Что значит гибридный шаговый двигатель
Документация
Реализуйте модель шагового двигателя
Библиотека
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины
Описание
Блок Stepper Motor (STM) реализует типовую модель, которая представляет два самых популярных семейства шаговых двигателей:
Шаговые двигатели переменного нежелания
Постоянный магнит или гибридные шаговые двигатели
Модель Stepper Motor состоит из электрических и механических разделов. Электрический раздел представлен эквивалентной схемой, настройка которой зависит от моторного типа. Эквивалентные схемы принимают, что магнитная схема линейна (никакое насыщение), и взаимная индуктивность между фазами незначительна. Механический раздел представлен моделью в пространстве состояний на основе момента инерции и коэффициента вязкого трения.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в шаговом двигателе переменного нежелания.
В этой модели Ra и La ( θ), соответственно, представляют сопротивление и индуктивность фазы обмотка. Извилистая индуктивность варьируется в зависимости от положения ротора:
L является средней индуктивностью.
L 1 является максимальным изменением индуктивности.
Nr является зубным номером ротора.
В ссылочном положении ( θ = 0), зуб ротора полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть максимальной A-фазы извилистая индуктивность.
Общий электромагнитный крутящий момент, произведенный двигателем, является суммой крутящих моментов, произведенных моторными фазами:
T e = ∑ x = 1 m 0.5 i x 2 d L x d θ ,
m является количеством фаз.
ix является обмоткой, текущей в фазе x.
Lx является функцией индуктивности обмотки фазы x.
Этот рисунок показывает эквивалентную схему для одной фазы в постоянном магните (PM), или гибридный шаговый двигатель.
В этой модели Ra и La, соответственно, представляют сопротивление и индуктивность обмотки A-фазы. Из-за большого значения воздушного зазора, введенного магнитами, извилистая индуктивность премьер-министра или гибридного шагового двигателя может считаться независимой от положения ротора. Исходный ea напряжения ( θ) представляет моторную противоэлектродвижущую силу (EMF), который является синусоидальной функцией положения ротора:
e a ( θ ) = − p ψ m sin ( p θ ) d θ d t ,
p является количеством пар полюса. Количество пар полюса p дано p = Nr/2.
ψm является моторным максимальным магнитным потоком.
Обратите внимание на то, что в ссылочном положении ( θ = 0), Северный полюс на роторе полностью выравнивается с полюсом A-оси, чтобы достигнуть нулевого значения коэффициента противо-ЭДС A-фазы.
Электромагнитный крутящий момент, произведенный двухфазным PM или гибридным шаговым двигателем, равен сумме крутящего момента, следующего из взаимодействия токов фазы и магнитных потоков, созданных магнитами и крутящим моментом стопора, который следует из выступа ротора:
m является количеством фазы ( m =2) двигателя.
Nr количество зубов на роторе ( Nr = 2* p).
Параметры
Постоянный магнит / гибрид
Выберите Permanent-magnet/Hybrid (значение по умолчанию), чтобы реализовать премьер-министра или гибридный шаговый двигатель.
Number of phases
Выберите 2 (значение по умолчанию) или 4 фазы.
Индуктивность, La, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 10e-3 .
Сопротивление, Ra, в Омах, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 1.2 .
Угол шага, в градусах, перемещения ротора. Значением по умолчанию является 30 .
Maximum flux linkage
Максимальное потокосцепление, ψm, в V.s, произведенном магнитами. Значением по умолчанию является 0.04 .
Maximum detent torque
Максимальный крутящий момент стопора, Tdm, в N.m, следуя из выступа ротора. Значением по умолчанию является 0.02 .
Общий импульс инерции, J, в kg.m2 , двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-4/5 .
Total viscous friction coefficient
Общий коэффициент вязкого трения, B, в N.m.s, двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-3 .
Начальная скорость вращения, ω0, в rad/s. Значением по умолчанию является 0 .
Начальное положение ротора, Θ0, в градусах. Значением по умолчанию является 0 .
Sample time (-1 for inherited)
Задайте шаг расчета шагового двигателя в s. Задайте –1 наследовать шаг расчета блока powergui в вашей модели. Значением по умолчанию является –1 .
Переменное нежелание
Выберите Variable reluctance реализовывать шаговый двигатель переменного нежелания.
Number of phases
Выберите 3 , 4 , или 5 фазы.
Maximum winding inductance
Максимальная индуктивность, Lmax, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 10e-3 .
Minimum winding inductance
Минимальная индуктивность, Lmin, в H, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 2e-3 .
Сопротивление, Ra, в Омах, каждой обмотки фазы. Значением по умолчанию является 1.2 .
Угол шага, в градусах, перемещения ротора. Значением по умолчанию является 30 .
Общий импульс инерции, J, в kg.m2 , двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-4/5 .
Общий коэффициент вязкого трения, B, в N.m.s, двигателя и загрузки. Значением по умолчанию является 1e-3 .
Начальная скорость вращения, ω0, в rad/s. Значением по умолчанию является 0 .
Начальное положение ротора, Θ0, в градусах. Значением по умолчанию является 0 .
Sample time (-1 for inherited)
Задайте шаг расчета шагового двигателя в s. Задайте –1 наследовать шаг расчета блока powergui в вашей модели. Значением по умолчанию является –1 .
Вводы и выводы
Механический крутящий момент нагрузки, в N.m. TL положительно в моторной операции и отрицателен в работе генератора.
Выход Simulink ® блока является вектором, содержащим пять сигналов. Можно демультиплексировать эти сигналы при помощи блока Селектора Шины, обеспеченного в Библиотеке Simulink.
Электромагнитный крутящий момент
Как получить параметры шагового двигателя
Параметры, используемые в модели степпера, обычно получаются из таблиц данных производителя. В случае, если параметры не доступны, можно определить их из экспериментальных измерений.
Параметры шагового двигателя переменного нежелания
Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно: количество фаз, содержа крутящий момент, угол шага, напряжение на фазу, текущую на фазу, сопротивление обмотки, Ra, максимальную индуктивность, Lmax, среднюю индуктивность, L0, и инерцию ротора, J.
Параметры Шагового двигателя постоянного магнита/Гибрида
Параметры, обеспеченные таблицами данных производителя, обычно:
содержание крутящего момента
напряжение на фазу
текущий на фазу
сопротивление обмотки, Ra
извилистая индуктивность, La
инерция ротора, J
Максимальный крутящий момент стопора, Tdm, не всегда задается. Этот параметр может быть принят, чтобы быть равным 1-10% максимального крутящего момента содержания.
Максимальное потокосцепление, ψm, не всегда задается. Этот параметр может быть получен экспериментально путем управления двигателем к постоянной скорости, N, в об/мин, и путем измерения максимальной разомкнутой цепи извилистое напряжение, Em, в V.
Параметр ψm затем вычисляется следующим отношением:
где p является количеством пар полюса, данных p =360 / (2 m · шаг. Здесь m = номер фазы, продвиньтесь = угол шага в градусах.
Примеры
power_steppermotor пример иллюстрирует работу диска шагового двигателя с помощью двухфазной гибридной модели шагового двигателя.
Ссылки
[1] Т. Кенджо, А. Сугоара, шаговые двигатели и их микропроцессорные управления, 2-й выпуск, издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 2003.
[2] П. Акарнли, Шаговые двигатели — руководство по теории и практике, 4-му Выпуску, Учреждению Инженеров-электриков, Лондона, 2002.
Документация Simscape Electrical
- Примеры
- Блоки и другая ссылка
- Информация о релизах
- PDF-документация
Поддержка
- MATLAB Answers
- Помощь в установке
- Отчеты об ошибках
- Требования к продукту
- Загрузка программного обеспечения
© 1994-2021 The MathWorks, Inc.
1. Если смысл перевода понятен, то лучше оставьте как есть и не придирайтесь к словам, синонимам и тому подобному. О вкусах не спорим.
2. Не дополняйте перевод комментариями “от себя”. В исправлении не должно появляться дополнительных смыслов и комментариев, отсутствующих в оригинале. Такие правки не получится интегрировать в алгоритме автоматического перевода.
3. Сохраняйте структуру оригинального текста — например, не разбивайте одно предложение на два.
4. Не имеет смысла однотипное исправление перевода какого-то термина во всех предложениях. Исправляйте только в одном месте. Когда Вашу правку одобрят, это исправление будет алгоритмически распространено и на другие части документации.
5. По иным вопросам, например если надо исправить заблокированное для перевода слово, обратитесь к редакторам через форму технической поддержки.
Расчет параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины магнитостатического поля
Полный текст:
- Аннотация
- Об авторах
- Список литературы
- Cited By
Аннотация
Представлен вариант решения задачи расчета параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины его магнитостатического поля. Показан один из основных недостатков такого двигателя — среднечастотный резонанс, возникающий из-за совпадения частоты собственных колебаний ротора с частотой подачи импульсов напряжения питания. Обоснована необходимость учета данного фактора при проектировании системы дискретного электропривода на основе исполнительного двигателя данного типа путем расчета значений резонансных частот и использования их при разработке алгоритма управления приводом. Поставлена задача разработки математической модели двигателя, позволяющей выполнить анализ влияния его конструктивных параметров на спектр резонансных частот. Сформирована методика расчета параметров заданной математической модели. Рассмотрены варианты математического описания данной электрической машины и выполнен подбор ее известной математической модели на основе схемы замещения электрической цепи. Выполнен численный расчет пространственной картины магнитостатического поля электродвигателя. На основе анализа результатов расчета сформирована система допущений для разработки эквивалентной схемы замещения магнитной цепи электрической машины. Разработана эквивалентная схема замещения магнитной цепи и соответствующая ей система уравнений. Сформирована система уравнений математической модели на основе схем замещения электрической и магнитной цепей. На основе системы уравнений разработана имитационная модель дискретного электропривода в программном пакете Simulink. С помощью полученной имитационной модели выполнен расчет переходных процессов по углу поворота ротора и электромагнитному моменту и проведен анализ влияния одного из конструктивных параметров на частоту собственных колебаний ротора. На основе результатов моделирования показано, что при увеличении высоты воздушного зазора у гибридного шагового двигателя уменьшается значение результирующего электромагнитного момента, и снижается частота собственных колебаний ротора, соответственно снижается и частота, при которой возникает среднечастотный резонанс. Полученная математическая модель может быть использована на этапе поверочного расчета выбранного двигателя, так как позволяет проанализировать влияние конкретного конструктивного параметра машины, в частности воздушного зазора, на частоту собственных колебаний ротора, а следовательно, на спектр резонансных частот дискретного электропривода.
Ключевые слова
Об авторах
Кандидат технических наук
Доктор технических наук, профессор
Кандидат технических наук, доцент
Список литературы
1. Денисов В. А., Жуков А. В. Математическое моделирование работы шагового двигателя в составе мехатронного модуля компенсации износа режущего инструмента // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 6. С. 54—58.
2. Елецкая Г. П., Илюхина Н. С., Панков А. П. Электромеханические системы. Тула: ТулГУ, 2009. 214 с.
3. Емельянов А. В., Шилин А. Н. Шаговые двигатели: Учеб. пособ. Волгоград: ВолгГТУ, 2005. 48 с.
4. Рыбак Л. А., Черкашин Н. Н., Гунькин А. А., Чичварин А. В. Моделирование электромеханического привода с гибридным шаговым двигателем роботизированной платформы // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6.
5. Austin Hughes. Electric Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications. Third edition. Published by Elsevier Ltd, 2006.
6. Binglin Lu, Yanliang Xu. Presentation and Performance Evaluation of a Novel Stator-Permanent-Magnet Hybrid Stepper Motor. College of Electrical Engineering, Shandong University. Jinan. China, 2015.
7. Chirila A., Deaconu I.,Navrapescu V., Albu M., Ghita C. On the model of a Hybrid Stepper Motor // Proc IEEE international conference on industrial electronics. 2008. P. 496—501.
Шаговый электродвигатель
Ша́говый электродви́гатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Содержание
Описание
Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.
Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.
Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8 — 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.
Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.
Использование
В машиностроении наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5 % от величины шага.
Дискретность шага создаёт существенные вибрации, которые в ряде случаев могут приводить к снижению крутящего момента и возбуждению механических резонансов в системе. Уровень вибраций удаётся снижать при использовании режима дробления шага или при увеличении количества фаз.
Режим дробления шага (микрошаг) реализуется при независимом управлении током обмоток шагового электродвигателя. Управляя соотношением токов в обмотках можно зафиксировать ротор в промежуточном положении между шагами. Таким образом можно повысить плавность вращения ротора и добиться высокой точности позиционирования. Качество изготовления современных шаговых двигателей позволяет повысить точность позиционирования в 10-20 раз.
Шаговые двигатели стандартизованы по посадочным размерам и размеру фланца: NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34, … — размер фланца 42 мм, 57 мм, 86 мм, 110 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс*см, NEMA 34 до 120 кгс*см и до 210кгс*см для двигателей с фланцем 110 мм.
Шаговые двигатели создают сравнительно высокий момент при низких скоростях вращения. Момент существенно падает при увеличении скорости вращения. Однако, динамические характеристики двигателя могут быть существенно улучшены при использовании драйверов со стабилизацией тока на основе ШИМ.
Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме, или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов, например, в станках с ЧПУ. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения.
Шаговые двигатели применяются в устройствах компьютерной памяти — НГМД, НЖМД, устройствах чтения оптических дисков.
Датчик поворота
Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора.
Преимущества
Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. К приятным моментам можно отнести стоимость шаговых приводов, в среднем в 1,5-2 раза дешевле сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.
Принцип работы шагового двигателя
Каким образом роботизированный манипулятор на предприятии повторяет одни и те же движения снова и снова? Как автоматический фрезерный станок может двигаться с такой точностью? Это возможно благодаря шаговому двигателю. Особенность шагового двигателя заключается в том, что он может контролировать угловое положение ротора без замкнутого контура обратной связи, это простая и точная разомкнутая система.
p, blockquote 1,0,0,0,0 —>
p, blockquote 2,0,0,0,0 —>
Как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением
Для начала давайте разберемся, как работает шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением, который является самым простым. Позднее мы рассмотрим устройство высокоточного и широко используемого типа двигателя. У этого двигателя 6 зубьев на статоре, которые могут быть запитаны от трех отдельных источников постоянного тока.
p, blockquote 3,0,0,0,0 —>
p, blockquote 4,0,0,0,0 —>
Ротор состоит из ряда стальных пластин. У него отличное от статора количество зубьев в данном случае их 4 это сделано намеренно, для того чтобы только одна пара зубьев ротора могла одновременно находиться напротив зубьев статора.
p, blockquote 5,0,0,0,0 —>
p, blockquote 6,0,0,0,0 —>
Вы и сами можете объяснить, как работает этот шаговый двигатель. Если обесточить обмотку A и запитать обмотку B станет ясно, что ротор будет двигаться, как показано на модели.
p, blockquote 7,0,0,0,0 —>
p, blockquote 8,0,1,0,0 —>
Из уроков геометрии понятно, что один шаг соответствует 30 градусам. Чтобы перейти к следующему шагу обесточим обмотку B и запитаем обмотку C.
p, blockquote 9,0,0,0,0 —>
p, blockquote 10,0,0,0,0 —>
После этого вновь запитаем обмотку A. То есть ротор занимает позицию с наименьшим сопротивлением.
p, blockquote 11,0,0,0,0 —>
p, blockquote 12,0,0,0,0 —>
Размер шага двигателя составляет 30 градусов, точность может быть доведена до 15 градусов при помощи одного простого приема, когда запитана обмотка A, ротор находится в таком положении мы знаем, что если запитать обмотку B он повернется на 30 градусов. Но что произойдет если обмотки A и B будут запитаны одновременно? Ротор займет положение между двумя этими обмотками, то есть повернется на 15 градусов.
p, blockquote 13,0,0,0,0 —>
p, blockquote 14,0,0,0,0 —>
После этого обесточим А. Когда ротор установится напротив обмотки B, запитаем обмотку С, такой тип работы называется режимом дробления шага.
p, blockquote 15,0,0,0,0 —>
p, blockquote 16,1,0,0,0 —>
Как работает гибридный шаговый двигатель
Двигатель который мы рассматривали, называется двигателем с переменным магнитным сопротивлением. Наиболее универсальными и широко распространенными являются гибридные шаговые двигатели. Рассмотрим работу стандартного гибридного двигателя с величиной шага в 1.8 градуса.
p, blockquote 17,0,0,0,0 —>
p, blockquote 18,0,0,0,0 —>
Гибридный двигатель имеет намагниченный по оси ротор со стальными зубчатыми наконечниками. Таким образом, одна сторона ротора является северным магнитным полюсом, а другая южным.
p, blockquote 19,0,0,0,0 —>
p, blockquote 20,0,0,0,0 —>
Точность данного двигателя заключается в продуманном расположении зубьев ротора и статора. Разберемся, как это работает. Ротор имеет 50 зубьев, чтобы понять, как расположены зубья статора для начала, предположим, что у статора тоже 50 зубьев. Однако на самом деле их на 2 меньше, чем у ротора. Таким образом у статор остается 48 зубьев.
p, blockquote 21,0,0,0,0 —>
p, blockquote 22,0,0,0,0 —>
Давайте разделим их на 4 группы попарно, как показано на модели (подробнее смотри на видео).
p, blockquote 23,0,0,0,0 —>
p, blockquote 24,0,0,1,0 —>
Теперь давайте выровняем эти группы, зеленая группа сдвигается так что она оказывается наполовину выровнены с зубьями ротора. Зубья желтой группы полностью смещены относительно зубьев ротора. Синяя группа наполовину выровнена относительно зубьев ротора. Красная группа остается на своем месте, то есть красная группа зубьев полностью выровнена с ротором, а желтая группа смещена. Две другие группы смещены лишь наполовину.
p, blockquote 25,0,0,0,0 —>
p, blockquote 26,0,0,0,0 —>
Следует помнить, что сторона ротора направленная к нам является южным магнитным полюсом. Обмотки статора соединяются следующим образом, они представляют собой две независимые группы обмоток. При подаче питания на обмотку A, статор образует следующую картину намагниченности. Одна пара полюсов статора действует как северный полюс, а другая как южный. Так как противоположные полюса притягиваются, они будут совмещены, полюса с одинаковой полярностью будут смещены.
p, blockquote 27,0,0,0,0 —>
p, blockquote 28,0,0,0,0 —>
Смотрите, что произойдет с ротором при подаче питания на обмотку B, он совершит вращение на небольшой угол чтобы вы равняться с новым северным полюсом. Очевидно, что этот угол составляет одну четвертую часть углового шага. Другими словами, ротор поворачивается на 1,8 градуса, затем задействуется обмотка A с противоположной полярностью и вновь ротор поворачивается на одну целую восемь десятых градуса.
p, blockquote 29,0,0,0,0 —>
p, blockquote 30,0,0,0,0 —>
Данный процесс повторяется и двигатель совершает высокоточные движения. Разрешение угла шага может быть улучшено при помощи дробления шага. Интересно отметить, что северные зубчатые наконечники находятся между южными зубчатыми наконечниками, таким образом гарантируется выравнивание полюсов с противоположными полярностями.
p, blockquote 31,0,0,0,0 —> p, blockquote 32,0,0,0,1 —>
Вот так работает гибридный шаговый двигатель, такие двигатели идеально подходят для применения в областях, где необходимы четкие движения и простое управление.
