motoare pas cu pas
TRANSCRIPT
PROIECT SISTEME FLEXIBILE SI
ADAPTIVE
ACTIONARI CU MOTOARE
PAS CU PAS
AN II MASTER ESI
MOTOR PAS CU PAS
1. Sistemele de acţionare
Prin element de acţionare electrică se înţelege un motor electric ce urmăreşte un semnal de
comandă (acest semnal poate fi tensiune electrică sau curent electric), pe care îl transformă într-un
semnal mecanic (deplasare liniară/unghiulară sau viteză liniară/unghiulară) pentru a obţine un
randament energetic.
Pentru microacţionări, elementul de acţionare (motorul electric) are în plus proprietatea de a fi un
convertor electro-mecanic ~ să respecte proporţionalitatea între mărimea electrică de comandă şi
mărimea mecanică de ieşire (semnalul de ieşire).
Sistemele de acţionare sunt compuse dintr-un element de acţionare, dintr-un dispozitiv de lucru
(mecanism acţionat) şi traductorul de viteză şi / sau poziţie. Acestea reprezintă totalitatea elementelor
din componenţa dispozitivelor de lucru şi a instalaţiilor, care asigură mişcarea elementelor conducătoare
după o anumită lege în conformitate cu funcţiile stabilite pentru aceste elemente.
O caracteristică a elementelor de acţionare o reprezintă reversibilitatea (elementul de acţionare
poate funcţiona atât în regim de motor cât şi în regim de generator).
Din punct de vedere energetic un sistem de acţionare transformă energia primită de la o sursă de
energie primară, în lucru mecanic util, pe care apoi îl furnizează mecanismelor acţionate. Transmiterea
se face prin intermediul arborilor pentru mişcarea de rotaţie, sau prin intermediul tijelor pentru mişcarea
de translaţie alternativă.
Clasificare:
Marea majoritate a elementelor de acţionare funcţionează în trei regimuri, şi anume:
- Regim de motor (primeşte energie electrică şi cedează sistemului acţionat energie de
natură mecanică);
- Regim de generator (are o comportare exact opusă decât cea din regimul de motor);
- Regim de generator (are o comportare exact opusă decât cea din regimul de motor);
- Regim de frână electrică (primeşte atât energie electrică cât şi energie de natură
mecanică pe care le transformă în căldură).
A v a n t a j e l e a c t i o n a r i i e l e c t r i c e :
1. Disponibilitate de energie mare, care poate fi stocată pe termen lung.
2. Fluxul de putere electrică, se pretează cel mai bine la automatizări, ceea ce duce la obţinerea unor
performante maxime în funcţionare.
3. Pot fi comandate de la distanţă.
4. Este constituită din elemente modularizate, tipizate care se pretează miniaturizării.
5. Randamentul acestor tipuri de acţionări este mult mai mare decât la celelalte tipuri de acţionări.
6. Sunt silenţioase şi fiabile.
7. Reglarea vitezei se face într-un raport foarte mare 10.000 : 1, performanţă care este mult superioară
celorlalte tipuri de acţionări.
8. Timpul de răspuns la motoarele electrice speciale utilizate pentru automatizări sunt net superioare
celorlalte tipuri de acţionări.
Dezavantajele actionarii electrice:
1. Încălzirea motorului, care apare datorită intensităţii mari a curentului care este absorbit, ceea ce
duce la modificarea celorlalţi parametrii. De aceea comanda motorului trebuie făcută astfel încât să se
evite încălzirea. Acest fenomen de încălzire apare în mod special în regimurile tranzitorii de
funcţionare (pornire şi oprire).
2. Puterea motorului raportată la unitatea de volum este mai mică în comparaţie cu alte tipuri de
acţionări.
3. Momentele de inerţie generate în regimul tranzitoriu de funcţionare al motorului sunt mai mari la
acţionările electrice în comparaţie cu alte tipuri de acţionări (unele motoare de construcţie specială
elimină acest dezavantaj).
4. Caracteristica mecanică moment – turaţie este în general descrescătoare la acţionările de tip
electric (la Motorul Pas cu Pas descreşte destul de mult).
2. MOTOARE PAS CU PAS (constructive si functionare, clasificare, definitii)
Motorul electric pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizează conversia
impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului într-o mişcare de rotaţie ce constă din deplasări
unghiulare discrete de mărime egală şi care reprezintă paşii motorului. Numărul paşilor efectuaţi trebuie
să corespundă, în cazul unei funcţionări corecte cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor
motorului.
Majoritatea motoarelor electrice pas cu pas sunt bidirecţionale şi permit o accelerare, oprire şi
reversare rapidă fără pierderi de paşi, dacă sunt comandate cu o frecvenţă inferioară frecvenţei limită
corespunzătoare regimului respectiv de funcţionare. Pentru extinderea funcţionării motoarelor pas cu
pas la viteze mai mari decât viteza corespunzătoare frecvenţei limită, este necesară o accelerare prin
creşterea treptată a frecvenţei impulsurilor de comandă.
MPP sunt utilizate în special în aplicaţiile unde se doreşte realizarea unei mişcări incrementale
folosind sisteme de comandă numerică.
Dezvoltarea relativ recentă a MPP precum şi interesul manifestat faţă de aceste motoare au
determinat dezvoltarea unei game largi de tipuri de MPP.
Clasificarea motoarelor pas cu pas:
- Solenoidal (cu bobine pe stator);
- Cu magnet permanent în rotor;
- Cu magnet permanent în stator;
- Cu reluctanţă variabilă;
- Cu magnet permanent şi reluctanţă variabilă (hibrid);
- Electromecanic.
O clasificare a motoarelor pas cu pas se poate face în funcţie de construcţia circuitului magnetic şi
de numărul înfăşurărilor de comandă. Astfel se disting:
a) motoare pas cu pas de tip reactiv (cu reluctanţă variabilă) cu rotorul fără înfăşurări, cu
un număr de poli sau dinţi ce diferă puţin faţă de cel aî statorului. Acest motor posedă cuplu scăzut,
unghi de pas mic şi viteze mari (de ordinul 20.000 paşi/s);
b) motoare pas cu pas de tip activ, la care apar pe rotor magneţi permanenţi sau
electromagneţi. Motoarele pas cu pas pot avea unul sau mai multe statoare cu înfăşurări de
comandă concentrate sau distribuite. Aceste motoare posedă un cuplu ridicat unghi de pas mare şi
viteze de ordinul a 300 paşi/s.
Pentru exemplificare consideram un motor pas cu pas de tip reactiv sau cu reluctantă variabilă cu pr=l
pereche de poli rotorici şi ps=3 perechi de poli aparenţi statorici. Fiecare pol statoric are câte o
înfăşurare concentrată de comandă; toate aceste înfăşurări se leagă două câte două in serie (ale polilor
statorici opuşi), formând "fazele" statorice. Se alimentează apoi succesiv de la o sursă de curent continuu
cu ajutorul unui comutator electronic.
Fig.1
Avantajele motoarelor pas cu pas:
- Fiabilitate bună;
- Îmbunătăţirea preciziei;
- Compatibilitate cu tehnica de calcul;
- Porniri / opriri şi reversări repetate fără a pierde paşi;
- Memorează poziţia.
Dezavantajele motoarelor pas cu pas:
- Pasul unghiular are valoare fixă;
- Elementul de execuţie este analogic;
- Randament scăzut ;
- Capacitate limitată la acţiunea sarcinilor (se folosesc angrenaje);
- Comanda motorului trebuie adoptată la tipul de motor folosit.
Ca urmare a apariţiei materialelor magnetice cu performanţe ridicate s-au introdus de elemente de
execuţie la care mişcarea este incrementală. Din această categorie fac parte: motoarele pas cu pas,
servomotoarele de curent continuu şi combinaţii hibride.
Toate aceste elemente au proprietatea că transforma informaţia discretă sub formă de impulsuri în
deplasare incrementală.
3. CIRCUITUL DE PUTERE
Indiferent de principiul de funcţionare al unui motor pas cu pas comanda acestuia se
realizează prin comutarea succesivă a fazelor înfăşurărilor,
Pentru un motor pas cu pas cu reluctanţă variabilă sunt posibile următoarele tipuri de
comenzi:
- comanda simetrică simplă sau cu putere pe jumătate;
- comanda simetrica dublă sau cu putere întreagă;
- comanda nesimetrică sau cu comanda cu jumătate de unghi de pas.
3.1 Comanda simetrică simplă
Pentru un motor pas cu pas cu patru faze (m1, m2, m3, m4) aceasta presupune alimentarea pe rând a
acestora. Comanda poate fi în sens orar, dacă fazele sunt al imentate în succesiunea m1-m2-m3-m4 sau
în sens antiorar, dacă fazele sunt alimentate în succesiunea m1-m4-m3-m2-m1.
Tabelul de stare pentru cele patra înfăşurări şi diagrama de semnale sunt date de Fig.. 2:
Sens orar Sens antiorar
m1 m2 m3 m4 m1 m2 m3 m4
1 0 0 0 1 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 1 0 0
Fig. 2
Pentru acest tip de comandă valoarea pasului electric este:
iar motorul are patru stări electrice,
3.2 Comanda simetrică dublă
Aceasta presupune alimentarea celor patru faze ale motorului pas cu pas în succesiunea 12-23-
34-41...pentru sensul orar al rotorului şi în succesiunea 14-43-32-21-14... pentru sensul antiorar.
Tabelul de stare pentru cele patru înfăşurări şi diagrama de semnale sunt date în Fig. 3.
Sens orar Sens antiorar
m1 m2 m3 m4 m1 m2 m3 m4
1 1 0 0 1 0 0 1
0 1 1 0 0 0 1 1
0 0 1 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 1 0 0
Fig. 3
Pentru această comandă pasul electric are valoarea:
iar stările sunt defazate cu n>4 faţă de stările electrice de bază.
3.3 Comanda nesimetrică
Comanda presupune alimentarea fazelor în secvenţa 12-2-23-3-34-4-41-1... pentru
deplasarea în sens orar a rotorului, iar secvenţa 14=4-43-3-32-2-21-1.., asigură deplasarea în sens
antiorar.
Pentru această comandă rotorul execută o deplasare cu o jumătate de pas, comparativ cu
pasul de la comenzile simetrice.
Tabelul de stare pentru această comandă şi diagrama de semnale sunt în Fig. 4.
Sens orar Sens antiorarm1 m2 m3 m4 m1 m2 m3 m4
1 0 0 0 1 0 0 11 1 0 0 0 0 0 10 1 0 0 0 0 1 00 1 1 0 0 0 1 00 0 1 0 0 1 1 00 0 1 1 0 1 0 00 0 0 1 1 1 0 01 0 0 1 1 0 0 0
Fig. 4
5. CIRCUITE DE COMANDA CLASICE
Una din cele mai importanta probleme în aplicaţiile cu motoare pas cu pas este cea a
sistemului de comandă şi a sistemului de alimentare. Referitor la sistemul de comandă, pentru un
motor pas cu pas se poate adopta un sistem în circuit deschis sau m circuit închis.
Proprietatea de conversie univocă a impulsului electric în pas unghiular, specifică motorului pas
cu pas. permite realizarea unor sisteme de reglare a poziţiei în circuit deschis iară folosirea unui
traductor de reacţie , Deoarece nu există o buclă de reacţie, nu există nici un mijloc de a şti dacă
motorul a pierdut un impuls sau dacă viteza are un caracter prea oscilant.
Dacă frecvenţa impulsurilor de comandă este prea ridicată motorul pierde sincronismul cu
impulsurile oprindu-se. deci el poate funcţiona cu rezultate bune în buclă deschisă doar la frecvenţe
joase şi medii, ceea ce constituie o limitare a frecvenţelor până la care poate fi folosit şi deci un
dezavantaj. Un alt dezavantaj al folosirii motorului pas cu pas în buclă deschisă este legat de
sensibilitatea deosebită la variaţiile sarcinii, care conduce la pierderea paşilor, şi deci la ieşirea din
sincronism.
Aceste dezavantaje au determinat adoptarea sistemelor de comandă în circuit închis, care conferă
motorului pas cu pas obţinerea unor performanţe deosebite referitoare la :
- obţinerea unei viteze superioare de mers;
- o stabilitate mai bună a reglării în raport cu variaţia sarcinii;
- un mers mai liniştit tară oscilaţii.
Indiferent de sistemul de comandă adoptat, modul de comandă al alimentării fazelor, împreună cu
schema de alimentare a acestora pot ameliora performanţele unei construcţii date pentru motorul pas
cu pas (unghi de pas, cuplu dinamic maxim, frecvenţă maximă de mers)
5.1 Comanda în circuit deschis a motorului pas cu pas. Distribuitorul de impulsuri.
Comutarea semnalelor pe înfăşurări este realizată cu scheme de comandă specifice. Aceste
scheme trebuie să conţină pe de o parte logica de comutare a fazelor, iar pe de altă parte dispozitive
electronice de putere cuplate direct pe înfăşurările motorului.
În fig. 5 se pot urmări principalele elemente ce intră în compunerea acestor scheme.
Circuitul distribuitor este format dintr-un numărător în inel cu numărul stărilor egal cu numărul
fazelor motorului, urmat de o logică de decodificare ce permite activarea unei singure ieşiri într-o
stare a numărătorului. Pentru exemplificare în fig. 9 sunt prezentate două circuite distribuitoare
pentru un motor pas cu pas cu patru faze. Primul distribuitor, fig. 6a este realizat dintr-un numărător
modulo 4 activat de un generator de impulsuri cu perioada T=tM 4, unde tM este timpul de explorare
al tuturor fazelor motorului.
Fig. 5
Prin decodificare se obţine în fiecare stare a numărătorului un singur impuls, la fiecare
perioadă a generatorului, deci controlul realizat corespunde unei comenzi simetrice simple, in fig.
6b este utilizat acelaşi numărător, dar logica de decodificare asigură semnalele următoare:
A=Q1
B=Q0Q1+Q0Q1
C=Q1
D=Q0Q1+Q0Q1
Fig. 6
5.2 Blocul contactoarelor statice
Blocul contactoarelor statice (driver) realizează comutarea fazelor motorului pas cu pas la
tensiunea de alimentare în conformitate cu logica stabilită de distribuitorul de impulsuri. Rezultă deci
că blocul contactoarelor statice trebuie să corespundă unor problemele ce derivă din regimurile speciale
la care operează un motor pas cu pas.
Schema unui amplificator comutator de tip Darlington cuplat pe una din înfăşurările unui
motor pas cu pas este dată în fig. 7.
Fig. 7
5.3 Comanda in bucla deschisa si in bucla inchisa
Fig. 8
Comanda paşilor MPP poate realiza în mai multe moduri:
- Comandă în secvenţă simplă in care este alimentata cate o singura faza statorica AA’, BB’
respectiv CC’;
- Comandă în secvenţă dublă in care sunt alimentate simultan cate 2 faze: AA’+BB’; BB’+CC’
respectiv CC’+AA’.
- Comandă în secvenţă mixtă presupune alimentarea, succesivă a unei faze, AA’, urmată de
alimentare a 2 faze, AA’+BB’, apoi a unei faze, BB’, urmată de alte 2 faze, BB’+CC’ etc.
- Comandă prin micropăşire este o metodă specială de control al poziţiei MPP în poziţii
intermediare celor obţinute prin primele trei metode. De exemplu, pot fi realizate poziţionări la 1/10,
1/16, 1/32, 1/125 din pasul motorului, prin utilizarea unor curenţi de comandă a fazelor cu valori diferite
de cea nominală, astfel încât suma curenţilor de comandă prin cele două faze alăturate, comandate
simultan să fie constantă, egală cu valoarea nominală. Cu ajutorul acestei metode sunt asigurate atât
poziţionări fine, cât si operări line, fără şocuri, însă cuplul dezvoltat este mai mic decât în primele trei
cazuri. Presupune un sistem de comandă mult mai complex, cu convertoare numeric-analogice, pentru a
obţine profilele de curenţi în trepte.
Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al menţinerii/inversării sensului, sunt două moduri de
comandă distincte:
- Comandă unipolară, cu menţinerea sensului curentului;
- Comandă bipolară, cu alternarea sensului curentului.
6. CIRCUITE DE COMANDA CLASICE
La modul general un controler ("controller" - un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu
de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces
sau, mai general, unei interacţiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenţia
operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind
componente electronice discrete şi/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac
apel la tehnica numerică modernă au fost realizate iniţial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate
numerice standard SSI şi MSI) şi a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care
"străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură şi, nu de puţine ori, o fiabilitate care
lăsa de dorit.
Apariţia şi utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducerea consistentă a
costurilor, dimensiunilor, consumului şi o îmbunătăţire a fiabilităţii. Există şi la ora actuală o serie de
astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80
(Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.
Toate aplicaţiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria aşa ziselor sisteme
încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existenţa unui sistem de calcul incorporat este
(aproape) transparentă pentru utilizator. Pentru că utilizarea lor este de foarte multe ori sinonimă cu
ideea de control, microcontrolerele sunt utilizate masiv în robotică şi mecatronică.
Lucrarea prezinta un sistem de actionare electrica a unui motor de curent continuu, conversia
impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului într-o mişcare care reda sensul, cresterea si scaderea
vitezei de actionare. In paginile urmatoare se poate observa schema electrica si cablajul.
Fig.9 prezinta un circuit tipic care precizeaza ce detalii trebuie luate in considerare atunci cand
trebuie realizat un circuit. Ca sa putem implementa ICSP-ul pe placa, trebuie sa tii cont de urmatoarele
precizari:
- izolarea pinului GP3/ / de restul circuitului;
- izolarea pinilor GP1 si GPO de restul circuitului;
- capacinta ficaruia dintre pinii , GP3/ / , GP1 si GPO;
- interfata programatorului;
- tensiunea minima si maxima de operare pentru .
Fig. 9 Microcontroller din familia PIC12C utilizat
Programarea uni microcontroller din familia PIC12C5XX MCU in cadrul circuitului are multe
avantaje pentru dezvoltarea si fabricarea produsului. Cu ajutorul ICSP-ului, utilizatorul poate fabrica
produs fara a mai programa PICmicro MCU. PICmicro MCU va fi programat inainte ca produsul sa fie
livrat. ICSP-ul permite utilizatorului sa detina un singur hardware, in timp ce PIC12C5XX MCU poate
fi programat cu diferite tipuri de software.
Regulatorul de tensiune folosit face parte din familia MC78XX/LM78XX/MC78XXA si sunt
valabile in pachetele TO-220/D-PAK impreuna cu o serie de iesiri fixe pentru tensiune, devenind foarte
folositoare pentru o arie larga de aplicatii. Fiecare tip implica un current intern de limitare si o zona de
operare de protectie, facandu-l practice indestructibil. Daca se utilizeaza un radiator corespunzator, pot
asigura mai mult de 1A la iesire.
In cadrul circuitului s-a folosit un regulator 7805 avand urmatoarele caracteristici electrice:
De asemenea, s-a mai folosit un regulator de tensiune 7812, cu caracteristici asemanatoare cu
7805. Diagrama de conexiune este redata mai jos.
Caracteristici ale 7805:
- nu este nevoie de alte component externe;
- protectie impotriva incalzirii interne;
- compensare a zonei de siguranta pentru tranzistorul de iesire;
- tensiunea de iesire oferita cu o tolerant de 4%;
- current de iesire in exces de 1A.
TOP LAYER
SILKSCREEN TOP
NC DRILL
BIBLIOGRAFIE
Kiyonobu Mizutani, Shigero Hayashi, Nobouky Matsui –“Modeling and Control of
Hybrid Stepping Motor”, IEEE /IAS Annual Meeting, 1993, pp. 289-294;
Trifa V., "Servomecanisme", Litografia Institutul Politehnic din Cluj-Napoca, 1981;
Viorel I.A., Szabó L., "Hybrid linear stepper motors", Ed. Mediamira, Cluj- Napoca,
1998.