构建简单的 DC 电机并对其进行仿真

在此示例中，您将对一个由常量输入信号（近似为脉冲宽度调制信号）驱动的 DC 电机进行建模，并查看电机输出端的电流和旋转运动。

要查看您在此示例中创建的已完成模型，请打开使用 PWM 电压源和 H 桥驱动器控制 DC 电机示例。

选择表示系统组件的模块

选择表示输入信号、DC 电机和电机输出显示的模块。

下表描述了表示系统组件的各模块的作用。

模块

描述

Solver Configuration

定义适用于所有物理建模模块的求解器设置

PS-Simulink Converter

将输入物理信号转换为 Simulink® 信号

Controlled PWM Voltage

生成近似脉冲宽度调制电机输入信号的信号

H-Bridge

驱动 DC 电机

DC Motor

将输入电能转换为机械运动

Current Sensor

将用于驱动电机的电流转换为与电流成比例的可测量物理信号

DC Voltage Source

生成 DC 电压

Electrical Reference

提供电气接地

Mechanical Rotational Reference

提供机械接地

Ideal Rotational Motion Sensor

将电机的旋转运动转换为与运动成比例的可测量物理信号

Scope

显示电机电流和旋转运动

构建模型

  1. 创建一个新模型。

  2. 添加下表中的模块。库路径列指定了每个模块的层级路径。

    模块

    库路径

    数量

    Solver Configuration

    Simscape > Utilities

    1

    PS-Simulink Converter

    Simscape > Utilities

    2

    Controlled PWM Voltage

    Simscape > Electrical > Integrated Circuits

    1

    H-Bridge

    Simscape > Electrical > Semiconductors & Converters > Converters

    1

    DC Motor

    Simscape > Electrical > Electromechanical > Brushed Motors

    1

    Current Sensor

    Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sensors

    1

    DC Voltage Source

    Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Sources

    1

    Electrical Reference

    Simscape > Foundation Library > Electrical > Electrical Elements

    1

    Mechanical Rotational Reference

    Simscape > Foundation Library > Mechanical > Rotational Elements

    1

    Ideal Rotational Motion Sensor

    Simscape > Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sensors

    1

    Scope

    Simulink > Commonly Used Blocks

    2

    注意

    您可以使用 Simscape™ 函数 sscnew，并将域类型指定为 electrical，以创建包含下列模块的 Simscape 模型：

    • Simulink-PS Converter

    • PS-Simulink Converter

    • Scope

    • Solver Configuration

    • Electrical Reference

  3. 重命名模块，并按下图所示连接各模块。

现在您已准备变绪，可以指定模块参数了。

指定模型参数

指定以下参数来表示系统组件的行为：

模型设置参数

以下模块指定不专属于特定模块的模型信息：

  • Solver Configuration

  • Electrical Reference

  • Mechanical Rotational Reference

与 Simscape 模型一样，每个独特拓扑物理网络中都必须包含一个 Solver Configuration 模块。此示例中只有一个物理网络，因此只需使用一个带有默认参数值的 Solver Configuration 模块。

每个 Simscape Electrical™ 网络中都必须包含一个 Electrical Reference 模块。每个包含机电模块的网络中都必须包含一个 Mechanical Rotational Reference 模块。这些模块没有任何参数。

有关使用参考模块的详细信息，请参阅Grounding Rules。

电机输入信号参数

使用以下模块生成电机输入信号：

  • DC Voltage Source 模块 (PWM reference voltage) 生成常量信号。

  • Controlled PWM Voltage 模块生成脉冲宽度调制信号。

  • H-Bridge 模块驱动电机。

在此示例中，H-Bridge 模块除 PWM 端口之外的所有输入端口均接地。因此，H-Bridge 模块的行为如下：

  • 电机接通时，H-Bridge 模块将电机端子连接至电源。

  • 电机关闭时，H-Bridge 模块充当续流二极管以维持电机电流。

在此示例中，使用恒定电流对电机进行仿真，该电流的值是 PWM 信号的平均值。通过使用此类型的信号，您可以建立一个快速仿真来估计电机行为。

  1. 在 DC Voltage Source 模块中，将恒定电压参数设置为 2.5 V。

  2. 设置 Controlled PWM Voltage 模块的参数：

    • PWM 频率 - 4000 Hz

    • 仿真模式 - Averaged

      该值指示模块生成一个输出信号，其值是 PWM 信号的平均值。使用平均信号对电机进行仿真可以估计 PWM 信号作用下的电机行为。要验证此逼近，请使用 PWM 作为此参数的值。

  3. 在 H-Bridge 模块中，将仿真模式参数设置为平均。

    该值指示模块生成一个输出信号，其值是 PWM 信号的平均值。使用平均信号对电机进行仿真可以估计 PWM 信号作用下的电机行为。要验证此逼近，请使用 PWM 作为此参数的值。

注意

Controlled PWM Voltage 模块和 H-Bridge 模块的仿真模式必须相同。

电机参数

配置用于对电机进行建模的模块。

设置 DC Motor 模块的参数，在适用的情况下将单位设置保留为默认值：

  • 电磁转矩部分：

    • 模型参数化 - By rated load and speed

    • 电枢电感 - 0.01 H

    • 空载转速 - 4000 rpm

    • 额定转速(在额定负载下) - 2500 rpm

    • 额定负载(机械功率) - 10 W

    • 额定 DC 电源电压 - 12 V

  • 机械部分：

    • 转子惯量 - 0.0002 kg*m^2

    • 转子阻尼 - 0.5e-5 N*m/(rad/s)

电流显示参数

指定用于创建电机电流显示的模块参数：

  • Current Sensor 模块

  • PS-Simulink Converter1 模块

  • Current 示波器

在这三个模块中，只有 PS-Simulink Converter1 模块具有参数。将 PS-Simulink Converter1 模块的输出信号单位参数设置为 A，以指示模块输入信号的单位为安培。

转矩显示参数

指定用于创建电机转矩显示的模块参数：

  • Ideal Rotational Motion Sensor 模块

  • PS-Simulink Converter 模块

  • RPM 示波器

在这三个模块中，只有 PS-Simulink Converter 模块需要您在此示例中进行参数配置。将 PS-Simulink Converter 模块的输出信号单位参数设置为 rpm，以指示模块输入信号的单位为每分钟转数。

注意

您必须手动键入此参数值。下拉列表中未提供该值。

配置求解器参数

配置求解器参数以使用连续时间求解器。仅当您清除了 Solver Configuration 模块的局部求解器参数时，Simscape Electrical 模型才会使用连续时间求解器运行。使用“配置参数”对话框更改仿真结束时间，收紧相对容差以实现更精确的仿真，以及删除对 Simulink 保存的仿真数据点数量的限制。

  1. 在模型窗口中，选择建模 > 模型设置，以打开“配置参数”对话框。

  2. 在左窗格中，点击求解器：

    • 将停止时间设置为 10。

    • 将求解器设置为 ode15s (Stiff/NDF)。

    • 将最大步长设置为 1。

    • 将相对容差设置为 1e-3。

  3. 点击确定。

有关配置求解器参数的详细信息，请参阅Simulating an Electronic, Mechatronic, or Electrical Power System。

运行仿真并分析结果

运行仿真并绘制结果。在模型窗口中，选择仿真 > 运行。

要查看电机电流和转矩，请双击 Scope 模块。您可以在运行仿真之前或之后执行此操作。

注意

默认情况下，示波器显示窗口会在屏幕上堆叠显示，因此您只能看到其中一个。点击并拖动窗口可将其重新定位。

下图显示了电机电流。

下图显示了电机转速。

正如预期的那样，当施加的 DC 电压为 2.5 V 时，电机以约 2000 rpm 的转速运行。

另请参阅

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