Stepper Motor

Шаговый двигатель с постоянными магнитами для полных, половинных и микрошагов.

stepper motor

Описание

Блок Stepper Motor представляет собой шаговый двигатель. Шаговые двигатели имеют ротор с постоянными магнитами и две обмотки статора.

Шаговые двигатели с меньшим размером шага обычно имеют роторы с зубцами на северном и южном полюсах. Шаговые двигатели с большим размером шага обычно имеют несколько магнитов, распределенных по окружности ротора. Можно смоделировать оба типа устройств с помощью блока Stepper Motor и управлять двигателем с помощью блока Stepper Motor Driver.

Можно использовать шаговые двигатели, чтобы избежать необходимости измерения положения. Шаговые двигатели используются в таких устройствах, как принтеры, и в таких приложениях, как робототехника и автоматизация производства.

Блок использует входные последовательности импульсов и , для управления механическим выходом в соответствии с этими уравнениями:

где

и — обратные электродвижущие силы (ЭДС), индуцированные в фазных обмотках и соответственно;
и — токи фазных обмоток и ;
и — напряжения фазных обмоток и ;
— постоянная крутящего момента двигателя;
— количество зубцов на каждом из двух полюсов ротора. Параметр Full step size равен ;
— сопротивление обмотки;
— индуктивность обмотки;
— сопротивление намагничивания;
— демпфирование вращения;
— инерция;
— скорость вращения ротора;
— угол поворота ротора;
— амплитуда момента фиксации (торможения);
— электрический крутящий момент.

Если начальный угол ротора равен нулю или кратен , то ротор выровнен с фазой импульсов обмотки . Это происходит, когда из порта A+ в порт A- течет положительный ток, а из порта B+ в порт B- ток не течет.

Используйте блок Stepper Motor Driver, чтобы создать последовательность импульсов для блока Stepper Motor.

Блок шагового двигателя создает положительный крутящий момент, действующий от механического порта C к R, когда фаза импульса опережает фазу импульса .

Усредненный режим

Если для параметра Simulation mode установлено значение Averaged, как для блока Stepper Motor, так и для блока Stepper Motor Driver, который им управляет, то отдельные шаги не будут моделироваться. Это позволяет ускорить моделирование. В усредненном режиме, в условиях отсутствия скольжения, двигатель и драйвер представлены линейной системой второго порядка, которая отслеживает заданную частоту шагов. Заданная частота шагов определяется непосредственно по напряжению на A+ и A-. Так, например, напряжение +10 В на клеммах A+ и A- интерпретируется как требование к частоте шага 10 шагов в секунду. Дополнительную информацию о том, как подключить блок драйвера к схеме контроля угла, см. на странице Stepper Motor Driver.

Усредненный режим включает в себя датчик оценки проскальзывания, чтобы предсказать, проскользнул бы шаговый двигатель, если бы работал в режиме симуляции шагов. Проскальзывание прогнозируется, если крутящий момент двигателя превышает значение параметра Vector of maximum torque values более чем на один период шага, причем период шага определяется на основе текущего требования к частоте шага. При проскальзывании крутящий момент, создаваемый двигателем, обычно не является максимально возможным: максимальный крутящий момент достигается только в том случае, если шаговый контроллер обнаруживает проскальзывание и соответствующим образом регулирует команду частоте шага.

Динамика эквивалентной системы второго порядка определяется значениями, которые заданы для параметров Approximate total load inertia и Maximum step rate command. Важно задать как можно более точные значения этих параметров, чтобы команда частоты шага отслеживалась, и блок не выдавал ложных предупреждений о проскальзывании или ошибок.

Если двигатель запущен в усредненном режиме с открытыми дополнительными тепловыми портами (Моделирование тепловых эффектов), то тепло добавляется к тепловым портам, предполагая, что обмотки всегда находятся под напряжением, даже когда команда частоты шага равна нулю. Блок делает поправку на половину шага и на снижение крутящего момента (и токов обмоток) на более высоких частотах. Чтобы эти корректировки были правильными, значения параметров Vector of maximum torque должны быть верными. При половинном шаге на нулевой частоте, тепло, выделяемое блоком, равно среднему значению тепла, выделяемого при остановке на половине шага и на полном шаге.

Чтобы проверить конфигурации модели усредненного режима, в которых прогнозируется возникновение проскальзывания, сравните результаты с той же симуляцией, выполненной в режиме шага.

Моделирование тепловых эффектов

Можно открыть тепловые порты для моделирования эффектов потерь при преобразовании энергии в тепло.

Блок отобразит тепловые ненаправленные порты, если установлен флажок Enable thermal port.

Если блок содержит тепловые порты, то предполагается, что сопротивление обмотки линейно зависит от температуры и определяется следующим образом:

где

— сопротивление при температуре ;
— сопротивление при температуре измерения (или эталонной температуре) . Укажите эталонную температуру с помощью параметра Measurement temperature;
— температурный коэффициент сопротивления, который задается с помощью параметра Resistance temperature coefficients, [alpha_A alpha_B]. Типичное значение для меди — 0.00393 1/K.

Блок вычисляет температуру каждой из обмоток и ротора следующим образом:

где

— тепловая масса. Укажите это значение для обмоток с помощью параметра Winding thermal masses, [M_A M_B], а для ротора — с помощью параметра Rotor thermal mass;
— температура. Укажите начальные значения для обмоток с помощью параметра Winding initial temperatures, [T_A T_B], а для ротора — с помощью параметра Rotor initial temperature;
— тепловой поток, который рассчитывается на основе потерь в железе в обмотках:

где — это процент сопротивления намагничиванию, связанный с ротором. Укажите этот процент с помощью параметра Percentage of magnetizing resistance associated with the rotor.

Допущения и ограничения

Модель основана на следующих предположениях:

В этой модели пренебрегается эффектами магнитного насыщения и любой магнитной связью между фазами.
Чтобы использовать усредненный режим, блок шагового двигателя должен быть напрямую подключен к блоку драйвера шагового двигателя, также работающему в усредненном режиме.
Усредненный режим — это приближение, и не следует ожидать точного отслеживания шага по сравнению с шаговым режимом.
Обнаружение проскальзывания в усредненном режиме является приблизительным и зависит от правильной оценки инерции нагрузки и максимальной частоте шага. Неправильные значения могут привести к ложному обнаружению проскальзывания.
При моделировании проскальзывания в усредненном режиме предполагается, что драйвер шагового двигателя регулирует команду частоты шага таким образом, чтобы достичь максимально возможного крутящего момента.
Этот блок нельзя использовать для моделирования гибридного шагового двигателя, в котором крутящий момент возникает как от постоянного магнита, так и от эффекта переменного сопротивления.

Порты