Main Content

Evaluar el rendimiento de un motor de CC

En este ejemplo se muestra cómo simular sistemas que abarcan dominios eléctricos y mecánicos. Aprenderá cómo modelar componentes físicos con bloques de Simscape™ y cómo conectarlos a un modelo del mundo real, cómo utilizar bloques de Simulink®, y cómo simular y modificar un modelo de motor.

Este modelo se basa en un micromotor de CC de la serie 0615 de Faulhaber. El modelo utiliza parámetros del circuito equivalente para el motor de 1,5 V a fin de verificar la velocidad sin carga, la corriente sin carga y el par motor máximo indicados por el fabricante. Puede utilizar el modelo para evaluar el rendimiento del motor en una aplicación determinada, añadiendo el modelo de carga mecánica necesario.

Explorar el modelo

  1. Abra el modelo de ejemplo Permanent Magnet DC Motor. En la línea de comandos de MATLAB®, introduzca:

    openExample('simscape/PermanentMagnetDCMotorExample')

    Modelo principal

    El modelo contiene un subsistema DC Motor con dos puertos eléctricos y dos puestos mecánicos de rotación.

    Para mejorar la legibilidad de los diagramas de bloques, cada dominio de Simscape utiliza un color predeterminado y un estilo de línea distintos para las líneas de conexión. En este diagrama de bloques, las líneas de conexión de color azul oscuro indican el circuito eléctrico, mientras que las líneas de conexión entre los puertos mecánicos de rotación son de color verde claro. Las líneas correspondientes a la señal física son marrones.

    Los puertos eléctricos del motor se conectan al circuito eléctrico, que consta de un bloque Electrical Reference, que representa una conexión eléctrica a tierra, y una fuente de tensión de 1,5 V de CC.

    En la parte mecánica, un bloque Mechanical Rotational Reference representa un punto de referencia para los demás elementos.

    El bloque denominado Load Torque, que es un bloque Ideal Torque Source, representa la carga del motor. Por un lado, está conectado a un bloque Mechanical Rotational Reference y, por el otro, al eje del motor. El par motor de carga se especifica mediante el subsistema Step Input, conectado a través de una señal física al puerto de control S del bloque Load Torque.

    El subsistema Step Input contiene una fuente regular de Simulink Step, que proporciona la señal de control. Un bloque Simulink-PS Converter convierte la señal de control a una señal física y la aplica al puerto de control del bloque Load Torque a través del bloque Connection Port S.

    El diagrama contiene también un bloque Solver Configuration, que se requiere en cualquier modelo de Simscape. Contiene parámetros relacionados con algoritmos numéricos para simulaciones de Simscape.

  2. Haga doble clic en el subsistema DC Motor para abrirlo.

    DC Motor Subsystem

    El motor consta de un circuito eléctrico y un circuito mecánico de rotación, conectados por el bloque Rotational Electromechanical Converter. El circuito eléctrico consta de un bloque Resistor y un bloque Inductor. Contiene dos puertos eléctricos, que se corresponden con los terminales eléctricos V+ y V- del motor. El circuito mecánico contiene un bloque Rotational Friction, un bloque Inertia y dos puertos mecánicos de rotación, C y R, que se corresponden con la carcasa del motor y el rotor, respectivamente. Observe cómo los puertos C y R del bloque Rotational Friction y del bloque Rotational Electromechanical Converter están conectados a los puertos C y R del motor para preservar la correcta dirección de las variables en la red física.

Ejecutar el modelo

  1. Haga doble clic en el scope Motor RPM para abrirlo. Durante la simulación, esta ventana muestra la velocidad del eje como una función de tiempo.

  2. Haga clic en para iniciar la simulación. El solver de Simscape evalúa el modelo, calcula las condiciones iniciales y ejecuta la simulación. Este proceso puede tardar unos segundos en completarse. El mensaje que aparece en la esquina inferior izquierda de la ventana del modelo indica el estado.

  3. Examine los resultados de la simulación en la ventana del scope Motor RPM.

    Durante los primeros 0,1 segundos, el motor no tiene carga externa y la velocidad aumenta el valor sin carga. A continuación, a los 0,1 segundos, se aplica el par motor máximo como una carga para el eje del motor. Si hace zoom para ampliar el scope Motor RPM, comprobará que el modelo coincide con los parámetros del fabricante respecto a velocidad sin carga y par motor máximo.

  4. El modelo de ejemplo también muestra cómo utilizar código de MATLAB para analizar los resultados de la simulación. Para representar gráficamente la corriente y el par motor de carga, haga clic en el hipervínculo Plot en la anotación del modelo. La corriente que se muestra en la figura coincide con los parámetros del fabricante respecto a la corriente sin carga.

Cambiar la tensión de alimentación

Reduzca la tensión de alimentación a 1,25 voltios (para simular la descarga de la batería) y modifique el par motor de carga para encontrar el par motor máximo a esta tensión reducida.

  1. Haga doble clic en el bloque DC Voltage Source. Establezca Constant voltage en 1.25 V.

  2. Ejecute la simulación. Observe el efecto de la tensión reducida sobre la velocidad sin carga.

  3. Pruebe a modificar el par motor de carga para encontrar el par motor máximo a esta tensión reducida. Abra el subsistema Step Input y haga doble clic en el bloque de fuente Step. Introduzca valores finales diferentes para la señal de entrada y vuelva a ejecutar la simulación.

    La siguiente ilustración muestra los resultados de la simulación cuando Final value se establece en -0.2e-3, que corresponde a (1.25/1.5)*0.24mNm, ya que la magnitud de la curva par motor-velocidad es proporcional a la tensión para un motor de CC.

Cambiar la carga del motor

Reemplace la fuente del par motor por una carga mecánica simple; por ejemplo, un ventilador, con un par motor que viene definido por alpha*speed^2, donde alpha es -1e-10 Nm/(rad/s)^2.

  1. Elimine el subsistema Step Input del modelo.

  2. En la biblioteca de bloques de Simscape, abra Foundation Library > Mechanical > Mechanical Sensors.

  3. Arrastre el bloque Ideal Rotational Motion Sensor a la ventana del modelo.

  4. Abra Foundation Library > Physical Signals > Functions.

  5. Arrastre los bloques PS Product y PS Gain a la ventana del modelo.

  6. Conecte los bloques como se muestra en la siguiente ilustración. Para girar el bloque, selecciónelo y pulse Ctrl+R.

  7. Haga doble clic en el bloque PS Gain. En el primer cuadro de edición situado junto al parámetro Gain, introduzca el valor de -1e-10. En el segundo cuadro combinado, que contiene la lista desplegable de unidades, introduzca la expresión de unidad N*m/(rad/s)^2 y haga clic en Apply.

  8. Ejecute la simulación y evalúe el rendimiento del motor con la nueva carga.