background image

 
 

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie 

 

 Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki 

 

 

Katedra Robotyki i Dynamiki Maszyn 

 

LABORATORIUM 

NAPĘDY ROBOTÓW I MANIPULATORÓW 

Temat ćwiczenia : 

 

Modelowanie silnika prądu stałego – identyfikacja 

parametrów silnika 

 

 

Wstęp 

Silniki prądu stałego są jednym z najczęściej spotykanych napędów w wszelkiego typu 
obrabiarkach i manipulatorach. Silniki te są bardzo wygodnym rodzajem napędów 
regulowanych. Wadą maszyn prądu stałego jest masa, skomplikowana budowa i trudność w 
konserwacji. Silniki prądu stałego mają szerokie zastosowanie w trakcji elektrycznej, oraz 
wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja prędkości obrotowej lub duży moment 
rozruchowy. 
 

1.Zasada działania i podstawowe określenia: 

Poprzez zaciski zewnętrzne płynie prąd stały. Uzwojenie wzbudzenia jest połączone 
szeregowo, lub równolegle. 

 

 
Rys.1 Podstawowy model silnika. 
 
 
Trwały magnes, bezpośredni prąd silnika zamienia elektryczną energię na energię 
mechaniczną poprzez wzajemne oddziaływanie dwóch magnetycznych pól. Jedno pole jest 
produkowane poprzez na stałe osadzone magnesy, drugie pole przez prąd płynący w 
wirującym silniku. Te dwa pola w rezultacie powodują obracanie się wirnika. SEM jest jako 
napięcie produkowana przez względny ruch pomiędzy magnesami stałymi i wirującą cewką. 
Wejściowe napięcie i prąd (E i I) reprezentują wejściową moc, moment i prędkość kątowa (T 

ω) wyjściową moc. Prosty obwód na rysunku 1 opisuje Równanie 1 

 

Równanie 1     

dt

di

L

V

R

I

E

t

+

+

×

=

 

background image

 
 
Opis  
E – stosowane napięcie  
I – prąd silnika 
L – indukcyjność 
R

t

 – rezystancja 

V – napięcie SEM 
T – wyjściowy moment 
ω - wyjściowa prędkość kątowa 
 
Są dwie ważne stałe opisujące silnik DC. Pierwsza stała jest stałą SEM. Jest to K

E

 która 

opisuje mierzone napięcie w jednostce prędkości podczas obrotu wirnika. Drugą stałą jest K

T

 

opisująca mierzony moment w jednostce prądu powstającym w silniku. W silnikach DC 
moment w funkcji prądu jest funkcją liniową. Moment produkowany przez silnik składa się z: 
Wewnętrznego traconego momentu T

oraz zewnętrznego uzyskanego momentu T

L

Prąd silnika może być wyrażony jako (T

L

+T

M

)/K

T

. W wielu zastosowaniach, gdzie stała 

czasowa elektryczna jest znacznie mniejsza niż stała czasowa mechaniczna określenie 

dt

di

L

 z 

równania 1 może być pominięte. Tak jest zazwyczaj w silnikach z żelaznym rdzeniem. 
Włączając powyższe rozumowanie dostajemy następującą formę równania.

 

 

Równanie 2    

)

(

)

(

ω

×

+

×

+

=

E

T

T

M

L

K

R

K

T

T

E

 

Równanie dynamiki ruchu obrotowego: 

M

n

(t) – M

z

(t, 

Θ

) = J

dt

t

d

)

(

 

M

n

 – moment napędowy wału silnika 

M

z

 – moment obrotowy zewnętrzny działający na wał silnika 

Ω – prędkość kątowa wału silnika 

Θ – położenie kątowe wału silnika 
J – wypadkowy, sprowadzony do wału silnika moment bezwładności wirnika silnika i części 
ruchomych urządzenia napędzanego. 
 

2. Charakterystyki silnika. 
 

W większości używanych silników wykresami są prędkość kątowa, prąd, moc oraz sprawność 
w funkcji momentu obciążenia. Prędkość i prąd są liniowymi funkcjami momentu obciążenia, 
jak pokazują równani 3 i 4. 
 

Równanie 3    

T

M

L

T

K

T

T

K

I

+

×

=

1

 

Równanie 4    

)

(

)

(

M

T

E

T

E

L

E

T

T

T

K

K

R

K

E

T

K

K

R

×

×

+

×

×

=

ω

 

 
 
 

background image

 
 
Rysunek 2 pokazuje charakterystyki prędkości i prądu. 
 
 
 

E

K

E

T

pr

ędko

ść

 

Moment obciążenia 

0.5T 

1.5T 

1.5ω 

ω

0.5 ω  

1.5E 

0.5E

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rysunek 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
Rysunek 3 
 
 
Równanie 4 wskazuje że prędkość silnika jest funkcją napięcia. Prędkość bez obciążenia i 
moment są proporcjonalne do napięcia (przy założeniu,  że T

M

 jest małe). To jest 

zademonstrowane na rysunku 3. 
Charakterystyka wyjściowej mocy i wydajności jest pokazana na rysunku 4. moc wyjściowa 
jest zależna od prędkości kątowej i momentu. Wejściowa moc jest zależna od napięcia i prądu 
silnika. Wydajność jest stosunkiem mocy wyjściowej do wejściowej. 
 

background image

 
 
Rysunek 4 
 
 

0.5T 

W

ydajno

ść

 

Moc wyj

ściowa 

0.5T 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Podstawowe parametry silnika i tolerancje.

 

Oto kilka parametrów silnika z opisem charakterystyk. Zacieśnione tolerancje są udostępniane 
przez firmy produkujące dane modele silników. 
 
 

Parametry 

Typowe symbole 

Tolerancja 

Typowe jednostki 

Stała momentowa 

Kt,,TPA 

±15% 

(oz • i n)/A   lub  (N • m)/A 

 

 

 

 

Stała SEM 

Ke, BEF 

+15% 

Volt/1000rpm  lub  volt/rad/s 

 

 

 

 

Rezystancja Rt,RTR 

±15% 

Om 

Indukcyjność L,DUK 

±10% 

Miliherz 

Bezwładność 

J,ERT 

±10% 

oz-in-s^2, kg *m^2 

Tracony moment 

Tm 

+30% 

Oz*in, N*m 

Tarcie Tf,TOF 

+50% 

Oz*in,N*m 

Prąd bez obciążenia To,INL 

+30% 

Amper 

Moment silnika tracony jest generalnie jako moment statyczny (frakcyjny) lub moment 
dynamiczny (uruchamianie). Straty momentu dynamicznego powodowane są przez 
magnetyczne histerezy, zawirowania prądowe, tarcie szczotek i straty na ułożyskowaniu. Od 
tego zależy prędkość silnika i siła.  
Maksymalny prąd bez obciążenia może być 1.3 razy większy od wartości podanych w 
katalogu.  

Parametry

 

Symbole

 

Tolerancje

 

Pochodne

 

Typowe Jednostki

 

Moment

 

Tp, TPK

 

Odniesienie

 

(E x K

T

)/R

– Tf

 

Oz*ln,N*m

 

Prędkość bez obciążenia

 

So, SNL, (

ω

,

ω

NL)

 

±15%

 

(E – INL x R

T

)/K

E

 

rpm, rad/s

 

Stall Current

 

Ip,AMP

 

±15%

 

E

/

RT

 

Amper

 

Stała silnika

 

K

M

.PKO

 

Odniesienie

 

Kt/sqrt(Rr)

 

Oz*in/sqrt(W) N*m/sqrt(W)

 

Stała wilgotności

 

K

D

, DPO

 

Odniesienie

 

(KtxKe)/Rt

 

oz-in/(rad/s), N-m/(rad/s)

 

Stała czasowa elektryczna

 

TE

,TCE

 

Odniesienie

 

L/Rt

 

ms

 

Stała czasowa mechaniczna

 

TM

.TMC

 

Odniesienie

 

(J xRt)/KtxKe)   

 

J/Kd

 

ms

 

 

 

 

 

 

background image

 

4. Podstawowe termiczne parametry: 

Termiczna Impedancja  RTH, TPR, BR   [

W

C

ο

Termiczna Stała Czasowa  TTH, TCT   [min] 
Maksymalna Temperatura   TMX  [

C

ο

 
 
Wartości katalogowe dla RTH i TTH są doświadczalnie wyznaczone z wirnikiem w bezruchu, 
na wolnym powietrzu i bez ogrzewania. To pozwoliło na osiągnięcie możliwie najgorszych 
wartości. Rzeczywiste wartości będą zależały od prędkości wirnika, temperatury otoczenia i 
przepływu powietrza. 
 

5. Wybór silników i czynniki pracy. 

Silniki DC mogą być obsługiwane w szerokim zakresie napięć, prędkości i obciążeń. 
Pierwszym krokiem jest wybranie typu silnika i jego rozmiarów, który będzie zdolny 
wyprodukować wymagany moment obciążenia.  
Wymagany stały moment możemy oszacować z równania: 
 
 

K

S

PKO

T

T

E

K

M

L

T

+

+

=

2

                           

 
  gdzie : 
 K

T

 = wymagany stały moment 

 E = dostarczane napięcie 
T

L

 = moment obciążenia 

T

M

 -= moment tarcia silnika  

PKO = stała silnika 
S = prędkość obciążenia 

K = 1352 dla T

L

 = uncja*cal , S = obr/min , PKO = 

W

cal

uncja *

 

    = 9.549 dla T

L

 =N*m , S = obr/min , PKO =

W

m

*

 

    = 1.000 dla T

L

 =N*m , S =rad/s , PKO =

W

m

*

 

 

6. Czynniki termiczne. 

Ciepło wytwarzane w silniku jest uzależnione od mocy silnika, która na wskutek wzrostu 
powoduje podniesienie temperatury silnika. 
Tracona Moc może być oszacowana przy użyciu równania: 
 

 Tracona Moc = 

K

T

R

I

M

T

ω

+

2

 

 
 

background image

K= 1352 dla  T

M

 = uncja*cal , 

ω=obr/min 

   = 9.549 dla T

M

 = N*m , 

ω= obr/min 

 
 
 
 
Rezystancja silnika, moment i SEM są funkcją temperatury. Zmiana każdego z tych trzech 
parametrów powoduje zmianę wydajności silnika oraz traconej mocy. Jeżeli silnik 
utrzymujemy na zbyt wysokim momencie obciążenia jego temperatura może  osiągnąć 
temperaturę krytyczną i silnik ulegnie spaleniu nawet jeżeli początkowe obliczenia pokazały 
tę temperaturę jako do przyjęcia. 
Temperaturę krytyczną osiąga się zazwyczaj wtedy, gdy  (

) tracona stanowi znaczącą 

część całkowitej traconej mocy. Rysunek 5 pokazuje rzeczywistą temperaturę w funkcji  
temperatury obliczonej. 

T

R

I

2

 
 
 
 
 
 
 
 

C

ο

Obliczona 

∆T 

Rzeczywista

T

15 

30 

45 

60 

75 

90 

105  [ C

ο

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 – 

szczotki ferrytyczno – magnetyczne 

2 – 

szczotka magnetyczne

 

background image

 

 
 
7. Analiza parametrów w SIMULINKu. 
 

Silnik prądu stałego można zasymulować w SIMULINKu. Poniżej jest prezentowany taki 
układ. Napięcie wejściowe U ustawiono na 12 V a pojawienie się napięcia po 5 sekundach. 
Czas trwania symulacji 10 sekund. Wartości R, J, Kw dobrano doświadczalnie. 
Do każdego z  otrzymywanych parametrów wstawiono blok Graph, za pomocą którego 
można otrzymać wykresy wartości w czasie.  

0

2

4

6

8

1 0

0

5

1 0

1 5

T i m e   ( s e c o n d )

 Napięcie wejściowe. 

 

Napięcie 

U

+
-

Sum

7.9*

Kw1

Obciążenie

s

1

Całkowanie E

1/6

1/R

s

1

Całkowanie

kąt

7.9*10

-

+

Sum1

1/(1.1

1/J

przyspieszenie

prędkość

prąd

Moment T

 

 
 
 
 
 
Dla zobrazowania wpływu czynników pracy wstępnie założono Obciążenie równe zero, czyli 
tak jak gdyby układ pracował bez tarcia. Otrzymano wtedy następujące wykresy. 
 

background image

 

 

Prąd 

Moment T

0

2

4

6

8

10

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Time (second)

0

2

4

6

8

10

0

0.5

1

1.5

2

Time (second)

 

 

0

2

4

6

8

10

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Time (second)

 

 

Przyspieszenie kątowe 

0

2

4

6

8

1 0

0

5 0 0 0

1 0 0 0 0

1 5 0 0 0

T im e   (s e c o nd )

Prędkość kątowa 

 

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

 

Kąt obrotu 

 
 
Jak widać z wykresu prądu taki idealny stan jest niemożliwy do uzyskania w rzeczywistości. 
Prąd w momencie podania napięcia rośnie a następnie spada do zera. Taki stan jest 
niemożliwy już na sam wskutek istnienia tarcia w ułożyskowaniu, tarcia szczotek i obciążenia 
silnika. 
 Dlatego przykładamy obciążenie równe 1/300 i symulujemy układ obciążony. 
 
 

 

background image

 

Prąd 

 

0

2

4

6

8

10

0

0.5

1

1.5

2

Time (second)

 

0

2

4

6

8

10

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Time (second)

 

Moment T

 

 

0

2

4

6

8

10

0

5000

10000

15000

Time (second)

0

2

4

6

8

10

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Time (second)

 

   

Przyspieszenie kątowe 

Prędkość kątowa 

 

 

5 0 0 0

6 0 0 0

7 0 0 0

8 0 0 0

9 0 0 0

1 0 0 0 0

Kąt obrotu 

 

 

 

 

 
Z otrzymanych wykresów wyraźnie widać, że w rzeczywistości po ustaleniu się obrotów 
pobór prądu nie spada do zera, lecz zmniejsza się i pozostaje na pewnym poziomie. 

background image

Natomiast można dostrzec spadek prędkości oraz przyspieszenia kątowego. 
 

8. Określenie stałych czasowych silnika. 
 

1. Współczynnik wzmocnienia obwodu wirnika K

E

 charakteryzujący własności dynamiczne 

silnika 

aN

aN

N

N

r

aN

r

aN

E

I

U

R

R

R

U

R

I

K

=

=

=

 

 
R

r

 – względna rezystancja twornika  

R

N

 – rezystancja znamionowa 

 
2. Mechaniczna stała czasowa T

M

 

N

N

s

M

M

ω

J

T

=

 

J

s

 – moment bezwładności silnika (kg m

2

ω

N

 – prędkość kątowa silnika (rad s

-1

M

N

 – moment znamionowy silnika (N m)

 

 
Mechaniczna stała czasowa T

M

 odpowiada czasowi rozruchu silnika przy biegu jałowym, gdy 

podczas rozruchu działa moment przyspieszający równy momentowi znamionowemu silnika. 
Jeśli silnik jest sprzęgnięty z maszyną roboczą, to wyznaczona siła T

M

 jest stałą całego 

układu. 
 
 


ω

T

M

 

ω(t) 

ω

I

aN

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sposób określenia mechanicznej stałej czasowej na podstawie oscylogramu rozruchu                
silnika nie sprzęgniętego z maszyną roboczą. 
 
 
3. Elektromechaniczna stała czasowa T

EM

E

M

EM

K

T

T

=

  

 

background image

Można ją wyznaczyć doświadczalnie w wyniku obserwacji przebiegu prędkości kątowej 
silnika po skokowo przyłożonym napięciu na zaciski twornika silnika. 
 
 

ω

ω

1

 

ω=f(t) 

T

EM

 

T

E

 

I

a1 

I

I

a2 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sposób wyznaczenia elektromechanicznej stałej czasowej. 
 
4. Stała czasowa elektromagnetyczna T

E

r

r

E

R

L

T

=

 

L

r

 – indukcyjność obwodu twornika  (H) 

R

r

 – rezystancja twornika (

Ω) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sposób wyznaczenia elektromagnetycznej stałej czasowej na podstawie oscylogramu przy 
zahamowanym silniku. 
5. Stała czasowa obwodu wzbudzenia T

f

f

f

f

R

L

T

=

 

background image

 
L

f

 – indukcyjność obwodu wzbudzenia (H) 

R

f

 – rezystancja obwodu wzbudzenia 

 
 

I

T

f

 

i

= f(t) 

I

f1

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sposób określania stałej czasowej T

f

 obwodu wzbudzenia. 

 
Ze względu na większą indukcyjność obwodu wzbudzenia stała T

f

 osiąga na ogół znacznie 

większą wartość niż stała T

E

 
 
 
 
 
 

9. Podsumowanie: 
 

Silniki prądu stałego są bardzo często stosowane w napędach manipulatorów i robotów ze 
względu na możliwość płynnej regulacji prędkości kątowej w szerokim zakresie ( 100:1) 
Przy wyborze sposobu regulacji prędkości silnika powinny być brane pod uwagę następujące 
kryteria: 

- zakres 

regulacji 

- płynność regulacji 
- stabilność pracy przy danej prędkości kątowej 
- dopuszczalne 

obciążenie silnika przy danym zakresie regulacji 

- ekonomiczność regulacji 

Stabilność pracy zależy między innymi od sztywności charakterystyki mechanicznej silnika. 
Dopuszczalne obciążenie silnika zależy od kształtu prądu twornika, rodzaju i zakresu 
regulacji oraz sposobu chłodzenia silnika, gdyż nagrzewanie się maszyny jest głównym 
czynnikiem ograniczającym obciążanie silnika (na przykład w silniku z przewietrzeniem 
własnym chłodzenie pogarsza się wraz ze zmniejszeniem się prędkości kątowej). Kryterium 

background image

ekonomiczności powinno uwzględnić nie tylko straty energii spowodowane regulacją, ale 
także koszt układu regulacyjnego i jego eksploatacji. 
We współczesnych układach napędowych prądu stałego stosuje się układy 
półprzewodnikowe, które umożliwiają bezstopniową regulację i stabilizację prędkości 
kątowych silników. 
 
 

Literatura : 

1.  S. Januszewski, A Pytlak – „Napęd elektryczny” 
2.  E. Koziej, B. Sochoń – „Elektrotechnika i elektronika” 
3.  J. Machowski, C. Grzbiela –„Maszyny, urządzenia elektryczne i automatyka w 

górnictwie”