モーターまたはアクチュエータをモデル化するためのブロック選択
Simscape™ Electrical™ には、同じタイプのモーターまたはアクチュエータをモデル化できる複数のブロックが含まれています。たとえば、永久磁石同期モーター (PMSM) のモデル化には、Motor & Drive (System Level)、PMSM、FEM-Parameterized PMSM の各ブロックを使用できます。回答が必要なエンジニアリング設計の質問に対して十分なモデル化の詳細を備えたブロックを選択する必要があります。モデルの忠実度が高いほどシミュレーションが遅くなり、パラメーター化がより複雑になるため、必要以上の詳細を使用しないことも重要です。したがって、使用する適切なブロックは、設計目標を満たすために必要な複雑度によって決まります。適正な複雑度のブロックを選択するには次のようにします。
必要な忠実度を決定する。
モーターのタイプに応じて表現する必要があるモーター特性を決定する。
それらの特性をもつモーターをその忠実度でモデル化できるブロックを選択する。
ブロックをパラメーター化する。
忠実度の決定
通常、同じタイプのモーターをモデル化できる 3 つのブロックの中から、実装される数学モデルの複雑度が異なるいずれかのブロックを選択できます。設計目標を満たす十分な詳細を提供するモデルのうちで最も単純なものを選択します。
"レベル 1" のモデルは、エネルギー バランシングやその他のモデリング抽象化手法を使用します。エネルギー バランシングにより、ブロックがモーターとして動作するときは、出力機械動力に損失を加えたものと入力電力が等しくなります。ブロックが発電機として動作するときは、出力電力に損失を加えたものと入力機械動力が等しくなります。レベル 1 のモデルの現実的なモーター ドライブの損失は、レベル 3 のモデルの表形式の損失データから
generateMotorDriveROM関数を使用して求めることができます。圧電進行波アクチュエータなどの一部の作動システムには、循環変数を削除した、さらに抽象的なモデルを使用できます。レベル 1 のモデルでは、多くの場合、小さいシミュレーション ステップ サイズを必要とする高周波電流変調をモデル化しなくて済むように、駆動エレクトロニクス、制御、モーターを中心としたコンポーネント モデリング境界を描画することが必要になります。レベル 1 のモデルは、電気自動車のドライブ サイクルを解析する場合など、長いシミュレーション時間が必要な場合に使用します。"レベル 2" のモデルは、固定またはパラメーター依存の係数と単純な等価回路を使用します。固定係数は、PMSM の係数である Ld や Lq など、通常は固定のインダクタンス値です。PMSM の場合、単純な等価回路は、Park 変換の方程式の固定子巻線と回転子の磁場の項に現れる Ld、Lq、逆起電力の項に対応します。レベル 2 のモデルは、ロボティクスやメカトロニクスなどの作動アプリケーションでの制御やシステムの設計、および飽和や高調波が損失に少しだけ影響する場合の効率の予測に使用します。
"レベル 3" のモデルは、モーターの動作を鎖交磁束の観点で定義します。このモデルは、有限要素 (FE) 解析を使用して鎖交磁束を導出するモーター設計ツールのデータを固定子巻線の電流と回転子角度の関数として使用することでパラメーター化できます。高いモーター速度における損失を適切に予測するには、FE ツールから鉄損の情報も組み込む必要があります。レベル 3 のモデルは、牽引アプリケーションの効率を予測する必要がある、トルクや電流の高調波を取得する必要があるなど、高度なモデル化の詳細が必要な場合に使用します。
モデル化する特性の決定
必要な忠実度を決定した後、モデルで表現する必要があるモーター タイプの特性を決定する必要があります。重要なモーター特性の 1 つに "同期性" があります。モーターは次のいずれかになります。
"同期" または "滑りなし" — 回転子は固定子の磁場と同期したままです。
"非同期" — 回転子が固定子の磁場および滑りと同期されません。
もう 1 つの重要なモーター特性は回転子タイプです。Simscape Electrical でモデル化できる回転子タイプは次のとおりです。
"永久磁石回転子" — 回転子にある永久磁石によって磁場が作成されます。
"巻線形回転子" — スリップ リングまたはブラシレス励磁機で駆動される電磁石によって磁場が作成されます。
"永久磁石と巻線形回転子" — 回転子にある永久磁石が、スリップ リングで駆動される電磁石によって増強または変調されます。
"かご形回転子" — 回転子にある並列に配置された棒により、固定子の電磁界を通過するときに誘導電流を流します。
磁束分布は次のように定義できます。
"正弦波" — 回転する回転子によって固定子巻線に現れる磁束分布が正弦波状になります。この磁束分布は、それぞれの固定子巻線に誘導される逆起電力も正弦波状になり、望ましくない高周波数の機械的および電気的な電流高調波が少なくなることを意味します。
"台形波" — 回転する回転子によって固定子巻線に現れる磁束分布が台形波状になります。この磁束分布は、それぞれの固定子巻線に誘導される逆起電力がほぼ一定になり、より単純で低コストな制御手法を使用できることを意味します。
モデルに合ったブロックの選択
以下の表に、さまざまな特性をもつモーターを表すために使用できるブロックを忠実度ごとに示します。表には、それらの特性をもつ一般的なモーターもいくつか示してあります。これらの表を使用して、モーターまたはアクチュエータをモデル化するための適切なブロックを選択してください。
ブラシレス モーター
特性 | モーターのタイプ | ブロック | ||
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| レベル 1 | レベル 2 | レベル 3 | ||
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| 故障したモーターのモデルを作成するには、次のブロックも必要です。 故障のモデル化の詳細については、故障した PMSMを参照してください。 | |
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メカトロニクス アクチュエータ
特性 | モーターのタイプ | ブロック | ||
|---|---|---|---|---|
| レベル 1 | レベル 2 | レベル 3 | ||
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| サポートなし | サポートなし | |
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| サポートなし | サポートなし | |
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| サポートなし | サポートなし | |
Brushed Motors
特性 | モーターのタイプ | ブロック | ||
|---|---|---|---|---|
| レベル 1 | レベル 2 | レベル 3 | ||
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| サポートなし | |
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| サポートなし | |
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| サポートなし | |
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| サポートなし | サポートなし | |
ブロックのパラメーター化
適切なブロックを選択したら、そのブロックをパラメーター化する必要があります。レベル 1 とレベル 2 のモデルについては、製造元のデータシートが有益な情報源になります。
レベル 3 のモデルは、generateMotorDriveROM 関数を使用して等価なレベル 1 のモデルに変換できます。これにより、解釈が容易になり、実行も高速になります。
レベル 1 またはレベル 2 のモデルでは、ブロック パラメーター化マネージャーを使用して一部のブロックを事前にパラメーター化できます。これらのパラメーターの値は、特定のサプライヤーのコンポーネントを表し、製造元のデータシートに一致しています。事前にパラメーター化されたパーツ、このオプションをサポートするブロック、モデル化できる製造コンポーネント、その他のパラメーター化オプションの使用の詳細については、事前にパラメーター化されたコンポーネントのリストを参照してください。
レベル 3 のモデルは、FE 解析を使用するモーター設計ツールのデータを使用してパラメーター化できます。以下の例では、これらのモデルを一般的な FE ツールを使用してパラメーター化する方法を示しています。
参考
Motor & Drive (System Level) | generateMotorDriveROM | Electromechanical | ブロックの選択とパラメーター化
