l’elenco a discesa delle unità, digitare l’espressione dell’unità N*m/(rad/s)^2 e fare clic su OK.

  8. Eseguire la simulazione e valutare le prestazioni del motore con il nuovo carico.