모터 또는 액추에이터를 모델링하기 위한 블록 선택
Simscape™ Electrical™에는 동일한 유형의 모터나 액추에이터를 모델링할 수 있는 여러 가지 블록이 포함되어 있습니다. 예를 들어, Motor & Drive (System Level), PMSM 또는 FEM-Parameterized PMSM 블록을 사용하여 영구 자석 동기 모터(PMSM)를 모델링할 수 있습니다. 주어진 엔지니어링 설계 문제를 해결할 수 있을 만큼 충분히 세부적인 모델링이 가능한 블록을 선택해야 합니다. 또한, 고충실도 모델은 시뮬레이션 속도를 저하시키며 파라미터화하는 작업도 더 복잡해지므로 필요 이상으로 상세하게 모델링하지 않는 것도 중요합니다. 결국, 사용하기에 적합한 블록은 설계 목표를 달성하는 데 필요한 복잡도 수준에 따라 달라집니다. 올바른 수준의 복잡도를 갖춘 블록을 선택하려면 다음을 수행하십시오.
필요한 충실도 수준을 결정합니다.
자신의 모터 유형을 표현하는 데 필요한 모터 특성을 결정합니다.
해당 충실도 수준에서 이러한 특성을 갖는 모터를 모델링할 수 있는 블록을 선택합니다.
블록을 파라미터화합니다.
충실도 수준 결정
동일한 유형의 모터를 모델링할 수 있는 3개의 블록 중 하나를 선택하는 게 보통입니다. 하지만 이 블록들이 구현하는 수학적 모델은 그 복잡도 수준이 각기 다릅니다. 설계 목표를 충족하는 데 충분한 세부 정보를 제공하는 가장 간단한 모델을 선택하십시오.
레벨 1 모델은 에너지 균형이나 그 밖의 모델링 추상화 방법을 사용합니다. 에너지 균형을 사용할 경우, 블록이 모터로 작동할 때 그 입력 전력은 출력인 기계적 파워에 손실을 더한 값과 같습니다. 블록이 발전기로 작동할 때 그 입력인 기계적 파워는 출력인 전력에 손실을 더한 값과 같습니다.
generateMotorDriveROM함수를 사용하면 레벨 3 모델의 테이블 형식 손실 데이터로부터 레벨 1 모델의 현실적인 모터 드라이브 손실을 얻을 수 있습니다. 압전 진행파 액추에이터와 같은 일부 액추에이션 시스템의 경우, 순환 변수(cyclic variable)를 제거하는 보다 추상적인 모델을 사용할 수 있습니다. 레벨 1 모델의 경우, 작은 시뮬레이션 스텝 크기가 필요한 고주파 전류 변조를 모델링할 필요가 없도록 드라이브 전자장치, 제어 장치 및 모터를 위주로 컴포넌트 모델링의 경계를 정해야 하는 경우가 많습니다. 예를 들어 전기차의 주행 주기를 분석하는 경우처럼 긴 시뮬레이션 시간이 필요한 경우, 레벨 1 모델을 사용합니다.레벨 2 모델은 간단한 등가 회로와 함께 고정 계수 또는 파라미터에 종속된 계수를 사용합니다. 고정 계수는 일반적으로 PMSM의 Ld 및 Lq 계수와 같은 고정 인덕턴스 값입니다. PMSM의 경우, 간단한 등가 회로는 Ld, Lq, 그리고 고정자 권선과 회전자 자기장 항들로 구성된 Park 변환 방정식에 나타나는 역기전력 항에 상응합니다. 로보틱스 및 메카트로닉스와 같은 액추에이션 응용 분야의 제어 장치나 시스템을 설계할 때, 그리고 포화와 고조파가 손실에 미치는 영향이 미약한 경우에 효율성을 예측할 때 이 블록을 사용하십시오.
레벨 3 모델은 쇄교 자속의 관점에서 모터 동작을 정의합니다. 유한 요소(FE) 해석을 사용하여, 고정자 권선 전류와 회전자 각도의 함수로 쇄교 자속을 도출하는 모터 설계 툴의 데이터를 활용해 모델을 파라미터화할 수 있습니다. 모터 속도가 빠를 때 손실을 잘 예측하려면 FE 툴에서 얻는 철손 정보도 통합해야 합니다. 견인(traction) 응용 사례에 필요한 효율성을 예측하거나 토크 및 전류 고조파를 포착해야 하는 경우와 같이 높은 수준의 모델링 세부 정보가 필요한 경우 레벨 3 모델을 사용합니다.
모델링할 특성 결정
필요한 충실도 수준을 결정한 후에는 모델에서 표현해야 하는 모터 유형의 특성을 결정해야 합니다. 중요한 모터 특성 중 하나는 동기성입니다. 모터는 다음 특성을 가질 수 있습니다.
동기식 또는 슬립 없음 - 회전자가 고정자 자기장과 동기화된 상태를 유지합니다.
비동기식 - 회전자가 고정자 자기장과 동기화되지 않고 미끄러집니다(slip).
모터의 또 다른 중요한 특징은 회전자 유형입니다. Simscape Electrical에서 모델링할 수 있는 회전자 유형은 다음과 같습니다.
영구 자석 회전자 — 자기장을 생성하는 영구 자석이 회전자에 있습니다.
권선형 회전자 - 슬립 링이나 브러시리스 여자기로 구동되는 전자석이 자기장을 생성합니다.
영구 자석 및 권선형 회전자 — 슬립 링으로 구동되는 전자석에 의해 증폭되거나 변조되는 영구 자석이 회전자에 있습니다.
농형 회전자 — 회전자가 평행 막대 형태이며, 고정자의 전자기장을 자를 때 유도 전류가 흐릅니다.
플럭스 분포는 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
정현파 — 회전하는 회전자에서 관측할 수 있는 고정자 권선으로부터의 플럭스 분포가 정현파 형태입니다. 이 플럭스 분포는 각 고정자 권선에 유도되는 역기전력도 정현파 형태를 띠게 되어 바람직하지 않은 높은 주파수의 기계적 고조파와 전류 고조파가 감소함을 뜻합니다.
사다리꼴 — 회전하는 회전자에서 관측할 수 있는 고정자 권선으로부터의 플럭스 분포가 사다리꼴 형태입니다. 이 플럭스 분포는 각 고정자 권선에 유도되는 역기전력이 대략 일정하다는 것을 의미하며, 이 경우 더 단순하고 저렴한 제어 전략을 사용할 수 있습니다.
모델에 적합한 블록 선택
다음 표는 각 충실도 수준에서 다양한 특성을 가진 모터를 표현하는 데 사용할 수 있는 블록들을 보여줍니다. 표에는 그러한 특성을 지닌 몇몇 일반적인 모터도 나와 있습니다. 이 표를 사용하여 모터나 액추에이터를 모델링하는 데 적합한 블록을 선택하십시오.
브러시리스 모터
특성 | 모터 유형 | 블록 | ||
|---|---|---|---|---|
| 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | ||
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| 결함을 포함하는 모터 모델을 구축하려면 다음 블록도 필요합니다. 결함 모델링에 대한 자세한 내용은 결함이 있는 PMSM 항목을 참조하십시오. | |
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메카트로닉 액추에이터
특성 | 모터 유형 | 블록 | ||
|---|---|---|---|---|
| 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | ||
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| 지원되지 않음 | 지원되지 않음 | |
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| 지원되지 않음 | 지원되지 않음 | |
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| 지원되지 않음 | 지원되지 않음 | |
브러시 모터
특성 | 모터 유형 | 블록 | ||
|---|---|---|---|---|
| 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | ||
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| 지원되지 않음 | |
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| 지원되지 않음 | |
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| 지원되지 않음 | |
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| 지원되지 않음 | 지원되지 않음 | |
블록 파라미터화하기
적합한 블록을 선택한 후에는 이를 파라미터화해야 합니다. 제조업체의 데이터시트는 레벨 1 및 레벨 2 모델에 대한 좋은 정보가 됩니다.
generateMotorDriveROM 함수를 사용하면 레벨 3 모델을 해석하기 더 쉽고 더 빠르게 실행되는 등가의 레벨 1 모델로 변환할 수 있습니다.
블록 파라미터화 관리자를 사용하여 레벨 1 또는 레벨 2 모델의 일부 블록을 미리 파라미터화할 수 있습니다. 이러한 파라미터 값은 특정 제조업체의 컴포넌트를 표현하며 제조업체 데이터시트와 일치합니다. 사전 파라미터화된 부품 사용, 이 옵션을 지원하는 블록, 제조업체에서 생산한 모델링 가능한 컴포넌트, 추가 파라미터화 옵션에 대한 자세한 내용은 List of Pre-Parameterized Components 항목을 참조하십시오.
FE 분석을 사용하는 모터 설계 툴에서 얻은 데이터를 활용하여 레벨 3 모델을 파라미터화할 수 있습니다. 다음 예제에서는 인기 있는 FE 툴을 사용하여 이러한 모델을 파라미터화하는 방법을 보여줍니다.
참고 항목
Motor & Drive (System Level) | generateMotorDriveROM | 전기기계 | 블록을 선택하고 파라미터화하기
