Matlab_Simulink Gleichstrommotor

[Se B. (se_b)]

Hallo.
Meine Aufgabe ist es einen Elektroroller zu simulieren via Matlab 
Simulink und ich scheitere gerade am Gleichstrommotor. (siehe Anhang: 
Subsystem DC_Motor)

Meine Eingangsgrößen sind Batteriespannung Us, Batterieladezustand soc, 
Motorleistung P, und ohmscher Widerstand R sowie Induktion L. Diese 
Werte werden im Parametersatz festgelegt.

Der DC_Motor ist ein Teil meiner Regelstrecke. Die Eingangsgröße ist 
eine Geschwindigkeit km/h, die ich in 1/s umrechne. Frequenz Reifen = 
Frequenz Motor.

Es soll rauskommen: die Istgeschwindigkeit in 1/sec oder rad/sec und der 
Verbauch in kWh.

Meine Motorleistung ist abhängig vom ladezustand der Batterie:
P(soc) = Pnenn * soc (zB Batterie zu 60% geladen: Pnenn * 0.6)

Leider stehe ich dann schon auf dem Schlauch, da mir das 
Grundverständnis elektrischer Antriebe fehlt.

Wie hängen Leistung P, R, L zusammen? Macht es Sinn alle drei Parameter 
festzulegen oder ist P eine Funktion von R und L?
Wie komme ich auf die Istgeschwindigkeit?

Zusätzlich habe ich eine Polpaarzahl festgelegt im Parametersatz. Wie 
bringe ich diese mit ein?

Freue mich auch über Buchempfehlungen oder Internetseiten. Skript vom 
Prof nützt mir hier wenig.

Vielen Dank für die Hilfe!

Grüße,
Sebastian

[BastiDerBastler (Gast)]

Du hast doch da das Simulink-Modell, das scheint mir auf den ersten 
Blick korrekt die Wirkungszusammenhänge abzubilden. Ich verstehe deshalb 
nicht so ganz die Fragen, die Du im Anschluss aufwirfst?

[BastiDerBastler (Gast)]

Wobei das Antriebsmoment nicht irgendwie P/irgendwas ist, sondern doch 
genau hinter dem Proportionalglied Kf anliegt. Kf ist der Zusammenhang 
zwischen Strom und Rotormoment. Dahinter liegen Rotorträgheit und Last.

[Se B. (se_b)]

Oke. Ich glaube mein Problem ist etwas grundlegender.

Wenn ich Roller fahre, regel ich die Geschwindigkeit (umgerechnet zu 
omega_reifen = omega_dcmotor) mit meiner Hand. Sagen wir ich geben mehr 
'Gas' bei einem Roller mit Elektromotor. Was erhöht sich? Die Spannung?

Wenn ich einen Regler einbaue vor meinem Elektromotor (Regelstrecke), 
wäre meine Regelabweichung eine Drehzahldifferenz zwischen Soll-, und 
Ist-Wert. Diese geht in den Regler, wird verrechnet und wird 
anschließend via AD-wandler in eine Spannung umgewandelt, welche in 
meine Regelstrecke (Gleichstrommotor) geht und bewirkt, dass die 
Drehzahl erhöht oder gesenkt wird.
Das ist aber nicht meine Batteriespannung! Wie hängen die beiden 
Spannungen zusammen? Ist die Batteriespannung meine Versorgungsspannung?

Vielen Dank für die Mühe,
Sebastian

[TUK (Gast)]

Gleichstromsteller!!!

Dir fehlt der Gleichstromsteller...

Deine Batteriespannung ist die maximale Spannung die der Motor bekommen 
kann. Also wenn der Gasgriff voll aufgerissen ist.

Du musst also eine niedrigere Spannung an den Motor geben in 
abhängigkeit vom Gasgriff.

Das wird im realen über einen Gleichstromsteller gemacht.
Bei dem du über den Tastgrad die Spannung einstellst. Der Tastgrad ist 
dabei vom Gasgriff abhängig.


Möchtest du die Drehzahl oder das Drehmoment regeln?

[Se B. (se_b)]

Danke,
die Drehzahl soll geregelt werden, das Drehmoment soll lediglich 
angezeigt werden.

[TUK (Gast)]

Was für dich eventuell interessant ist :

Plecs (baut auf Matlab Simulink auf) gibts als Testversion oder für 
Studenten auch Vollversion für jeweils erneuerbar 1 Jahr musst die nur 
anschreiben.

http://www.plexim.com/de/plecs

[BastiDerBastler (Gast)]

Naja, die Wirkungsweise ist doch klar... Spannung füht zu Strom, Strom 
führt zu Drehmoment, Drehmoment zu Drehung, Drehung führt zu BEMF, BEMF 
sorgt für Absenkung der anliegenden Spannung. Du kannst also direkt über 
die Spannung regeln (nichts anderes würde ja auch ein Stromregler 
machen), im allgemeinen ist aber das elektrische Vehalten des Motors so 
gut bekannt, bezogen auf die Mechanik blitzschnell und konstant, dass 
man hier einen angepassten Stromregler verwendet und folglich außenrum 
Regelkreis(e) baut die sich nur noch um die mechanischen Belange (also 
das Drehmoment und Trägheiten und Lasten) kümmern. Den elektrischen 
Anteil kann man dann auch ziemlich gut als PT1-Glied annähern.
Für einen Auto- und Motorradfahrer wäre wahrscheinlich eine echte 
Drehzahlregelung ziemlich ungewohnt. Der ist eigentlich gewohnt, das 
Drehmoment einzustellen und selbst als Geschwindigkeitsregler zu 
fungieren.

[Se B. (se_b)]

Danke! Das hat schonmal Klarheit gebracht.

Die nächste Frage wäre ob es in Simulink fertige Blöcke gibt für 
Gleichstromrichter und A/D-Wandler oder auf welche Weise integriere ich 
diese am besten?

[BastiDerBastler (Gast)]

Wie sehr sollst Du denn da eigentlich ins Detail gehen? Sollst Du da 
jetzt auch noch einen gepulsten Stromregler mit H-Brücke 
durchsimulieren? Ich fänd' da nen PT1-Glied (einfach 
Übertragungsfunktion angeben) irgendwie zweckdienlicher.
Für Abtastung und Quantisierung gibt's natürlich fertige Blöcke...

[Se B. (se_b)]

Vielleicht habe ich es doch ncoh nicht ganz verstanden...

Die Übertragungsfunktion ist meine Streckengleichung des 
Gleichstrommotors, also die DGL, nach der ich meinen Motor aufgebaut 
habe?

Als Eingang in meine Gleichstrommotorstrecke habe ich die vom 
Gleichstromrichter abgegebene Spannung. Je nachdem wieviel 'Gas' ich 
gebe bekomme ich die zugehörige Spannung. Die obergrenze ist dabei meine 
Batteriespannung.

Regelabweichung e ist eine Drehzahl. Mit dieser kann mein 
Gleichstromrichter aber nicht arbeiten, deshalb A/D-Wandler zu Spannung.

Korrekt?

[BastiDerBastler (Gast)]

Nee, die Übertragungsfunktion, die ich andachte, würde jetzt nur die 
Verzögerung des Stromregelalgorithmus + die Übertragungseigenschaften 
des der L-R-Strecke beinhalten. Damit wäre alles elektrische schonmal 
auf ein PT1-Glied heruntergekürzt.
Was ich nicht nachvollziehen kann ist, warum Du einen A/D-Wandler 
brauchst, um vom Drehzahlfehler auf einen Sollstrom zu kommen. Ich würde 
da jetzt einfach einen PI-Regler hernehmen, den kann man auch "analog" 
durchsimulieren, wiederum mit seiner Übertragungsfunktion.

Aber ich bin hier nur am Raten, weil ich Deine Aufgabenstellung noch 
nicht so ganz durchblickt habe... Und das ist alles so kompliziert 
eigentlich gar nicht, vor allem wenn man das Motormodell stark 
idealisieren darf.

Elektroroller simulieren könnte jetzt auch bedeuten, dass Du eine Masse 
m hast, eine Vortriebskraft und einen doppelintegrator, verstehst Du? Es 
kommt auf die genaue Aufgabenstellung an, damit man beurteilen kann, was 
simuliert werden soll und was einfach idealisiert werden kann usw.

Ich würde jetzt vermuten, dass die Aufgabenstellung besagt: PI(D) oder 
soetwas für Stromregelung, elektrisches Ersatzmodell für den Motor 
(LR-Strecke + U_BEMF), drumherum PI für Drehzahlregelung.

Welcher Prof eigentlich, Anfangsbuchstabe sollte genügen, irgendwie 
kommt mir sowas bekannt vor ;)

[Se B. (se_b)]

Ich mache das ganze freiwillig, als Hiwi. Regelungstechnik1 gerade 
bestanden und jetzt merke ich, dass ich nichts verstanden habe... :)

Ich bin gerade dabei eine Modellgleichung aufzustellen, die ich 
anschließend mal posten werden.

Mein grober Schnitzer war, ich hatte Spannung irgendwie verbunden mit 
einem digitalen Signal, was Blödsinn ist (sry). Also kein A/D-Wandler, 
allerdings muss ich meine Drehzahlabweichung in eine Spannung 
transformieren, die in die DCMotor-Strecke eingeht oder nicht?

[BastiDerBastler (Gast)]

Ja, oder Du machst es für den Ingenör wie mich naheliegender und 
wandelst Drehzahlabweichung in Beschleunigungsmoment um, nimmst das mal 
1/Kf -> ergibt Sollstrom und machst dahinter einen Regler der über die 
Spannung den Strom regelt. Wenn der fix ist, könnte er eigentlich auch 
einen D-Anteil verwenden, um die Induktivität zur Mitarbeit zu 
überreden... Oder man steuert das vor, aber das Modell ist ja ziemlich 
temperaturabhängig...

[Li W. (kwilly_d)]

so schwer ist es nicht einen motor modell aufzustellen. einfach als pt1 
glied kann man es aproximieren. die konstanten kann man sehr einfach 
durch experimente finden. K T vielleicht totzeitbehaftet sein.
ich hoffe es hilft dir

[Se B. (se_b)]

Hey, ich habe hier mal mein erstes Ergebnis, was allerdings noch sehr zu 
wünschen übrig lässt, was auch an nicht optimaler Parametrierung liegt.

Wäre nett wenn Ihr mir sagen könntet, ob mein System so erstmal 
grundlegend oke ist.

Omega_soll in 1/s --> Regelabweichung_1/s --> PID-Regler --> 
Regelstrecke --> Omega_ist 1/s --> Rückführung

Anbei meine Gleichstrommotorregelstrecke, sowie das Signal (Soll/Ist - 
Geschwindigkeit) mit Regler (PID-Tune) und einmal ohne Regler.
X-Achse: Strecke in m
Y-Achse: Geschw. km/h

An welchen Parametern müsste ich "drehen" damit mein Motor zB nicht so 
träge reagiert?

Bin für Fehlerhinweise, Optimierungen und alles dankbar.

Wiedermal Danke!

MfG,
Sebo

Ps: eine Kreisfrequenz-Regelabweichung geht in meinen Regler. Mein Motor 
arbeitet mit Spannungen als Eingangssignal. Heißt Kp muss die Einheit 
V/(1/s) haben, richtig?

[BastiDerBastler (Gast)]

Das Modell sieht gut aus.
Kp möglichst groß, Tn möglichst klein (Tn also der Integrator arbeitet 
gegen die stationäre Abweichung verursacht durch die 
geschwindigkeitsabhängige Reibung und die BEMF). ;) Schau Dir mal die 
Einstellregeln nach Ziegler & Nichols an, die werden in der Lehre gerne 
verwendet, da hast Du dann etwas handfestes, was Du hinschreiben kannst.
Einheit für den Regelfaktor sieht gut aus.

[Se B. (se_b)]

Danke, habe erstmal eine akzeptable Annäherung erhalten, allerdings tut 
sich schon weiteres auf...

Meine Stromstärke ist proportional zur Drehzahl, siehe Anhang.
Integriere ich den Strom über die Simulationszeit bekomme ich die Ladung 
welche in dieser Zeit verschoben wurde.
I = dQ/dt
Integral I dt = Q (Fläche unter Stromsignal)
Q * ElectromotiveForce ergibt die Arbeit bzw. Energie, die mein Motor 
verrichtet oder "verbraucht" hat in J bzw. Ws. Umgerechnet zu kWh (/1000 
und *60²)ergibt das bei mir ca 104.000 kWh ...
Etwas viel...

Wo ich meine Stromstärke entnehme ist in DC3.png, ein Beitrag zuvor, zu 
sehen. Schon die Werte für den Strom scheinen mir viel zu hoch.
und wiedermal Danke!

MfG,
Sebo