background image

 

POLITECHNIKA ŚLĄSKA 

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY 

KATEDRA MECHATRONIKI 

 

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

Przedmiot: 

Mechatronika 

 

Symbol ćwiczenia: 

M1 

 

Tytuł ćwiczenia: 

Modelowanie obwodowe silnika VCM 

SPIS TREŚCI 

 

Spis treści 

1. 

Cele ćwiczenia 

2. 

Wyposażenie stanowiska 

3. 

Podstawowe wiadomości 

4. 

Formułowanie modelu matematycznego silnika VCM 

5. 

Program ćwiczenia – wykaz zadań do realizacji 

6. 

Raport 

7. 

Pytania 

 

Literatura 

background image

Mechatronika 

 

 

 

 

Modelowanie obwodowe silnika VCM

 

1. CELE ĆWICZENIA 

Celem ćwiczenia jest: 

  sformułowanie  i  implementacja  modelu  matematycznego silnika VCM (stosowanego 

w dyskach twardych) w programie MATLAB/Simulink, 

  badanie wpływu zmian parametrów na przebiegi chwilowe przemieszczenia kątowego 

i prędkości silnika. 

 
 

2. WYPOSAŻENIE STANOWISKA 

W skład stanowiska wchodzą: 

  komputer  klasy  PC  z  systemem  operacyjnym  Windows  z  zainstalowanym 

oprogramowaniem Matlab/Simulink ver. 2009a lub nowszym. 

 

3. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI 

Stosowane  w  chwili  obecnej  w  dyskach  twardych  silniki  VCM  można  sklasyfikować 

według  kilku  kryteriów:  liczby  magnesów  trwałych  (ich  kształtu  oraz  sposobu 
namagnesowania), sposobu wykonania obwodu magnetycznego stojana (z kolumnami lub bez 
kolumn),  rodzaju  zastosowanych  łożysk  (kulkowe  lub  pasywne  łożyska  magnetyczne)  oraz 
sposobu  połączenia  z  ramieniem  aktuatora  głowic  [1].  Pod  względem  liczby  magnesów 
trwałych  silniki  VCM  możemy  sklasyfikować  w  dwóch  grupach  z  pojedynczym, 
monolitycznym  magnesem  trwałym  lub  z  dwoma  magnesami  trwałymi.  Pod  względem 
sposobu namagnesowania  na:  symetryczne  i  niesymetryczne. Do konstrukcji  symetrycznych 
możemy zaliczyć silniki stosowane w dyskach twardych przykładowo: IBM DeskStar DTLA-
307045 i Maxtor DiamondMax Plus 8 (oba o zbliżonej pojemności 40GB). W dyskach tych, 
w pierwszy przypadku mamy do dyspozycji silnik z dwoma magnesami trwałymi, natomiast 
w drugim przypadku – z jednym magnesem trwałym.  Wygląd silników VCM stosowanych w 
dyskach IBM DeskStar DTLA-307045 i Maxtor DiamondMax Plus 8 przedstawiono na rys.1 
oraz rys.2. 

 

 

Rys. 1. Silnik VCM - (1) oraz (2) i ramię aktuatora głowic - (3) dysku Maxtor DiamondMax Plus 8 

background image

Mechatronika 

 

 

 

 

Modelowanie obwodowe silnika VCM

 

 

Rys. 2. Silnik VCM - (1) i (2) oraz ramię aktuatora głowic - (3) dysku IBM DeskStar  DTLA-307045 

 

 
4. FORMUŁOWANIE MODELU MATEMATYCZNEGO SILNIKA VCM 

Model  obwodowy  silnika  VCM  składa  się  z  dwóch  równań  różniczkowych 

zwyczajnych,  reprezentujących  ze  sobą  wzajemnie  sprzężone  układy  elektryczny  i 
mechaniczny.  Pierwsze  równanie  związane  z  obwodem  elektrycznym  jest  równaniem 
równowagi napięć, zwykle podawane jest w postaci: 
 

(1) 

)

(

d

)

(

d

)

(

)

(

m

e

t

t

i

L

t

Ri

t

u

 
gdzie:  u(t)  -  napięcie  zasilające,  R,  L  -  rezystancja  i  indukcyjność  cewki  silnika,  e(

m

)  - 

napięcie indukowane. 

Zazwyczaj  napięcie  indukowane  rozważane  jest  jako  liniowa  funkcja  prędkości 

kątowej  wirnika  silnika  VCM  oraz  indukcji  w  szczelinie  powietrznej  (której  rozkład 
przyjmowany jest stały – niezależny od pozycji kątowej wirnika). Takie założenia prowadzą 
do stałych wartości tzw. stałych: napięciowej K

i momentowej K

t

. Takie założenia powodują 

stałe,  niezmienne  własności  silnika  niezależnie  od  położenia  kątowego  wirnika,  co  jest 
sprzeczne  z  badaniami  eksperymentalnymi  [1].  W  dalszych  rozważaniach  przedstawiony 
zostanie  model,  który  wadę  tą  eliminuje.  W  kroku  pierwszym  zastąpimy  rzeczywiste 
uzwojenie  (rozłożone  przestrzennie),  uzwojeniem  zastępczym  złożonym  z  N  nieskończenie 
cienkich przewodów. Ponadto zakładamy taki sam rozkład przestrzenny indukcji pod każdym 
biegunem magnesu trwałego. Z tych powodów możemy nasze rozważania zawęzić do analizy 
zachowania  się  jednego boku o długości l uzwojenia w polu  magnetycznym, schematycznie 
prezentowanego na rys. 3.  

 

 

Rys. 3. Zastępczy bok uzwojenia

 

 
 

Bok  uzwojenia  o  długości  l  porusza  się  na  promieniu  r

1

  w  polu  magnetycznym 

niejednorodnym kątowo, ale jednorodnym promieniowo. Przy przemieszczeniu kątowym d

 

zakreśla pole o powierzchni ds. W boku uzwojenia indukuje się napięcie: 
 

background image

Mechatronika 

 

 

 

 

Modelowanie obwodowe silnika VCM

 

(2) 

t

s

B

N

t

e

d

)}

(

)

(

{

d

d

d

gdzie:  - strumień skojarzony z uzwojeniem, – liczba zwoi. 
Postępując dalej tak samo  jak w [1] napięcie w  jednym  boku uzwojenia,  na  skutek ruchu w 
polu magnetycznym magnesu, może być wyrażone w postaci:  

(3)  

)

2

(

)

(

)

(

2

2

1

l

l

r

B

B

N

e

m

p

gdzie: 

p

 - podziałka biegunowa magnesu trwałego, 

m

 – prędkość kątowa wirnika. 

Równanie  napięciowe  (1)  po  wprowadzeniu  napięcia  indukowanego  (3),  w  formie 
kanonicznej przyjmuje postać:  

(4) 



)

2

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

)

(

d

d

2

1

l

l

r

B

B

N

t

Ri

t

u

L

t

i

t

m

p

 

Wyrażenie  opisujące  moment  elektromagnetyczny  może  być  wyznaczone  z  bilansu 

mocy silnika i przybiera postać [1]: 

(5)  

)

(

)

2

(

)

(

)

(

2

1

t

i

l

l

r

B

B

N

T

p

e

.  

Sprzęgnięte  z  cewką  wirnika  ramię  aktuatora  głowic  (tzw.  E-blok)  oraz  elementy 

zawieszenia  głowicy  potraktowano  jako  ciało  doskonale  sztywne  (w  rzeczywistość 
zawieszenie głowicy jest sprężyste). 

Na  rys.4.  przedstawiono  finalną  postać  modelu  silnika  VCM  implementowaną  w 

programie  MATLAB/Simulink.  Składa  się  on  z  dwóch  bloków  reprezentujących  układ 
elektryczny  silnika  („Subsystem1”)  oraz  układ  mechaniczny  („Subsystem”).  W  bloku  „Jb” 
wprowadzono zastępczy moment bezwładności ramienia E-bloku i układu zawieszeń. 

 

 

Rys. 4. Schemat blokowy silnika VCM 

 
W  bloku  „Subsystem1”  implementowano  prawe  strony  równań  (4)  i  (5)  z  wykorzystaniem 
bloków  nieliniowych  „Fcn”  –  rys.5.  W  wymienionych  równaniach  należy  dokonać 
podstawień  za  zmienne:  napięcie  zasilania,  prąd,  rozkład  indukcji,  prędkość  kątową, 
pochodną  rozkładu  indukcji  i  rozpiętość  kątową  uzwojenia  –  zmienne  „u(i)”  zgodnie  z 
porządkiem narzuconym przez multiplekser (pionowa gruba linia na rys.5).  

 

Rys. 5. Sposób implementacji równań (4) – blok „Fcn” i (5) – blok „Fcn4” 

background image

Mechatronika 

 

 

 

 

Modelowanie obwodowe silnika VCM

 

 
Dodatkowo  zachodzi  konieczność  wprowadzenia  do  modelu  rozkładu  indukcji  oraz 
pochodnej  cząstkowej  indukcji  w  postaci  funkcji  wielomianowych  zawartych  w  bloku 
„B_od_theta” na rys.5. Postać wewnętrzną tego bloku przedstawiono na rys.6. 
 

 

Rys. 6. Funkcje wielomianowe aproksymujące rozkład indukcji oraz pochodnej cząstkowej indukcji po 

przemieszczeniu kątowym 

 
Współczynniki wielomianów aproksymujących są następujące: 

 
- dla wielomianu 7 stopnia: 
 
[0.00000000007025,  -0.00000001103221,    0.00000069442742,  -0.00002293126876, 

0.00043487327324, -0.00485977464768,  0.03138970742748, 0.37891219492110] 

 
- dla wielomianu 6 stopnia: 
 
[.49175e-9,  -.6619326e-7,  .347213710e-5,  -.9172507504e-4,  .130461981972e-2,-

.971954929536e-2,.3138970742748e-1] 

 
Blok  „Subsystem”  (z  rys.4)  modeluje  układ  mechaniczny  –  jego  postać  wewnętrzną 

przedstawiono na rys.7. 

 

Rys. 7. Struktura wewnętrzna bloku reprezentującego układ mechaniczny 

 
W bloku „Fcn4” należy wpisać wyrażenie: (u(1)-u(2))/u(3). W bloku integratora „integrator1” 
należy wprowadzić ograniczenia zgodnie z rys.8. 
 

 

Rys. 8. Ograniczenia w bloku integratora 

 
 
 

background image

Mechatronika 

 

 

 

 

Modelowanie obwodowe silnika VCM

 

 

5. PROGRAM ĆWICZENIA – WYKAZ ZADAŃ DO REALIZACJI 

W ćwiczeniu należy wykonać następujący harmonogram zadań: 

  implementować samodzielnie model matematyczny silnika VCM, 

  wykonać badania: odpowiedzi na skok jednostkowy napięcia przy różnych wartościach 

progu oraz różnych masowych momentach bezwładności, 

  zbadać wpływ zmiany parametrów silnika VCM na odpowiedzi na skok jednostkowy 

napięcia zasilającego.  

 

6. RAPORT 

Raport z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego powinien zawierać: 

  opis i rysunki przedstawiające implementowany model silnika, 

  wyniki badań symulacyjnych, 

  podsumowanie i wnioski. 

 

7. PYTANIA 

  Jak zbudowane są silnika VCM? 

  Do jakich wielkości fizycznych oraz parametrów silnika zależy jego wytwarzany moment 

elektromagnetyczny? 

  Co to jest napięcie indukowane w silniku VCM? 

  Jak wpływa zamiana masowego momentu bezwładności na odpowiedzi silnika 

(przemieszczenie kątowe, prędkość kątową)? 

 

 

LITERATURA 

[1].   Trawiński  T.:  Verification  of  the  mathematical  model  of  Voice  Coil  Motor  with  high 

range  of  angular  motion,  Research  and  Education  in  Mechatronics,  KTH,  Stockholm, 
Sweden, June 15-16, 2006. 

 

 

Opracowanie: Tomasz Trawiński