Che cos'è la modellazione e simulazione del motore?

La modellazione e la simulazione dei motori aiutano gli ingegneri a svolgere attività quali l’analisi delle prestazioni di un motore a livello di sistema e lo sviluppo di un sistema di controllo di un motore elettrico dettagliato. A seconda dell’attività, il modello di simulazione del motore deve rappresentare effetti fisici diversi. Gli ingegneri che si occupano dei sistemi analizzano i motori all’interno di un sistema più ampio e hanno bisogno di modelli di motori più astratti con tempi di simulazione rapidi e in grado di fornire informazioni relative, ad esempio, alla coppia e alla potenza. Gli ingegneri dei controlli dei motori hanno bisogno di modelli di motori in grado di rappresentare gli effetti delle variazioni a livello di tensione e corrente.

Simulink^® e Simscape Electrical supportano più livelli di fedeltà della modellazione e della simulazione dei motori in modo tale da soddisfare le necessità di applicazioni diverse, come il dimensionamento dei motori e la progettazione di controlli di motori di trazione per veicoli elettrici. Avere a disposizione vari livelli di fedeltà dei modelli di motori permette agli ingegneri di scegliere il livello di dettaglio più adatto a una determinata applicazione.

Modellazione per la progettazione di sistemi

Le attività di modellazione e simulazione di motori per la progettazione di sistemi sono volte ad acquisire le prestazioni dei motori in condizioni di esercizio diverse e a prevedere il consumo di energia del motore nel suo intervallo di funzionamento. In questo scenario, gli ingegneri usano una dinamica semplificata del comportamento del sistema, caratterizzata da:-

Assenza di modulazione della larghezza degli impulsi (PWM) o commutazione dell’elettronica di potenza
Presenza di modellazione della mappa di efficienza, equivalente allo stato stazionario, basata sull’energia

Per questo approccio alla modellazione dei motori semplificato, è possibile utilizzare il blocco Motor & Drive (System Level), che rappresenta un motore generico con una serie di coppie e velocità. Si ha così un inviluppo coppia-velocità che cattura il comportamento generale del motore, il che rende la modellazione e la simulazione del sistema più semplice, con una conseguente maggiore rapidità delle simulazioni, senza compromettere la precisione delle previsioni sulle perdite.

Modellazione per la progettazione degli azionamenti dei motori

La progettazione dei sistemi di controllo svolge un ruolo fondamentale nella gestione di velocità, coppia e consumo di energia dei motori elettrici per le applicazioni di azionamenti di motori industriali. Per dare priorità alla progettazione dei controlli e velocizzare le simulazioni senza compromettere la precisione, gli ingegneri sviluppano sistemi di controllo motori ottimizzati e affidabili usando dei modelli di motori comprensivi di:

Commutazione ideale
Modellazione dei parametri concentrati
Rapporto coppia-corrente lineare

A supporto della modellazione di motori a parametri concentrati, Simscape Electrical mette a disposizione dei blocchi per motori pre-parametrizzati contenenti i dati dei motori dei produttori. Se i dati dei motori non sono disponibili, Motor Control Blockset™ consente di svolgere test strumentati per stimare i valori dei parametri dei motori.

Modellazione per applicazioni di motori di trazione

Modelli di motori accurati e ad alta fedeltà consentono di riprodurre i comportamenti non lineari per le applicazioni di veicoli elettrici quando le perdite di energia dei motori di trazione determinano la riduzione della distanza percorsa dal veicolo. A differenza di un modello di motore lineare a parametri concentrati, gli ingegneri hanno la possibilità di integrare i risultati delle simulazioni dei motori ottenuti tramite il metodo degli elementi finiti (FEM), il che comprende la mappatura non lineare tra posizione del rotore, flusso concatenato, corrente e coppia. La simulazione del motore a massima fedeltà può essere effettuata con dati FEM aggiuntivi, comprese le armoniche spaziali, per facilitare lo sviluppo degli algoritmi di mitigazione delle ondulazioni di coppia e per ottimizzare l’efficienza del controllo del motore. Per una rappresentazione accurata del sistema di controllo di un motore di trazione, gli ingegneri usano:

Commutazione non ideale – modellazione basata sulla fisica di semiconduttori di potenza.
Saturazione – dipendenza non lineare da corrente e/o angolo del rotore.
Armoniche spaziali – compresa l’ondulazione di coppia causata dal cogging e dalle armoniche nel flusso concatenato.

L’uso della modellazione dei motori ad alta fedeltà aiuta gli ingegneri che si occupano di controlli a studiare condizioni operative estreme tramite la simulazione con Simulink. Per effettuare la modellazione dei motori ad alta fedeltà e la co-simulazione di modelli di motori ai fini della convalida, gli ingegneri possono importare i dati FEA da strumenti di terze parti come ANSYS Maxwell, Motor-CAD e JMAG-RT nel blocco per motori parametrizzati tramite FEM di Simscape Electrical.

Per saperne di più sulla modellazione e la simulazione dei motori con MATLAB e Simulink, fai riferimento a Simscape Electrical e Motor Control Blockset.