ロボティクスおよび作動システム

この例では、ブラシレス DC モーター (サーボモーター) のシステムレベル モデルをデータシート情報に基づいて作成し、パラメーター化する方法を説明します。モーターとドライバーは、単一のマスク サブシステムとしてモデル化されています。Simulink® でモデルを表示する場合、Motor and driver ブロックを選択して Ctrl + U と入力すると、マスクの下を見てモデルの構造を確認できます。

この例では、DC モーターのカスケード速度制御構造を説明します。DC モーターに電力を供給するために、PWM 制御の 4 象限チョッパーが使用されます。Control サブシステムには、外側の速度制御ループ、内側の電流制御ループ、および PWM 生成が含まれています。合計シミュレーション時間 (t) は 4 秒です。t = 1.5 秒で負荷トルクが増加します。t = 2.5 秒で基準速度が 1000 rpm から 2000 rpm に変化します。

この例では、DC モーターのリードラグ速度制御構造を説明します。DC モーターに電力を供給するために、PWM 制御の 4 象限チョッパーが使用されます。Control サブシステムにはリードラグ コントローラー、定数ゲイン、および PWM 生成が含まれています。合計シミュレーション時間 (t) は 4 秒です。t = 1.5 秒で負荷トルクが増加します。t = 2.5 秒で基準速度が 1000 rpm から 2000 rpm に変化します。

この例では、DC モーターの RST 速度制御構造を説明します。DC モーターに電力を供給するために、PWM 制御の 4 象限チョッパーが使用されます。Control サブシステムには、制御区間 30 の RST コントローラーと PWM 生成が含まれています。センサーは、回転子の速度を 5 ms の遅延で測定します。合計シミュレーション時間 (t) は 4 秒です。t = 1.5 秒で負荷トルクが増加します。t = 2.5 秒で基準速度が 1000 rpm から 2000 rpm に変化します。

この例では、DC モーターのスミス予測器速度制御構造を説明します。DC モーターに電力を供給するために、PWM 制御の 4 象限チョッパーが使用されます。Control サブシステムには、スミス予測器コントローラーと PWM 生成が含まれています。センサーは、回転子の速度を 5 ms の遅延で測定します。合計シミュレーション時間 (t) は 4 秒です。t = 1.5 秒で負荷トルクが増加します。t = 2.5 秒で基準速度が 1000 rpm から 2000 rpm に変化します。

この例では、DC モーターの状態フィードバック速度制御構造を説明します。DC モーターに電力を供給するために、PWM 制御の 4 象限チョッパーが使用されます。Control サブシステムには、状態フィードバック制御ループと PWM 生成が含まれます。状態ベクトルには、測定される回転子速度と、オブザーバーを使用して推定される DC モーター電流が含まれます。オブザーバーと状態フィードバック コントローラーはどちらも、システムの状態空間モデルを使用して、極配置によって合成されます。合計シミュレーション時間 (t) は 4 秒です。t = 1.5 秒で負荷トルクが増加します。t = 2.5 秒で基準速度が 1000 rpm から 2000 rpm に変化します。

この例では、DC モーターと、親ねじと直列に接続された圧電スタックで構成されるハイブリッド アクチュエータを示します。DC モーターと親ねじの組み合わせは大規模な変位 (数十ミリメートル) に対応しますが、基準要求 x_ref を追跡するときには動的に遅くなります。一方、圧電スタックは最大±0.1 mm の変位にしか対応しませんが、動的応答が非常に高速です。2 つのアクチュエータ テクノロジーを組み合わせることで、位置決めがきわめて正確で、ストロークの大きなアクチュエータが作成されます。

このモデルは、データシートのパラメーター値を使用して、制御されていない線形アクチュエータのモデルを開発する方法を示します。アクチュエータを構成する DC モーターが 6.25:1 ウォーム ギアを駆動し、それが 3 mm の親ねじを駆動して線形運動を生成します。アクチュエータに関するメーカーのデータでは、無負荷の線形速度 (26 mm/s)、定格負荷 (1000 N)、定格負荷の線形速度 (19 mm/s)、最大電流 (5 A) が定義されています。最大静的力は 4000 N で、定格電圧は 24 V DC です。

この例では、制御された線形アクチュエータの詳細な実装モデルを示します。アクチュエータを構成する DC モーターがウォーム ギアを駆動し、それが親ねじを駆動して線形運動を生成します。モデルには、ホール効果センサーの量子化効果と、アナログ エレクトロニクスにおける制御の実装が含まれています。このモデルには、さまざまな忠実度レベルのモデルをもつ複数のバリアント サブシステムがあります。

この例では、5 つの異なるモーター タイプのトルク-速度特性の比較を示します。モーター タイプを選択するには、Electric Motor ブロックを右クリックして、[バリアント]、[オーバーライドの方法] に続いて目的のモーターを選択します。すべてのモーターは、ほぼ同じ定格機械動力に調整されています。

このモデルでは、Controlled PWM Voltage ブロックと H-Bridge ブロックを使用してモーターを制御する方法を説明します。DC Motor ブロックではメーカー データシートのパラメーターを使用します。それによると、モーターは 2500 rpm で 10 W の機械動力を供給し、12 V DC 電源で動かしたときの無負荷速度は 4000 rpm であると指定されています。したがって、PMW 基準電圧が最大値の +5 V に設定されている場合、モーターは 4000 rpm で回転することになります。+2.5 V に設定されている場合は、約 2000 rpm で回転するはずです。[シミュレーション モード] パラメーターは Controlled PWM Voltage ブロックと H-Bridge ブロックの両方で [平均] に設定され、その結果シミュレーションが高速になります。平均化された動作を検証するには、両方のブロックで [シミュレーション モード] パラメーターを [PWM] に変更してください。

このモデルでは、Stepping および Averaged の各シミュレーション モードでシミュレートされるステッピング モーターを説明します。Averaged モードの目的は、滑りを発生させない任意の負荷に対する、より高速なシミュレーションです。結果の不正確な解釈を防ぐため、ステッピング モーターにはおおまかな滑り検出機能があり、警告またはエラーを生成するように設定できます。

このモデルでは、Stepper Motor Driver ブロックと Stepper Motor ブロックを併用して、制御された永久磁石ステッピング モーターを実装する方法を説明します。このモデルは 2 つのコントローラー オプションを提供します。1 つは位置、1 つは速度を制御します。コントローラーのタイプを変更するには、Controller ブロックを右クリックして [バリアント]、[Override using] を選択してから、[位置] または [速度] を選択します。

このモデルでは、Stepping および Averaged の各シミュレーション モードでシミュレートされるユニポーラ ステッピング モーターを説明します。Averaged モードの目的は、滑りを発生させない任意の負荷に対する、より高速なシミュレーションです。結果の不正確な解釈を防ぐため、ステッピング モーターにはおおまかな滑り検出機能があり、警告またはエラーを生成するように設定できます。

このモデルでは、Unipolar Stepper Motor Driver ブロックと Unipolar Stepper Motor ブロックを併用して、制御された永久磁石ステッピング モーターを実装する方法を説明します。このモデルは 2 つのコントローラー オプションを提供します。1 つは位置、1 つは速度を制御します。コントローラーのタイプを変更するには、Controller ブロックを右クリックして [バリアント]、[Override using] を選択してから、[位置] または [速度] を選択します。