Unipolar Stepper Motor

Шаговый двигатель с выведенными средними точками на двухфазных обмотках

Библиотека:
Simscape / Электрический / Электромеханический / Reluctance & Stepper

Описание

Блок Unipolar Stepper Motor представляет шаговый двигатель, который имеет центральные касания на двух обмотках фазы. Извилистые токи и механический выход заданы следующими уравнениями:

$e_{A +} = - K_{m} ω \sin (N_{r} θ)$

$e_{A -} = K_{m} ω \sin (N_{r} θ)$

$e_{B +} = K_{m} ω \cos (N_{r} θ)$

$e_{B -} = - K_{m} ω \cos (N_{r} θ)$

$\frac{d i_{A +}}{d t} = (v_{A +} - R i_{A +} - e_{A +}) / L$

$\frac{d i_{A -}}{d t} = (v_{A -} - R i_{A -} - e_{A -}) / L$

$\frac{d i_{B +}}{d t} = (v_{B +} - R i_{B +} - e_{B +}) / L$

$\frac{d i_{B -}}{d t} = (v_{B -} - R i_{B -} - e_{B -}) / L$

$J \frac{d ω}{d t} + B ω = T_{e}$

$T_{e} = - K_{m} (i_{A +} - i_{A -} - \frac{e_{A +} - e_{A -}}{R_{m}}) \sin (N_{r} θ) + K_{m} (i_{B +} - i_{B -} - \frac{e_{B +} - e_{B -}}{R_{m}}) \cos (N_{r} θ) - T_{d} \sin (4 N_{r} θ)$

$\frac{d θ}{d t} = ω$

где:

_eA+ является коэффициентом противо-ЭДС, вызванным через A+ к полуобмотке A0.
_eA- является коэффициентом противо-ЭДС, вызванным через A- к полуобмотке A0.
_eB+ является коэффициентом противо-ЭДС, вызванным через B+ к полуобмотке B0.
_eB- является коэффициентом противо-ЭДС, вызванным через B- к полуобмотке B0.
_iA+ является текущим течением из порта A+ к порту касания центра A0.
_iA- является текущим течением из порта A- к порту касания центра A0.
_iB+ является текущим течением из порта B+ к порту касания центра B0.
_iB- является текущим течением из порта B- к порту касания центра B0.
_vA+ является напряжением в порте A+ относительно порта касания центра A0.
_vA- является напряжением в порте A- относительно порта касания центра A0.
_vB+ является напряжением в порте B+ относительно порта касания центра B0.
_vB- является напряжением в порте B- относительно порта касания центра B0.
_Km является постоянным крутящим моментом двигателя.
_Nr является количеством зубов на каждом из двух полюсов ротора. Параметр Full step size (π/2)/_Nr.
R является полусопротивлением обмотки. Например, это - сопротивление между портами A+ и A0.
L является полуизвилистой индуктивностью. Например, это - индуктивность между портами A+ и A0.
R _m является сопротивлением намагничивания.
B является вращательным затуханием.
J является инерцией.
ω является скоростью ротора.
Θ является углом ротора.
_Td является амплитудой крутящего момента стопора.
_Te является электрическим крутящим моментом.

Если начальный ротор является нулем или некоторым кратным (π/2)/Nr, ротор выравнивается с обмоткой A-фазы. Если положительные электрические токи от порта A+ до A0 сосредотачивают порт касания, то действия степпера, чтобы остаться выровненными с A-фазой. Эквивалентно, положительное текущее течение из порта касания центра A0 к порту A- также действует на ротор, чтобы остаться выровненным с A-фазой.

Блок Unipolar Stepper Motor производит положительный крутящий момент, действующий из механического устройства C к портам R для любой из следующих последовательностей. Обе последовательности принимают, что угол начальной буквы ротора является нулем или некоторым кратным (π/2)/Nr.

Последовательность	Центральные касания соединяются с землей	Центральные касания соединяются с положительным предоставлением
1	Положительный ток от A+ до A0	Положительный ток от A0 до A-
2	Положительный ток от B+ до B0	Положительный ток от B0 до B-
3	Положительный ток от A- до A0	Положительный ток от A0 до A-
4	Положительный ток от B- до B0	Положительный ток от B0 до B-

Усредненный режим

Если вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged, и для блока Unipolar Stepper Motor и для блока Unipolar Stepper Motor Driver, который управляет им, затем не симулированы отдельные шаги. Это может быть хорошим способом ускорить симуляцию. В режиме Averaged, при неуменьшающихся условиях, двигатель и драйвер представлены линейной системой второго порядка, которая отслеживает заданный уровень шага. Потребованный уровень шага определяется непосредственно из напряжения через A+ и A-. Так, например, напряжение +10V через A+ и терминалы A- интерпретировано как спрос на уровень шага десяти шагов в секунду. Смотрите страницу с описанием Unipolar Stepper Motor Driver для получения дополнительной информации о том, как соединить Unipolar Stepper Motor Driver с вашим угловым контроллером шага.

Усредненный режим включает средство оценки промаха, чтобы предсказать, уменьшился ли шаговый двигатель при выполнении в Шаговом режиме симуляции. Промах предсказан, если крутящий момент двигателя превышает значение параметров Vector of maximum torque values для дольше, чем один период шага, период шага, определяемый из текущего спроса на уровень шага. После обнаружения промаха симуляция продолжит или остановится с ошибкой, согласно значению параметров Action on slipping. Если вы выбираете действие, которое позволяет симуляции продолжить, отметить, что результаты симуляции могут быть неправильными: когда скольжение произойдет, крутящий момент, сгенерированный двигателем, обычно не будет максимальным доступным крутящим моментом; максимальный крутящий момент только достигается, если контроллер степпера обнаруживает промах и настраивает команду уровня шага соответственно.

Движущие силы эквивалентной системы второго порядка убеждены из значений, что вы задаете для параметров Maximum step rate command и Approximate total load inertia. Важно, чтобы вы установили максимально точные значения для этих параметров, так, чтобы команда уровня шага была прослежена, и блок не генерирует ложные предупреждения скольжения или ошибки.

Если при запуске двигатель в режиме Averaged с дополнительными тепловыми осушенными портами (см. Тепловые Порты), то нагрейтесь, добавляется к тепловым портам, принимающим, что обмотки всегда приводятся в действие, даже когда команда уровня шага является нулем. Блок вносит изменения для того, чтобы наполовину продвинуться и для уменьшаемого крутящего момента (и проветрить токи) на более высоких скоростях. Для этих корректировок, чтобы быть правильными, значения параметров Vector of maximum torque должны быть правильными. Для того, чтобы наполовину продвинуться, на нулевой скорости тепло, выработанное блоком, является средним значением сгенерированного, когда остановлено на половине шага и на полном шаге.

Если вы симулируете или предсказываете промах, MathWorks рекомендует, чтобы вы сделали некоторые запуски валидации, сравнивающие режимы Stepping и Averaged перед использованием усредненного представления модели для исследований симуляции.

Тепловые порты

Блок имеет пять дополнительных тепловых портов, один для каждой из этих четырех полуобмоток и один для ротора. Эти порты скрыты по умолчанию. Чтобы осушить тепловые порты, щелкните правой кнопкой по блоку по своей модели, и затем из контекстного меню выбирают Simscape> Block choices> Show thermal port. Это действие отображает тепловые порты на значке блока и отсоединяет параметры Thermal Port и Temperature Dependence. Эти параметры описаны далее на этой странице с описанием.

Используйте тепловые порты, чтобы симулировать эффекты медного сопротивления и потерь в железе, которые преобразовывают электроэнергию в теплоту. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов в блоках привода смотрите Термальные эффекты Симуляции во Вращательных и Поступательных Приводах.

Допущения и ограничения

Модель пропускает магнитные эффекты насыщения и любую магнитную связь между фазами.
Когда вы установите флажок Start simulation from steady state в блоке Simscape™ Solver Configuration, этот блок не инициализирует значение Initial rotor angle между –π и π.
Все четыре полуобмотки приняты, чтобы быть идентичными, и поэтому иметь тот же коэффициент температуры сопротивления, альфу и то же количество тепла.
Чтобы использовать режим Averaged, блок Unipolar Stepper Motor должен быть непосредственно соединен с Блоком драйверов Униполярного тактового двигателя, также запускающимся в режиме Averaged.
Режим Averaged является приближением, и точное отслеживание шага по сравнению с режимом Stepping не должно ожидаться.
Ускользните обнаружение в режиме Averaged является аппроксимированным, и зависит от хорошей оценки для инерции загрузки и максимального уровня шага. Неправильные значения могут привести к ложному обнаружению промаха.
Когда симуляция закрадывается в режим Averaged, она принята, что контроллер шагового двигателя настраивает команду уровня шага, чтобы достигнуть максимального возможного крутящего момента.

Порты

Сохранение

развернуть все

`A+` — Главное электрическое соединение A-фазы
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с главным электрическим соединением A-фазы.

`A0` — Центр A-фазы касается связи
электрический

Электрический порт сохранения, сопоставленный с A-фазой, сосредотачивает связь касания.

`A-` — Более низкое электрическое соединение A-фазы
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с более низким электрическим соединением A-фазы.

`B+` — Главное электрическое соединение B-фазы
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с главным электрическим соединением B-фазы.

`B0` — Центр B-фазы касается связи
электрический

Электрический порт сохранения, сопоставленный с B-фазой, сосредотачивает связь касания.

`B-` — Более низкое электрическое соединение B-фазы
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с более низким электрическим соединением B-фазы.

`C` — Случай
механическое устройство

Порт сохранения вращательного механического устройства сопоставлен со случаем.

`R` — Ротор
механическое устройство

Порт сохранения вращательного механического устройства сопоставлен с ротором.

`HA+` — Тепловой порт для обмотки между + и A0
тепловой

Тепловой порт для обмотки между A+ и A0. Для получения дополнительной информации смотрите Тепловые Порты.

`HA-` — Тепловой порт для обмотки между A-и A0
тепловой

Тепловой порт для обмотки между A- и A0. Для получения дополнительной информации смотрите Тепловые Порты.

`HB+` — Тепловой порт для обмотки между B + и B0
тепловой

Тепловой порт для обмотки между B+ и B0. Для получения дополнительной информации смотрите Тепловые Порты.

`HB-` — Тепловой порт для обмотки между B-и B0
тепловой

Тепловой порт для обмотки между B- и B. Для получения дополнительной информации смотрите Тепловые Порты.

`HR` — Ротор тепловой порт
тепловой

Тепловой порт для ротора. Для получения дополнительной информации смотрите Тепловые Порты.

Параметры

развернуть все

Электрический крутящий момент

`Simulation mode` — Режим Simulation
`Stepping` (значение по умолчанию) | `Averaged`

Выберите Stepping или Averaged. Используйте Averaged только если блок соединяется непосредственно с блоком Unipolar Stepper Motor Driver, также запускающимся в режиме Averaged.

`Vector of rotational speeds` — Вектор из скоростей вращения
[0, 1000, 3000] `rpm` (значение по умолчанию)

Вектор из скоростей вращения, в которых можно задать максимум, закручивает значения для предсказания промаха.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged.

`Vector of maximum torque values` — Вектор из максимальных значений крутящего момента
[2, 2, 1] `N*m` (значение по умолчанию)

Вектор из максимальных значений крутящего момента, чтобы использоваться для предсказания промаха в сочетании с параметром Vector of rotational speeds. Максимальные значения крутящего момента часто даются в таблице данных и должны соответствовать напряжению питания и шаговому типу (половина шага или полного шага) заданный в драйвере.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged.

`Action on slipping` — Действие после обнаружения промаха
`none` (значение по умолчанию) | `warn` | `error`

Выберите действие для блока, чтобы выполнить в процессе моделирования после обнаружения промаха:

none — Продолжите симуляцию, ограничив крутящий момент нагрузки согласно Vector of maximum torque values.
warn — Продолжите симуляцию, ограничив крутящий момент нагрузки согласно Vector of maximum torque values, и сгенерируйте предупреждение, что ротор уменьшается.
error — Остановите симуляцию и сгенерируйте сообщение об ошибке, что ротор уменьшается.

Обратите внимание на то, что, если вы выбираете действие, которое позволяет симуляции продолжиться, результаты симуляции могут быть неправильными: когда скольжение произойдет, крутящий момент, сгенерированный двигателем, обычно не будет максимальным доступным крутящим моментом; максимальный крутящий момент только достигается, если контроллер степпера обнаруживает промах и настраивает команду уровня шага соответственно.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged.

`Approximate total load inertia` — Аппроксимированная инерция полной нагрузки
`1e-4` `kg*m^2` (значение по умолчанию)

Аппроксимированная инерция полной нагрузки, включая инерцию ротора. Это значение используется, чтобы помочь предсказать, когда скольжение произойдет из-за быстрых ускоряющих требований.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged.

`Maximum step rate command` — Максимальная команда уровня шага
10 `Hz` (значение по умолчанию)

Максимальный уровень шага, которым будет управлять ваша система. Это используется, чтобы определить подходящую полосу пропускания для системного приближения второго порядка к шаговому двигателю и драйверу.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Simulation mode на Averaged.