Modelo lineal de un motor DC

El modelo lineal de un motor eléctrico de DC consiste en 2 ecuaciones diferenciales acopladas: el modelo eléctrico y el modelo mecánico. Debido a que ambos modelos están relacionados podemos escribir un modelo general el cual nos permitirá obtener una función de transferencia. En este ejemplo encontraremos la función de transferencia que relacione voltaje (entrada) con posición angular (salida). Primero, observemos el diagrama del circuito equivalente de la armadura del motor y el diagrama de cuerpo libre de rotor:

Para obtener la ecuación diferencial para el modelo eléctrico consideramos la ley de voltajes de Kirchoff:

 La fuerza contra-electromotriz se genera al iniciar el movimiento del rotor debido a que el campo magnético fijo del estator induce un voltaje en el devanado de la armadura (este voltaje es negativo con respecto al voltaje de entrada). La fcem es proporcional a la velocidad angular del rotor por lo que la constante Kb puede determinarse experimentalmente graficando el voltaje en las terminales del motor contra la velocidad angular del rotor (se verá que la relación no es realmente lineal en un intervalo grande pero puede usarse sólo la región lineal como una aproximación para el modelo).

Para obtener el modelo mecánico consideramos la segunda ley de Newton para movimiento angular:

Dónde J y b son el momento de inercia del rotor y el coeficiente de amortiguamiento por fricción respectivamente. Vemos que el torque es proporcional a la corriente en el motor. Asumiendo que no hay perdidas electromagnéticas, por fricción ni por calor, la potencia mecánica en el rotor debe igualar a la potencia eléctrica de manera que :

Por lo que el valor para el factor de fcem encontrado experimentalmente puede ser usado como valor para Kt. Observamos ahora que las ecuaciones (1) y (2) están relacionadas por la función de corriente.Para facilitar la sustitución obtendremos primero la transformada de Laplace de ambas ecuaciones:

Despejando I(s) de (4) y sustituyendo en (3) obtendremos el modelo unificado para el motor DC. Teniendo ya una sola ecuación obtenemos la función de transferencia posición/voltaje:

Ejecutando el siguiente código en Matlab asignando algunos valores a las constantes obtenemos su respuesta al escalón unitario en lazo cerrado:

J = 3.2284E-6;
b = 3.5077E-6;
K = 0.0274;
R = 4;
L = 2.75E-6;
s = tf('s');
P_motor = K/(s*((J*s+b)*(L*s+R)+K^2))
sys_cl = feedback(P_motor,1)
step(sys_cl)

Nota: Esto es lo que se conoce como identificación de sistema de caja blanca. Si no conocen ningún parámetro físico del motor, pueden usar el procedimiento de identificación de caja negra que describo aquí.

Referencias:
DC Motor Position: System Modeling, University of Michigan
DC Motor, MathWorks
DC Motor, How It Works? [video subtitulado en español], Learn Engineering