Modélisation et simulation de moteur

La modélisation et la simulation de moteurs aident les ingénieurs à accomplir des tâches allant de l'analyse des performances d'un moteur au niveau du système à la mise au point d'un système de contrôle de moteur électrique détaillé. En fonction de la tâche, différents effets physiques doivent être représentés par le modèle de simulation du moteur. Les ingénieurs système analysent les moteurs dans le cadre d'un système plus vaste et ont besoin de modèles de moteur plus abstraits qui permettent des simulations rapides et fournissent des informations telles que le couple et la puissance. Les ingénieurs en contrôle moteur ont besoin de modèles de moteurs qui rendent compte des effets des variations de tension et de courant.

Simulink^® et Simscape Electrical permettent plusieurs niveaux de fidélité lors de la modélisation et de la simulation de moteur pour s'adapter à diverses applications, telles que le dimensionnement des moteurs et le design de systèmes de contrôle de moteur pour les véhicules électriques. Les différents niveaux de fidélité des modèles de moteurs permettent aux ingénieurs de choisir le niveau de détail approprié pour leur application spécifique.

Modélisation pour le design de systèmes

Pour le design des systèmes, la modélisation et la simulation de moteur a pour but de mesurer les performances du moteur dans différentes conditions de travail et de prédire sa consommation d'énergie dans sa plage de fonctionnement. Dans ce scénario, les ingénieurs utilisent une dynamique simplifiée du comportement du système caractérisée notamment par :

• Une absence de modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou de commutation d’électronique de puissance
• Une modélisation basée sur les flux d’énergie, l'équivalent en état stationnaire et la cartographie du rendement

Pour cette approche simplifiée de la modélisation de moteur, vous pouvez utiliser le bloc Motor & Drive (System Level), qui représente un moteur générique à travers une plage de couples et de vitesses. Cela permet d'obtenir une enveloppe couple-vitesse qui reflète le fonctionnement global du moteur tout en facilitant la modélisation et la simulation du système, ce qui se traduit par des simulations plus rapides et des prédictions précises sur les pertes.

Modélisation pour le design d'entraînements de moteur

Le design des systèmes de contrôle joue un rôle essentiel dans la gestion de la vitesse, du couple et de la consommation d'énergie des moteurs électriques pour les applications d'entraînement de moteurs industriels. Pour donner la priorité au design des contrôles et permettre une simulation plus rapide tout en maintenant la précision, les ingénieurs développent des systèmes de contrôle de moteur optimisés et fiables en utilisant des modèles de moteur qui intègrent :

• Une commutation idéale
• Une modélisation par paramètres localisés (type « Lumped »)
• Une corrélation linéaire entre le couple et le courant

Pour faciliter la modélisation de moteur par paramètres localisés, Simscape Electrical fournit des blocs de moteur pré-paramétrés qui contiennent les données des fabricants de moteurs. Si les données d'un fabricant ne sont pas disponibles, Motor Control Blockset™ vous permet d'effectuer des tests instrumentés pour estimer les valeurs des paramètres du moteur.

Modélisation pour les applications de moteur

Des modèles de moteur précis et de haute-fidélité vous permettent de reproduire des comportements non linéaires pour les applications de véhicules électriques lorsque les pertes d'énergie du moteur réduisent l'autonomie du véhicule. Au lieu d'utiliser un modèle linéaire de moteur par paramètres localisés, les ingénieurs peuvent intégrer les résultats de la simulation du moteur à partir de la méthode des éléments finis (FEM), qui comprend un mapping non linéaire entre la position du rotor, le couplage de flux, le courant et le couple. La simulation la plus fidèle du moteur peut être obtenue en utilisant des données FEM supplémentaires, notamment les harmoniques spatiales, pour faciliter le développement d'algorithmes d'atténuation de l'ondulation du couple et optimiser l'efficacité du contrôle du moteur. Pour une représentation précise du système de contrôle de moteur, les ingénieurs utilisent :

• Une commutation non idéale, avec une modélisation des semi-conducteurs de puissance, basée sur la physique
• La saturation, avec une dépendance non linéaire vis-à-vis du courant et/ou de l'angle du rotor
• Des harmoniques spatiales, notamment l'ondulation du couple causée par le phénomène d’encochage et les harmoniques dans le couplage de flux.

L'utilisation d'une modélisation haute-fidélité des moteurs permet aux ingénieurs en contrôle d'étudier des conditions de fonctionnement extrêmes avec les simulations de Simulink. Pour obtenir une modélisation haute-fidélité des moteurs et une cosimulation des modèles de moteurs pour la validation, les ingénieurs peuvent importer des données FEA à partir d'outils tiers tels que ANSYS Maxwell, Motor-CAD et JMAG-RT dans un bloc moteur de Simscape Electrical
, paramétré avec des données FEM.

Pour en savoir plus sur la modélisation et la simulation de moteur avec MATLAB et Simulink, consultez les pages Simscape Electrical et Motor Control Blockset.