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。

这个模型的无刷直流电动机使用一个标准配置。内反馈回路控制电流，外反馈回路控制电机转速。速度需求由Vref引脚上的电压设定，电机方向由Vdir引脚上的电压设定。如果电压在Vbrk引脚高，然后Vref被覆盖和速度需求设置为零，以实施制动行动。

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。

电机电损耗被假定为由两个术语组成。第一个是独立于负载的固定损耗，它被计算为Vcc*I0，其中Vcc是额定电源电压，I0是来自驱动电源的空载直流电流。注意，如果使用块整流，正如这个例子所基于的驱动器，I0将是通电相绕组电流的两倍。第二项损耗与电机绕组瞬时电流的平方成正比。这可以近似为一项正比于平均扭矩的平方。这两个损失项是由伺服电机块实现的。

有三个电机和驱动程序掩码参数必须进行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。这里，数据表给出的空载时间常数为5ms。一个典型的经验法则是，一个内控制循环应该比外控制循环至少快10倍。这意味着当前控制器的时间常数为0.5ms。设置这个值后，比例项就会增加，直到速度时间常数大约为5ms。当在负载下执行速度步进时，应该设置积分增益，并增加直到以5ms的顺序消除稳态误差。然后需要对这两个增益进行一些微调，以恢复空载下的5ms上升时间。