无刷直流电机

这个例子展示了一个无刷直流电机(即一个伺服电机)的系统级模型可以构建和参数化基于数据表信息。电机和驱动器被建模为一个单独的屏蔽子系统。如果在Simulink®中查看模型，选择Moto金宝appr和driver块，并键入Ctrl+U查看掩码下的模型结构。

无刷直流电机的这种模型使用标准配置。内部反馈回路控制电流和外部反馈回路控制电机速度。通过在VREF引脚上呈现的电压设定速度需求，并通过VDIR引脚所呈现的电压来设定电动机方向。如果VBRK引脚处的电压高，则覆盖VREF并升温设置为零以实现制动动作。

在这个模型中，速度需求设置为2V，对应40000转/分。一秒钟后，Vdir引脚调高，电机反转至- 40000转/分。在2秒时，制动销Vbrk设置高，电机减速至零rpm。无刷直流电动机的效率是通过输出机械功率与输出电力功率的比值来计算的。因此，它可以瞬态超出0到100%范围由于转子惯性。

无刷直流电动机的制造商数据表给出了失速扭矩为0.44 mm，最大允许速度为100,000rpm，机械时间常数为5ms，转子惯性为0.005gcm^2，效率为41%在0.23 mm和40000 rpm，空载电流为22mA，标称电压为12V。时间常数是基于使用使用块换向的制造商电机驱动器。电机驱动器可以配置，当速度参考电压为最高+5V时，命令速度为100,000rpm。

在电机和驱动子系统中的伺服电机块用于建模内部电流反馈回路，加上平衡的机械和电力。对于系统设计，通常不需要建模由电机驱动器控制的电流开关，而确保正确的转矩转速特性和从直流电源引出的电流是必要的。最大转矩值的矢量在实践中是由最大驱动电流决定的。电机驱动器通常有一个最大电流设置，该设置应与最大额定电机转矩相匹配，或者如果电机超出规定，将施加到负载上的最大转矩。在这里，最大转矩值的矢量被设置为高达并超过最高转速100,000rpm的电机失速转矩。我们的假设是，使用电机和驱动器的系统将确保电机不会因在高扭矩和转速组合下运行过长时间而过热。

假设电动机电损耗包括两个术语。首先是一个独立于负载的固定损耗，这是计算为VCC * I0，其中VCC是标称电源电压，I0是从驾驶电源汲取的空载直流电流。注意，如果使用块换向，则对于驱动器，该示例基于，I0将是通电相绕组中的电流的两倍。第二损耗术语与瞬时电动机绕组电流的平方成比例。这可以近似为与平均扭矩平方成比例的术语。两个损耗术语由伺服电机块实施。

有三个电机和驱动程序掩模参数必须调整以匹配数据表值。这些是速度反馈控制器的比例和积分增益，以及内环电流控制器的时间常数。在这里，数据表将无负载时间常常提供为5ms。典型的拇指规则是内部控制环路应比外环快至少十倍。这意味着当前控制器的0.5ms的时间常数。利用该值集，然后增加比例项直到速度时间常数约为5ms。然后，当在负载下执行速度步骤时应设置积分增益，并且增加直到5ms的顺序除去稳态误差。然后需要两种收益的一些微调来恢复无负载下的5ms上升时间。