exponenta event banner

Однополярный шаговый двигатель

Шаговый двигатель с центральными отводами на двухфазных обмотках

  • Библиотека:
  • Simscape/Электрические/Электромеханические/Нежелательные и шаговые

  • Unipolar Stepper Motor block

Описание

Блок однополярного шагового двигателя представляет шаговый двигатель, который имеет центральные отводы на двухфазных обмотках. Токи обмоток и механический выход определяются следующими уравнениями:

eA + = Km

eA = Km

eB + = Km

eB = Km

diA + dt = (vA + RiA + − eA + )/L

dIa dt = (vA RiA − − eA − )/L

diB + dt = (vB + RiB + − eB + )/L

diB dt = (vB RiB − − eB − )/L

Jdü dt + = Te

Те =−Km (iA +−iA−−eA +−eA−Rm) грех (Nrθ) +Km (iB +−iB−−eB +−eB−Rm), потому что (Nrθ) −Tdsin (4Nrθ)

dü dt = λ

где:

  • eA + - это обратная ЭДС, индуцированная через A + - A0 полувымотку.

  • eA- это задняя ЭДС, индуцированная через A- до A0 полуобмотку.

  • eB + - обратная ЭДС, индуцированная через B + до B0 полувымотки.

  • eB- - задняя ЭДС, индуцированная через В- до B0 полуобмотки.

  • iA + - ток, протекающий от порта A + к порту отвода центра A0.

  • iA- ток, протекающий от порта A- к порту отвода центра A0.

  • iB + - ток, протекающий от порта B + к порту отвода центра B0.

  • iB - ток, протекающий от порта B- к порту отвода центра B0.

  • vA + - напряжение в порту A + относительно порта центрального ответвления A0.

  • vA- напряжение в порту A- относительно порта центрального ответвления A0.

  • vB + - напряжение в порту B + относительно порта центрального ответвления B0.

  • vB- напряжение в порту B- относительно порта центрального ответвления B0.

  • Km - постоянный крутящий момент двигателя.

  • Nr - количество зубьев на каждом из двух полюсов ротора. Параметр Full step size (Полный размер шага) равен (λ/2 )/Nr.

  • R - сопротивление полуобмотки. Например, это сопротивление между портами A + и A0.

  • L - индуктивность полуобмотки. Например, это индуктивность между портами A + и A0.

  • Rm - сопротивление намагничиванию.

  • B - гашение вращения.

  • J - инерция.

  • λ - частота вращения ротора.

  • Δ - угол ротора.

  • Td - амплитуда крутящего момента фиксатора.

  • Te - электрический крутящий момент.

Если начальный ротор равен нулю или является кратным (λ/2 )/Nr, то ротор выравнивается с обмоткой фазы А. Если положительный ток течет от порта A + к порту отвода центра A0, то степпер действует так, чтобы оставаться выровненным с фазой A. Эквивалентно, положительный ток, протекающий от центрального порта отвода A0 к A-порту, также действует на ротор, чтобы оставаться выровненным с A-фазой.

Блок однополярного шагового двигателя создает положительный крутящий момент, действующий от механических портов C к R для любой из следующих последовательностей. Обе последовательности предполагают, что начальный угол ротора равен нулю или несколько кратен (λ/2 )/Nr.

ПоследовательностьЦентральные отводы, подключенные к землеЦентральные отводы, подключенные к положительному источнику питания
1 Положительный ток от A + до A0 Положительный ток от A0 до A-
2 Положительный ток от В + до B0 Положительный ток от B0 до B-
3 Положительный ток от А до A0 Положительный ток от A0 до A-
4 Положительный ток от В- до B0 Положительный ток от B0 до B-

Усредненный режим

Если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged, как для блока однополярного шагового двигателя, так и для блока драйвера однополярного шагового двигателя, который управляет им, отдельные шаги не моделируются. Это может быть хорошим способом ускорить моделирование. В усредненном режиме в условиях отсутствия проскальзывания двигатель и привод представлены линейной системой второго порядка, которая отслеживает заданную скорость шага. Требуемая ступенчатая скорость определяется непосредственно по напряжению на A + и A-. Так, например, напряжение + 10 В на A + и A- клеммах интерпретируется как требование скорости шага в десять шагов в секунду. Дополнительные сведения о подключении драйвера однополярного шагового двигателя к контроллеру угла шага см. на справочной странице «Драйвер однополярного шагового двигателя».

Усредненный режим включает в себя блок оценки проскальзывания для прогнозирования того, проскальзывал ли бы шаговый двигатель при работе в режиме моделирования степпинга. Проскальзывание прогнозируют, если крутящий момент двигателя превышает вектор значения параметра максимальных значений крутящего момента в течение более чем одного периода шага, причем период шага определяют из текущей требуемой скорости шага. После обнаружения проскальзывания моделирование будет продолжено или остановлено с ошибкой в соответствии со значением параметра Action on slipping. При выборе действия, позволяющего продолжить моделирование, обратите внимание, что результаты моделирования могут быть неверными: при проскальзывании крутящий момент, создаваемый двигателем, как правило, не будет максимальным доступным крутящим моментом; максимальный крутящий момент достигается только в том случае, если шаговый контроллер обнаруживает проскальзывание и соответственно регулирует команду скорости шага.

Динамика эквивалентной системы второго порядка определяется из значений, заданных для параметров команды Приблизительная суммарная инерция нагрузки (Approximate total load inertia) и Максимальная скорость шага (Maximum step rate). Важно установить как можно более точные значения для этих параметров, чтобы команда скорости шага отслеживалась, а блок не генерировал ложных предупреждений о проскальзывании или ошибок.

Если двигатель работает в усредненном режиме с открытыми дополнительными тепловыми портами (см. раздел Тепловые порты), то тепло добавляется к тепловым портам при условии, что обмотки всегда питаются, даже если команда скорости шага равна нулю. Блок выполняет регулировку на половину ступенчатого перемещения и на пониженный крутящий момент (и токи обмотки) при более высоких скоростях. Чтобы эти регулировки были правильными, вектор максимальных значений параметров крутящего момента должен быть верным. Для половинной ступенчатой обработки при нулевой скорости теплота, генерируемая блоком, представляет собой среднее значение теплоты, генерируемой при остановке на половинной ступени и на полной ступени.

При моделировании или прогнозировании проскальзывания MathWorks рекомендует выполнить несколько прогонов проверки, сравнивая степпинг и усредненный режимы, прежде чем использовать усредненное представление модели для расчетных исследований.

Тепловые порты

Блок имеет пять опциональных тепловых портов, по одному для каждой из четырех полуобмоток и по одному для ротора. По умолчанию эти порты скрыты. Чтобы открыть тепловые порты, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите «Simscape» > «Block choices» > «Show thermal port». Это действие отображает тепловые порты на значке блока и отображает параметры Температурная зависимость (Temperature Dependence) и Тепловой порт (Thermal Port). Эти параметры описаны далее на этой справочной странице.

Используйте тепловые порты для моделирования влияния сопротивления меди и потерь железа, которые преобразуют электроэнергию в тепло. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов в блоках привода см. в разделе Моделирование тепловых эффектов во вращательных и поступательных приводах.

Допущения и ограничения

  • Модель игнорирует эффекты магнитного насыщения и любую магнитную связь между фазами.

  • Когда Вы выберете моделирование Начала из флажка устойчивого состояния в блоке Конфигурации Решающего устройства Simscape™, этот блок не инициализирует Начальную угловую стоимость ротора между-π и π.

  • Предполагается, что все четыре полуобмотки идентичны и поэтому имеют одинаковый температурный коэффициент сопротивления, альфа и одинаковую тепловую массу.

  • Для использования усредненного режима блок однополярного шагового двигателя должен быть непосредственно соединен с блоком драйвера однополярного шагового двигателя, также работающим в усредненном режиме.

  • Усредненный режим является аппроксимацией, и точного отслеживания шага по сравнению со степпингом не следует ожидать.

  • Обнаружение проскальзывания в усредненном режиме является приблизительным и зависит от хорошей оценки инерции нагрузки и максимальной скорости шага. Неправильные значения могут привести к обнаружению ложного проскальзывания.

  • При моделировании проскальзывания в усредненном режиме предполагается, что контроллер шагового двигателя регулирует команду скорости шага так, чтобы достичь максимально возможного крутящего момента.

Порты

Сохранение

развернуть все

Порт экономии электроэнергии, связанный с верхним А-фазным электрическим соединением.

Электрический консервационный порт, связанный с A-фазным отводом.

Порт экономии электроэнергии, связанный с нижним А-фазным электрическим соединением.

Порт экономии электроэнергии, связанный с верхним B-фазным электрическим соединением.

Электрический консервационный порт, связанный с подключением к центру B-фазы.

Порт экономии электроэнергии, связанный с нижним B-фазным электрическим соединением.

Механическое поворотное защитное отверстие, связанное с корпусом.

Механическое отверстие для сохранения вращения, связанное с ротором.

Тепловой порт для обмотки между A + и A0. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Тепловой порт для обмотки между A- и A0. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Тепловой порт для обмотки между B + и B0. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Тепловой порт для обмотки между B и B. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Тепловое отверстие для ротора. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Параметры

развернуть все

Электрический крутящий момент

Выбрать Stepping или Averaged. Использовать Averaged только если блок подключен непосредственно к блоку драйвера однополярного шагового двигателя, также работающему в усредненном режиме.

Вектор скоростей вращения, при которых определяют максимальные значения крутящего момента, для прогнозирования проскальзывания.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged.

Вектор максимальных значений крутящего момента, используемый для прогнозирования проскальзывания в сочетании с параметром Vector of rotation speeds. Максимальные значения крутящего момента часто указываются в спецификации и должны соответствовать напряжению питания и типу ступеней (половина шага или полный шаг), указанным в водителе.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged.

Выберите действие для блока, выполняемое во время моделирования при обнаружении проскальзывания:

  • none - Продолжить моделирование, ограничив крутящий момент нагрузки в соответствии с вектором максимальных значений крутящего момента.

  • warn - Продолжить моделирование, ограничив крутящий момент нагрузки в соответствии с вектором максимальных значений крутящего момента, и создать предупреждение о проскальзывании ротора.

  • error - Остановите моделирование и выдайте сообщение об ошибке при проскальзывании ротора.

Обратите внимание, что при выборе действия, позволяющего продолжить моделирование, результаты моделирования могут быть неверными: при проскальзывании крутящий момент, создаваемый двигателем, как правило, не будет максимальным доступным крутящим моментом; максимальный крутящий момент достигается только в том случае, если шаговый контроллер обнаруживает проскальзывание и соответственно регулирует команду скорости шага.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged.

Приблизительная суммарная инерция нагрузки, включая инерцию ротора. Это значение используется для прогнозирования случаев проскальзывания из-за необходимости быстрого ускорения.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged.

Максимальная частота шагов, которую будет использовать система. Он используется для определения подходящей полосы пропускания для приближения системы второго порядка к шаговому двигателю и приводу.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Averaged.

Половина сопротивления фазных обмоток А и В, измеренного между A + и A- и B + и B- портами.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Stepping.

Половина индуктивности фазных обмоток А и В, измеренная между A + и A- и B + и B- портами.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Stepping.

Постоянная крутящего момента двигателя Km.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Stepping.

Амплитуда изменения синусоидального крутящего момента, наблюдаемая при вращении вала двигателя без питания.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Stepping.

Общее сопротивление намагничиванию, наблюдаемое от каждой из фазных обмоток, например, через A + и A0. Значение должно быть больше нуля. Значение по умолчанию: Inf, что подразумевает отсутствие потерь железа.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) задано значение Stepping.

Размер шага при изменении полярности фазного тока A или B. Значение по умолчанию: 1.8°.

Коэффициент сцепления обмоток на взаимную индуктивность.

Механический

Сопротивление ротора изменению движения двигателя. Значение может быть равно нулю.

Энергия, рассеиваемая ротором. Значение может быть равно нулю.

Частота вращения ротора в начале моделирования.

Угол ротора в начале моделирования.

Температурная зависимость

Эта вкладка отображается только для блоков с открытыми тепловыми портами. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Параметр α в уравнении, определяющий сопротивление как функцию температуры, как описано в Тепловой модели для блоков привода. Предполагается, что все обмотки выполнены из одного материала и поэтому имеют одинаковый температурный коэффициент сопротивления.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) в параметре Электрический крутящий момент (Electrical Torque) задано значение Stepping.

Температура, для которой определены параметры двигателя.

Вектор максимальных значений крутящего момента при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) в параметре Электрический крутящий момент (Electrical Torque) задано значение Averaged.

Вторая температура измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) в параметре Электрический крутящий момент (Electrical Torque) задано значение Averaged.

Укажите степпинг-режим.

Зависимости

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра Режим моделирования (Simulation mode) в параметре Электрический крутящий момент (Electrical Torque) задано значение Averaged.

Тепловой порт

Эта вкладка отображается только для блоков с открытыми тепловыми портами. Дополнительные сведения см. в разделе Тепловые порты.

Тепловая масса для половины обмотки A или B. Тепловая масса - это энергия, необходимая для повышения температуры на один градус. Предполагается, что все четыре полуобмотки имеют одинаковую тепловую массу.

Вектор строки 1 на 4, определяющий температуру четырех полуобмоток в начале моделирования.

Тепловая масса ротора, то есть энергия, необходимая для повышения температуры ротора на один градус.

Температура ротора в начале моделирования.

Процент сопротивления намагничиванию, связанный с магнитным путем через ротор. Он определяет, какая часть нагрева с потерями железа относится к тепловому порту HR ротора, а какая - к четырем тепловым портам обмотки.

Примеры модели

Ссылки

[1] М. Бодсон, Ж. Н. Чиассон, Р. Т. Новотнак и Р. Б. Рековски. «Высокопроизводительное нелинейное управление обратной связью шагового двигателя постоянного магнита». IEEE Transactions on Control Systems Technology, том 1, № 1, март 1993 года.

[2] П. П. Акарнли. Stepping Motors: Руководство по современной теории и практике. Нью-Йорк: Перегрин, 1982.

[3] С. Е. Лышевски. Электромеханические системы, электрические машины и прикладная мехатроника. КПР, 1999 ГОД.

Расширенные возможности

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

.
Представлен в R2012b