Exponenta Banner
exponenta event banner

КЭМ-параметризованный линейный исполнительный механизм

Линейный привод, определяемый в терминах магнитного потока

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Электрические/Электромеханические/Мехатронные приводы

  • FEM-Parameterized Linear Actuator block

Описание

Блок FEM-Parameterized Linear Activate реализует модель линейного исполнительного механизма, определенного в терминах магнитного потока. Этот блок используется для моделирования пользовательских соленоидов и линейных двигателей, в которых магнитный поток зависит от тока на обоих расстояниях. Параметризация блока выполняется с использованием данных из пакета внешнего магнитного метода конечных элементов (КЭМ).

Примечание

Чтобы использовать этот блок для представления соленоида с воздушным зазором x между корпусом С и плунжером R, тогда табличное усилие должно быть отрицательным для представления тягового усилия, приводящего R к C.

Блок имеет два варианта электрического уравнения. Первый, Define in terms of dPhi(i,x)/dx and dPhi(i,x)/di, определяет ток в терминах частных производных магнитного потока (Start) относительно расстояния (x) и тока (i), уравнения для которых:

didt = (v−iR−∂Φ∂xdxdt )/ ∂Φ∂i

Второй вариант, Define in terms of Phi(i,x), определяет напряжение на компоненте непосредственно в терминах потока, уравнение для которого:

v = iR + ddtStart( x, i)

Численно, определение электрического уравнения в терминах частных производных потока лучше, потому что обратная ЭДС кусочно непрерывна. При непосредственном использовании потока использование более точного размера сетки для тока и положения улучшит результаты, равно как и выбор кубической или сплайновой интерполяции.

В обоих случаях имеется возможность либо непосредственно задать силу как функцию от тока и положения, используя матрицу силы, параметр F (i, x), либо блок автоматически вычисляет матрицу силы.

При непосредственном вводе данных электромагнитной силы можно либо использовать данные, предоставляемые магнитным пакетом конечных элементов (который использовался для определения потока), либо вычислить силу из потока с помощью следующего уравнения:

F=∫0i∂Φ (x, i) ∂xdi

Пример реализации такого типа интеграции в MATLAB ® см. в разделе Параметризация соленоида с помощью данных КЭМ (Solenoid Parameterized with FEM Data). Связанный файлee_solenoid_fem_params.m содержит код, который вычисляет и отображает данные потока.

В качестве альтернативы блок может автоматически вычислить матрицу сил на основе предоставленной информации о потоке. Чтобы выбрать эту опцию, задайте матрицу Вычислить силу (Calculate force matrix)? параметр для Yes. Вычисление матрицы сил происходит при инициализации модели на основе текущей информации связи блочного потока. Силу вычисляют путем численного интегрирования скорости изменения связи потока относительно положения по току согласно предшествующему уравнению. Если для параметра «Электрическая модель» установлено значение Define in terms of Phi(i,x), то блок сначала должен оценить смещение wrt частичной производной потока, значение параметра dPhi (i, x )/dx из данных связи потока. При этом блок использует метод интерполяции, заданный параметром метода интерполяции. Как правило, Smooth наиболее точна опция, но Linear вариант наиболее надежен.

Для положительных или положительных и отрицательных токов можно определить Λ и его частные производные. Если определить только положительные токи, то блок предполагает, что (-i, x) = - (i, x). Поэтому, если текущий вектор является только положительным:

  • Первое текущее значение должно быть равно нулю.

  • Поток, соответствующий нулевому току, должен быть равен нулю.

  • Частная производная потока относительно смещения должна быть равна нулю для нулевого тока.

Для моделирования линейного двигателя с повторяющимся образцом потока задайте для параметра Зависимость потока от смещения значение Cyclic. При выборе этой опции сила и поток (или частные производные силы и потока в зависимости от выбранной опции) должны иметь идентичные первый и последний столбцы.

Примечание

Направление приводимого в действие движения этого блока можно поменять местами, перевернув блок и поменяв местами соединения R и C.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры Температурная зависимость (Temperature Dependence) и Тепловой порт (Thermal Port).

Используйте тепловой порт для моделирования влияния потерь сопротивления меди, которые преобразуют электроэнергию в тепло. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о параметрах температурной зависимости и теплового порта см. в разделе Моделирование тепловых эффектов во вращательных и поступательных приводах.

Допущения и ограничения

  • Необходимо предоставить согласованный набор данных силы и потока. Проверка, гарантирующая соответствие матрицы сил данным потока, отсутствует.

  • При управлении блоком FEM-Parameterized Linear Activate через последовательный индуктор может потребоваться включить параллельную проводимость в компонент индуктора.

Порты

Сохранение

развернуть все

Электрический консервационный порт, связанный с положительной клеммой привода.

Электрический консервационный порт, связанный с отрицательным выводом исполнительного механизма.

Механический консервационный порт, связанный с корпусом привода.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ КОНСЕРВИРУЮЩЕЕ ОТВЕРСТИЕ, СВЯЗАННОЕ С ПЛУНЖЕРОМ.

Тепловой порт. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловой порт.

Параметры

развернуть все

Магнитная сила

Выберите одну из следующих опций параметризации на основе базовой электрической модели.

  • Define in terms of dPhi(i,x)/dx and dPhi(i,x)/di - Определить ток через блок в терминах частных производных магнитного потока по расстоянию и току.

  • Define in terms of Phi(i,x) - Определите напряжение на клеммах блока непосредственно в терминах потока.

Укажите вектор монотонно увеличивающихся значений тока, соответствующий данным силового потока. Если заданы только положительные токи, первый элемент должен быть равен нулю.

Укажите вектор монотонно увеличивающихся значений смещения, соответствующий данным силового потока.

Укажите матрицу частных производных потока относительно тока. Значение по умолчанию в Wb/A:

[ 0.104 0.098 0.091 0.085 0.078; 
0.095 0.089 0.084 0.079 0.073; 
0.085 0.081 0.077 0.073 0.069; 
0.076 0.073 0.07 0.067 0.064; 
0.067 0.065 0.063 0.061 0.06; 
0.057 0.057 0.056 0.056 0.055; 
0.048 0.049 0.049 0.05 0.05; 
0.038 0.04 0.042 0.044 0.046; 
0.029 0.032 0.035 0.038 0.041; 
0.02 0.024 0.028 0.033 0.037; 
0.01 0.016 0.021 0.027 0.032 ]

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Электрическая модель» задано значение Define in terms of dPhi(i,x)/dx and dPhi(i,x)/di.

Укажите матрицу частных производных потока относительно смещения. Значение по умолчанию в Wb/m:

[ 0 0 0 0 0; 
-11.94 -10.57 -9.19 -7.81 -6.43; 
-21.17 -19.92 -18.67 -17.42 -16.16; 
-27.99 -26.87 -25.75 -24.62 -23.5; 
-32.42 -31.43 -30.43 -29.43 -28.44; 
-34.46 -33.59 -32.72 -31.85 -30.98; 
-34.09 -33.35 -32.61 -31.87 -31.12; 
-31.33 -30.72 -30.1 -29.49 -28.87; 
-26.17 -25.68 -25.2 -24.71 -24.22; 
-18.62 -18.26 -17.9 -17.54 -17.18; 
-8.66 -8.43 -8.2 -7.97 -7.73 ]

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Электрическая модель» задано значение Define in terms of dPhi(i,x)/dx and dPhi(i,x)/di.

Укажите матрицу общей связи потока, то есть поток умножает число витков. Значение по умолчанию в Wb: 

[ 0 0 0 0 0; 
0.0085 0.0079 0.0075 0.0071 0.0067; 
0.0171 0.016 0.0151 0.0143 0.0137; 
0.0254 0.0239 0.0226 0.0215 0.0206; 
0.033 0.0312 0.0297 0.0283 0.0271; 
0.0396 0.0377 0.036 0.0345 0.0331; 
0.0452 0.0433 0.0415 0.0399 0.0384; 
0.0495 0.0478 0.0461 0.0446 0.0431; 
0.0526 0.0512 0.0498 0.0485 0.0472; 
0.0545 0.0537 0.0528 0.0519 0.0508; 
0.0554 0.0553 0.0551 0.0548 0.0542 ]

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Электрическая модель» задано значение Define in terms of Phi(i,x).

Укажите способ предоставления данных электромагнитной силы:

  • No — specify directly - Введите данные электромагнитной силы непосредственно, используя параметр Force matrix, F (i, x). Это параметр по умолчанию.

  • Да - блок вычисляет силу на основе информации о связи потока как функцию тока и смещения.

Укажите матрицу электромагнитной силы, приложенной к плунжеру или движущейся детали. Значение по умолчанию в Н: 

[ 0 0 0 0 0; 
-0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.3; 
-2.3 -2 -1.7 -1.4 -1.2; 
-4.9 -4.3 -3.7 -3.2 -2.7; 
-8.3 -7.3 -6.4 -5.5 -4.7; 
-12.2 -10.7 -9.4 -8.2 -7.2; 
-16.2 -14.4 -12.7 -11.3 -10; 
-20 -17.9 -15.9 -14.3 -12.9; 
-23.3 -20.9 -18.8 -17.1 -15.7; 
-25.7 -23.1 -21.1 -19.4 -18.2; 
-26.5 -24.1 -22.2 -20.9 -20.1 ]

Зависимости

Этот параметр отображается только при задании матрицы Вычислить силу (Calculate force matrix)? параметр для No — specify directly.

Задайте массив потока:

  • Unique - Отсутствует структура потока.

  • Cyclic - выберите эту опцию для моделирования линейного двигателя с повторяющимся образцом потока. Сила и поток (или частные производные силы и потока, в зависимости от выбранной опции Электрическая модель) должны иметь идентичные первый и последний столбцы.

Выберите один из следующих методов интерполяции для аппроксимации выходного значения, когда входное значение находится между двумя последовательными точками сетки:

  • Linear - Выберите этот параметр, чтобы получить наилучшую производительность.

  • Smooth - выберите эту опцию, чтобы создать непрерывную поверхность с непрерывными производными первого порядка.

Дополнительные сведения о алгоритмах интерполяции см. на странице ссылок на блоки таблицы поиска PS (2D).

Выберите один из следующих методов экстраполяции для определения выходного значения, когда входное значение выходит за пределы диапазона, указанного в списке аргументов:

  • Linear - выберите эту опцию, чтобы создать поверхность с непрерывными производными первого порядка в области экстраполяции и на границе с областью интерполяции.

  • Nearest - выберите эту опцию, чтобы создать экстраполяцию, которая не превышает самую высокую точку в данных или ниже самой низкой точки в данных.

Дополнительные сведения о алгоритмах экстраполяции см. на странице ссылок на блоки таблицы поиска PS (2D).

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Зависимость потока от смещения (Flux dependence on disposition) задано значение Unique.

Полное сопротивление электрической обмотки.

Механический

Линейное демпфирование. Значение может быть равно нулю.

Масса подвижной части, которая соответствует механическому поступательному порту R. Значение может быть равно нулю.

Ход, при котором нижний механический конец останавливается. Значение может быть -Inf.

Ход, при котором верхний механический конец останавливается. Значение может быть Inf.

Положение плунжера в начале моделирования.

Скорость плунжера в начале моделирования.

Контактная жесткость между плунжером и концевыми упорами.

Контактное демпфирование между плунжером и концевыми упорами.

Температурная зависимость

Эта вкладка отображается только для блоков с открытым тепловым портом. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловой порт.

Температурный коэффициент сопротивления.

Температура, для которой определены параметры привода.

Тепловой порт

Эта вкладка отображается только для блоков с открытым тепловым портом. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловой порт.

Тепловая масса - это энергия, необходимая для повышения температуры на один градус.

Температура теплового порта в начале моделирования.

Примеры модели

Solenoid Parameterized with FEM Data

Соленоид, параметризованный с помощью данных КЭМ

Соленоид ограниченного хода с возвратной пружиной. При отсутствии напряжения пружина удерживает плунжер на расстоянии 0,1 мм от полностью находящегося под напряжением положения. Через 0,1 секунды соленоид включается, и смещение переходит в ноль. При 0,06 с прикладывается сила, превышающая удерживающую силу, и плунжер перемещается до максимального хода 0,2 мм. Электромагнитная сила и характеристики обратной ЭДС определяются блоком FEM-Parameterized Linear Activate. Этот блок принимает данные в формате, обычно обеспечиваемом инструментом моделирования конечного магнитного поля. Существует две опции параметризации, одна из которых работает непосредственно с данными потока, а другая использует частные производные потока относительно тока и смещения. Последний вариант обычно является лучшим выбором, он дает более точные результаты для данной плотности текущих и позиционных точек данных. Однако для этого требуется больше предварительной обработки данных.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

|

Представлен в R2010a

Документация Simscape Electrical

Поддержка