步进电机

永磁步进电机，用于全步进、半步进和微步进。

类型: AcausalElectricPowerSystems.Electromechanical.Stepper.BipolarMotor

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Electrical/Electromechanical/Reluctance & Stepper/Stepper Motor

说明

单元 步进电机 表示步进电机。步进电机有一个永磁转子和两个定子绕组。

间距较小的步进电机转子通常在南北两极都有磁齿。间距较大的步进电机通常在转子的圆周上分布有多个磁铁。可以用程序块对这两种设备进行建模，并用程序块对电机进行控制。 步进电机 并用程序块步进电机驱动器控制电机。

您可以使用步进电机来避免位置测量。步进电机可用于打印机等设备以及机器人和工厂自动化等应用中。

该程序块使用输入脉冲序列和，根据这些方程控制机械输出：

其中

和分别是相绕组和中感应的反向电动势 (EMF)；
和是相绕组和的电流；
和是相绕组和的电压；
- 电机扭矩常数；
- 转子两极的齿数。全步长*参数为；
- 绕组电阻；
- 绕组电感；
- 磁化电阻；
- 旋转阻尼；
- 惯性；
- 转子转速
- 转子旋转角度
- 固定（制动）扭矩的振幅；
- 电动扭矩。

如果初始转子角度为零或的倍数，则转子与绕组脉冲的相位对齐。当正电流从端口 A+ 流向端口 A-，而无电流从端口 B+ 流向端口 *B-*时，就会出现这种情况。

使用程序块步进电机驱动器，为程序块创建脉冲序列 步进电机 .

当的脉冲相位领先于的脉冲相位时，步进电机程序块会从机械端口 C 到 R 产生正扭矩。

平均模式

当*模拟模式*块和*模拟模式*块都设置为 "平均 "时。 步进电机 程序块和控制它的程序块步进电机驱动器设置为 "平均 "时，将不模拟各个步骤。这样可以加快模拟速度。在平均模式下，在无滑移条件下，电机和驱动器由二阶线性系统表示，该系统跟踪给定的步频。目标步频直接由 A+ 和 A- 处的电压决定。例如，A+ 和 A- 端电压为"+10V"，则步进频率要求为 "10 "步/秒。有关如何将驱动单元连接至角度控制电路的详细信息，请参见步进电机驱动器。

平均模式包括一个打滑估计传感器，用于预测步进电机在步进模拟模式下运行时是否会打滑。如果电机扭矩超过最大扭矩值矢量*一个步进周期以上，就会出现打滑，步进周期根据当前步进频率要求确定。发生打滑时，电机产生的扭矩通常不是可能的最大扭矩：只有当步进控制器检测到打滑并相应调整步进频率指令时，才能达到最大扭矩。

二阶等效系统的动态取决于 * 近似总负载惯量* 和 * 最大步频指令* 参数的设置值。必须尽可能准确地设置这些参数，以便对步频指令进行监控，避免设备产生错误的滑移警告或错误。

如果电机在平均模式下运行，且辅助加热口打开 (模拟热效应) 时，热端口会增加热量，假定绕组始终通电，即使步频指令为零。程序块会对半螺距和较高频率下扭矩（和绕组电流）的减小进行调整。要使这些修正正确，*最大扭矩矢量*参数值必须正确。在频率为零的半步进时，设备产生的热量等于半步进和全步进停止时产生的热量的平均值。

要验证平均模式模型配置是否会出现滑移，请将结果与在步进模式下进行的相同模拟进行比较。

模拟热效应

您可以打开热端口来模拟能量-热量转换损失的影响。

如果选中*启用热端口*复选框，设备将显示非定向热端口。

如果程序块包含热端口，则假定绕组电阻与温度呈线性关系，其定义如下：

其中

- 温度下的电阻；
- 测量温度（或参考温度）下的电阻。使用*测量温度*参数指定参考温度；
- 电阻温度系数，使用 电阻温度系数 [alpha_A alpha_B] 参数指定。铜的典型值为 0.00393 1/K。

程序块计算每个绕组和转子的温度如下：

其中

- 是热质量。使用 *绕组热质量 [M_A M_B]*参数为绕组指定该值，使用 *转子热质量*参数为转子指定该值；
- 温度。使用 绕组初始温度 [T_A T_B] 参数为绕组指定初始值，使用 *转子初始温度 * 参数为转子指定初始值；
- 热通量，根据绕组中的铁损计算得出：

其中是与转子相关的磁化电阻百分比。使用参数 与转子相关的磁化电阻百分比 指定该百分比。

假设和限制

模型基于以下假设：

该模型忽略了磁饱和效应和相间的任何磁耦合。
要使用平均模式，步进电机模块必须直接连接到同样在平均模式下运行的步进电机驱动器模块。
与步进模式相比，平均模式是一种近似模式，因此不能指望实现精确的螺距跟踪。
平均模式下的滑动检测是近似值，取决于对负载惯性和最大步进频率的正确估计。不正确的数值会导致错误的滑移检测。
在平均模式滑移建模中，假定步进电机驱动器调整步频指令，以实现最大扭矩。
该模块不能用于混合式步进电机建模，因为在混合式步进电机中，永磁效应和可变阻力效应都会产生扭矩。

端口

非定向

# R — 机器转子
旋转机械

Details

与机器转子相关的机械端口。

程序使用名称

rod_flange

# C — 机器外壳
旋转机械

Details

与机身相连的机械端口。

程序使用名称

case_flange

# A+ — 相位 A 的正极
电力

Details

非定向端口连接到正相端子。

程序使用名称

p_a

# A- — A_ 相的负极
电力

Details

与负相端子相关的非定向端口。

程序使用名称

n_a

# B+ — 相位 B 的正极
电力

Details

非定向端口连接到正相端子。

程序使用名称

p_b

# B- — 相位 B 的负极
电力

Details

与负相端子相关的非定向端口。

程序使用名称

n_b

# HA — 相位_A_的热端口
加热

Details

与相绕组相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请勾选 启用热端口 复选框。

程序使用名称

thermal_port_a

# HB — 相位 B 的热端口
加热

Details

与相绕组相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请勾选 启用热端口 复选框。

程序使用名称

thermal_port_b

# 人力资源 — 转子散热口
加热

Details

与转子相关的热端口。

依赖关系

要使用该端口，请选择 启用热端口 复选框。

程序使用名称

thermal_port_rotor

参数

电气扭矩

# 模拟模式 — 模拟模式
步进 | 平均值

Details

只有当设备直接连接到同样以平均模式运行的步进电机驱动器时，才使用 "平均"。

值	`Stepping` \| `Averaged`
默认值	`Stepping`
程序使用名称	`simulation_mode`
可计算	无

# 转速矢量 — 转速
转速 | 度/秒 | 拉德/秒

Details

用于滑差预测的最大扭矩值的转速矢量。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "平均"。

计量单位	`rpm` \| `deg/s` \| `rad/s`
默认值	`[0.0, 1000.0, 3000.0] rpm`
程序使用名称	`angular_velocity_vector`
可计算	是

# 最大扭矩值矢量 — 最大扭矩
N*m | mN*m | lbf*ft

Details

最大扭矩值矢量，用于使用*转速矢量*参数预测滑移。这些值通常列在数据表中，并与驱动器中指定的电源电压和变桨类型（半步式或全步进式）相对应。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "平均"。

计量单位	`Nm` \| `mNm` \| `lbf*ft`
默认值	`[2.0, 2.0, 1.0] N*m`
程序使用名称	`torque_vector`
可计算	是

Details

包括转子惯性在内的近似总负载惯性。该值用于预测突然加速时的滑移。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*设为 "平均"。

计量单位	`gcm^2` \| `kgm^2` \| `lbmft^2` \| `lbmin^2` \| `slugft^2` \| `slugin^2`
默认值	`1e-4 kg*m^2`
程序使用名称	`J_total`
可计算	是

# 最大步进速率指令 — 最大指令频率
赫兹 | 千兆赫 | 兆赫 | 千赫

Details

步进系统的最大指令频率。用于确定步进电机和驱动器二阶系统逼近的合适带宽。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "平均"。

计量单位	`Hz` \| `GHz` \| `MHz` \| `kHz`
默认值	`10.0 Hz`
程序使用名称	`max_step_rate`
可计算	是

# 相绕组电阻 — 相位阻抗
欧姆 | 欧姆 | 摩尔 | 千欧 | 毫欧

Details

相绕组电阻和。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "步进"。

计量单位	`Ohm` \| `GOhm` \| `MOhm` \| `kOhm` \| `mOhm`
默认值	`0.55 Ohm`
程序使用名称	`R_phase_winding`
可计算	是

# 相绕组电感 — 相电感
H | mH | nH | uH

Details

相绕组电感和。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "步进"。

计量单位	`H` \| `mH` \| `nH` \| `uH`
默认值	`0.0015 H`
程序使用名称	`L_phase_winding`
可计算	是

# 电机扭矩常数 — 电磁扭矩
瓦 | N*m/A | mN*m/A

Details

恒定电机扭矩。

依赖关系

要使用该参数，请将 * 模拟模式* 设置为 "步进"。

计量单位	`Wb` \| `Nm/A` \| `mNm/A`
默认值	`0.19 N*m/A`
程序使用名称	`torque_constant`
可计算	是

# 制动扭矩 — 扭矩振幅
N*m | mN*m | lbf*ft

Details

非运转电机轴旋转时观察到的扭矩正弦变化的振幅。

依赖关系

要使用此参数，请将*模拟模式*参数设置为 "步进"。

计量单位	`Nm` \| `mNm` \| `lbf*ft`
默认值	`0.0 N*m`
程序使用名称	`detent_torque`
可计算	是

# 磁化电阻 — 相磁阻
欧姆 | 高 | 莫姆 | 千欧 | 毫欧

Details

各相绕组的总磁化电阻。该值必须大于零。默认值假定没有铁损。

依赖关系

要使用该参数，请将*模拟模式*参数设置为 "步进"。

计量单位	`Ohm` \| `GOhm` \| `MOhm` \| `kOhm` \| `mOhm`
默认值	`Inf Ohm`
程序使用名称	`R_m`
可计算	是

# 全阶尺寸 — 步长
度 | 辐射 | 转速 | mrad

Details

相电流极性反转的步长或。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`1.8 deg`
程序使用名称	`step`
可计算	是

机械

Details

抵消转子加速度的保守力。

计量单位	`gcm^2` \| `kgm^2` \| `lbmft^2` \| `lbmin^2` \| `slugft^2` \| `slugin^2`
默认值	`4.5e-05 kg*m^2`
程序使用名称	`J`
可计算	是

# 转子阻尼 — 旋转阻尼
牛*米/（雷达/秒） | 英尺*磅/（拉德/秒）

Details

抵消转子旋转速度的耗散力。

计量单位	`Nm/(rad/s)` \| `ftlbf/(rad/s)`
默认值	`0.0008 N*m/(rad/s)`
程序使用名称	`D`
可计算	是

# 初始转子角度 — 初始角
转速 | 度/秒 | 雷达/秒

Details

模拟开始时的转子角度。

计量单位	`rpm` \| `deg/s` \| `rad/s`
默认值	`0.0 rpm`
程序使用名称	`angular_position_start`
可计算	是

# 初始转子速度 — 初始速度
度 | 辐射 | 转速 | mrad

Details

模拟开始时的转子速度。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`0.0 deg`
程序使用名称	`angular_velocity_start`
可计算	是

温度依赖性

Details

双元素向量，定义热效应建模中电阻与温度关系式中的系数。第一个元素对应绕组，第二个元素对应绕组。默认值对应铜。

计量单位	`1/K` \| `1/degR` \| `1/deltaK` \| `1/deltadegC` \| `1/deltadegF` \| `1/deltadegR`
默认值	`[3.93e-3, 3.93e-3] 1/K`
程序使用名称	`alpha_vector`
可计算	是

Details

确定电机参数的温度。

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`25.0 degC`
程序使用名称	`T_measurement`
可计算	是

# 步进模式 — 在平均模式下选择步进模式
全步进 | 半步进

Details

定义平均步进模式。选择 "全步进 "时，电机在一个脉冲内走完全程；选择 "半步进 "时，电机在一个脉冲内走半程。

依赖关系

要使用该参数，请选择*启用热端口*复选框，并将*模拟模式*参数设置为 "平均"。

值	`Full stepping` \| `Half stepping`
默认值	`Full stepping`
程序使用名称	`stepping_mode`
可计算	无

热端口

# 启用热端口 — 选项来启用热端口

Details

选择该复选框可启用热端口。

默认值	`false (关掉)`
程序使用名称	`has_thermal_port`
可计算	无

# 绕组热质量，[M_A M_B］ — 绕组热质量
J/K | kJ/K

Details

一个双元向量，分别定义绕组和的热质量。热质量是温度上升一度所需的能量。

依赖关系

要使用该参数，请选择*启用热端口*复选框。

计量单位	`J/K` \| `kJ/K`
默认值	`[100.0, 100.0] J/K`
程序使用名称	`thermal_mass_vector`
可计算	是

Details

一个双元素向量，定义了模拟开始时绕组和的热端口温度。

依赖关系

要使用该参数，请选择*启用热端口*复选框。

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`[25.0, 25.0] degC`
程序使用名称	`T_winding_vector_start`
可计算	是

# 转子热质量 — 转子热质量
J/K | kJ/K

Details

转子热质量。热质量是指温度升高一度所需的能量。

依赖关系

要使用该参数，请选择 启用热端口 复选框。

计量单位	`J/K` \| `kJ/K`
默认值	`50.0 J/K`
程序使用名称	`rotor_thermal_mass`
可计算	是

Details

模拟开始时的转子温度。

依赖关系

要使用该参数，请选择*启用热端口*复选框。

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`25.0 degC`
程序使用名称	`T_rotor_start`
可计算	是

# 与转子有关的磁化电阻百分比 — 转子磁化率（百分比

Details

与转子磁路相关的磁阻百分比。它决定了转子发热口 HR、绕组发热口 HA 和 HB 所占的铁损耗发热量。

依赖关系

要使用该参数，请选择*启用热端口*复选框。

默认值	`90.0`
程序使用名称	`R_m_percentage_rotor`
可计算	是

文学

[1] M.Bodson, J. N.Chiasson, R. T. Novotnak and R. B. Rekowski."永磁步进电机的高性能非线性反馈控制"。IEEE 控制系统技术论文集，第 1 卷，第 1 期，1993 年 3 月。1, No.

[2] P.P.Acarnley.Stepping Motors: A Guide to Modern Theory and Practice. New York: Peregrinus, 1982.

[3] S.E.Lyshevski.Electromechanical Systems, Electric Machines, and Applied Mechatronics. CRC, 1999.