Stepper Motor
Реализуйте шаговые модели электродвигателя
Библиотека
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины
Описание
Блок Stepper Motor (STM) реализует типовую модель, которая представляет два наиболее популярных семейства шаговых двигателей:
Шаговые двигатели с переменным реактивом
Шаговые двигатели с постоянными или гибридными магнитами
Модель Шагового Двигателя состоит из электрических и механических секций. Электрическая секция представлена эквивалентной схемой, строение которой зависит от типа мотора. Эквивалентные схемы предполагают, что магнитная схема является линейной (без насыщения), и взаимная индуктивность между фазами незначительна. Механическое сечение представлено моделью пространства состояний, основанной на моменте инерции и коэффициенте вязкого трения.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в шаговом двигателе с переменным реактивом.
В этой модели Ra и La (θ), соответственно, представляют сопротивление и индуктивность обмотки фазы А. Индуктивность обмотки изменяется как функция от положения ротора:
La (<reservedrangesplaceholder3>) = <reservedrangesplaceholder2> 0 + <reservedrangesplaceholder1> 1cos (<reservedrangesplaceholder0>),
где,
L 0 является средней индуктивностью.
L 1 является максимальным изменением индуктивности.
Nr - количество зубьев ротора.
В ссылку положении (θ = 0) зубец ротора полностью выровнен с полюсом оси А, чтобы достичь максимальной индуктивности обмотки А-фазы.
Общий электромагнитный крутящий момент, создаваемый двигателем, является суммой крутящих моментов, создаваемых фазами мотора:
где,
m количество фаз.
ix - ток обмотки в фазе x.
Lx - индуктивность обмотки x фазы.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в шаговом двигателе с постоянными магнитами (PM) или гибридном шаговом двигателе.
В этой модели Ra и La, соответственно, представляют сопротивление и индуктивность обмотки А-фазы. Из-за большого значения воздушного зазора, введенного магнитами, индуктивность обмотки РМ или гибридного шагового двигателя может рассматриваться как независимая от положения ротора. Источник ea напряжения (θ) представляет обратную электродвижущую силу (ЭДС) двигателя, которая является синусоидальной функцией положения ротора:
где,
p - количество пар полюсов. Количество пар p полюсов задается p = Nr/2.
ψm - максимальный магнитный поток двигателя.
Обратите внимание, что в ссылку положении (θ = 0) северный полюс на роторе полностью выровнен с полюсом оси A, чтобы достичь нулевого значения коэффициента противо-ЭДС A-фазы.
Электромагнитный крутящий момент, создаваемый двухфазным PM или гибридным шаговым двигателем, равен сумме крутящего момента, возникающего в результате взаимодействия токов фазы и магнитных потоков, создаваемых магнитами и фиксирующим крутящим моментом, который возникает в результате салиентности ротора:
Te = - pψmia sin (<reservedrangesplaceholder6>) - pψmib sin (pθ - <reservedrangesplaceholder3>/2) - <reservedrangesplaceholder2> dmsin (m Nrθ).
где,
m - количество фаз (m = 2) двигателя.
Nr количество зубьев на роторе (Nr = 2 * p).
Параметры
Двигатель с постоянными магнитами/гибридный двигатель
- Motor type
Выберите
Permanent-magnet/Hybrid(по умолчанию) для реализации PM или гибридного шагового двигателя.- Number of phases
Выберите
2(по умолчанию) или4фазы.- Winding inductance
Индуктивность, La, в Н, каждой фазной обмотки. По умолчанию это
10e-3.- Winding resistance
Сопротивление, Ra, в омах, каждой фазной обмотки. По умолчанию это
1.2.- Step angle
Угол шага, в степенях, движения ротора. По умолчанию это
30.- Maximum flux linkage
Максимальное редактирование потока, ψm, в V.s, произведенная магнитами. По умолчанию это
0.04.- Maximum detent torque
Максимальный крутящий момент заслонки, Tdm, в N.m, возникающий из-за салиентности ротора. По умолчанию это
0.02.- Total inertia
Импульс полной инерции, J, в кг.м2, мотора и нагрузки. По умолчанию это
1e-4/5.- Total viscous friction coefficient
Общий коэффициент вязкого трения, B, в Н.М., двигателя и нагрузки. По умолчанию это
1e-3.- Initial speed
Начальная скорость вращения, ω0, в рад/с. По умолчанию это
0.- Initial position
Начальное положение ротора, Θ0, в степенях. По умолчанию это
0.- Sample time (-1 for inherited)
Задайте шаг расчета шагового двигателя в с. Укажите
–1наследование шага расчета блока powergui в вашей модели. По умолчанию это–1.
Переменное реактивное сопротивление
- Motor type
Выберите
Variable reluctanceдля реализации шагового двигателя с переменной реактивностью.- Number of phases
Выберите
3,4, или5фазы.- Maximum winding inductance
Максимальная индуктивность, Lmax, в Н, каждой фазной обмотки. По умолчанию это
10e-3.- Minimum winding inductance
Минимальная индуктивность, Lmin, в Н, каждой фазной обмотки. По умолчанию это
2e-3.- Winding resistance
Сопротивление, Ra, в омах, каждой фазной обмотки. По умолчанию это
1.2.- Step angle
Угол шага, в степенях, движения ротора. По умолчанию это
30.- Total inertia
Импульс полной инерции, J, в кг.м2, мотора и нагрузки. По умолчанию это
1e-4/5.- Total friction
Общий коэффициент вязкого трения, B, в Н.М., двигателя и нагрузки. По умолчанию это
1e-3.- Initial speed
Начальная скорость вращения, ω0, в рад/с. По умолчанию это
0.- Initial position
Начальное положение ротора, Θ0, в степенях. По умолчанию это
0.- Sample time (-1 for inherited)
Задайте шаг расчета шагового двигателя в с. Укажите
–1наследование шага расчета блока powergui в вашей модели. По умолчанию это–1.
Входы и выходы
TLКрутящий момент механического крутящего момента нагрузки в Н.М.
TLположительный при операции двигателя и отрицательный при операции генератора.mSimulink® выход блока является вектором, содержащим пять сигналов. Можно демультиплексировать эти сигналы с помощью блока Bus Selector, предоставленного в библиотеке Simulink.
Сигнал
Определение
Модули
Символ
1
Фазовое напряжение
V
Vph
2
Ток фазы
A
Iph
3
Электромагнитный крутящий момент
N.m
Те
4
Скорость ротора
рад/с
w
5
Положение ротора
рад
Theta
Как получить параметры шагового двигателя
Параметры, используемые в шаговой модели, обычно получаются из таблиц данных производителя. В случае, если параметры недоступны, можно определить их по экспериментальным измерениям.
Переменно-реактивные параметры шагового двигателя
Параметры, предоставляемые таблицами данных производителя, обычно: количество фаз, крутящий момент, угол шага, напряжение на фазу, ток на фазу, сопротивление обмотки, Ra, максимальная индуктивность, Lmax, средняя индуктивность, L0 и инерция ротора, J.
Шаговый двигатель с постоянными магнитами/гибридными Параметрами двигателя
Параметры, предоставляемые таблицами данных производителя, обычно:
количество фаз
крутящий момент удержания
угол шага
напряжение на фазу
ток на фазу
сопротивление обмотки, Ra
индуктивность обмотки, La
инерция ротора, J
Максимальный крутящий момент заслонки, Tdm, не всегда задан. Этот параметр может быть принят равным 1-10% от максимального крутящего момента удержания.
Максимальное редактирование потока, ψm, не всегда задано. Этот параметр может быть получен экспериментально путем приведения двигателя к постоянной скорости, N, в об/мин и путем измерения максимального напряжения обмотки разомкнутой цепи, Em, в В.
Затем параметр и m вычисляется следующим отношением:
ψm = (30 / pπ) (Em / N),
где p - количество пар полюсов, заданное p = 360/ ( 2 m· step). Здесь m = число фаз, step = угол шага в степенях.
Примеры
The power_steppermotor пример иллюстрирует операцию привода шагового двигателя с использованием двухфазной гибридной шаговой модели электродвигателя.
Ссылки
[1] T. Kenjo, A. Sugawara, Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, 2nd Edition, Oxford University Press, Oxford, 2003.
[2] P. Acarnley, Stepping Motors - руководство по теории и практике, 4-е издание, Институт инженеров-электриков, Лондон, 2002.