Motoare Pas cu Pas

ARGUMENTMasinile electrice sunt sisteme tehnice prin care se asigura conversia electromecanica. Masinile electrice sunt folosite pentru producerea energiei electrice, n care caz sunt denumite generatoare electrice, sau pentru transformarea energiei electrice n energiei mecanica, n care caz sunt denumite motoare electrice. Masina convertizoare realizeaza modificarea parametrilor energiei electrice (tensiune, curent, frecventa etc.) prin intermediul energiei mecanice (figura 1). n situatia n care o masina electrica primeste simultan energie electrica si energie mecanica si le transforma n caldura, masina functioneaza n regim de frn.Motorul este o masina care este alimentata cu o anumita energie ( electrica ,energia termica a unui combustibil ) pe care o transforma in energie mecanica. Energia obtinuta este de regula furnizata sub forma unei miscari de rotatie , miscare folosita ulterior pentru antrenarea autovehiculelor , altor mijloace de transport terestru , navale sau aeriene , a masinilor-unelte si a numeroase aparate de uz casnic

In prezent folosim doua tipuri de motoare : motoare electrice ( alimentate cu curent electric ) si motoare termice ( alimentate cu combustibili lichizi , gazosi si uneori solizi ). Ambele tipuri de motoare produc energie mecanica. In functie de modul in care energia de alimentare ajunge la motoare se stabileste si domeniul de utilizare al acestora . Motoarele electrice sunt folosite in special acolo unde energia electrica poate fi adusa prin intermediul retelelor electrice : locuinte, masini-unelte, unele mijloace de transport alimentate prin cablu de contact ( tramvaie, troleibuze, metrou, calea ferata )

Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizeaz transformarea unui tren de impulsuri digitale ntr-o micare proporional a axului su. Micarea rotorului MPP const din deplasri unghiulare discrete, succesive, de mrimi egale i care reprezint paii motorului. n cazul unei funcionri corecte, numrul pailor efectuai trebuie s corespund cu numrul impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului. Deplasarea unghiular total, constituit dintr-un numr de pai egal cu numrul de impulsuri de comand aplicat pe fazele motorului, determin poziia final a rotorului. Aceast poziie se pstreaz, adic este memorat, pn la aplicarea unui nou impuls de comand. Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri deplasare, asociat cu aceea de memorare a poziiei, fac din MPP un excelent element de execuie, integrat n sistemele de reglare a poziiei n circuit deschis. MPP mai prezint proprietatea de a putea intra n sincronism fa de impulsurile de comand chiar din stare de repaus, funcionnd fr alunecare, frnarea efectundu-se, de asemenea, fr ieirea din sincronism. Datorit acestui fapt se asigur porniri, opriri si reversri brute fr pierderi de pai n tot domeniul de lucru.

Viteza unui MPP poate fi reglat n limite largi prin modificarea frecvenei impulsurilor de intrare. Astfel, dac pasul unghiular al motorului este 1,8 numrul de impulsuri necesare efecturii unei rotaii complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvena de 400 impulsuri pe secund turaia motorului este de 120 rotaii pe minut. MPP pot lucra pn la frecvene de 1000 - 20000 pai / secund, avnd pai unghiulari cuprini ntre 180 si 0,3 . Aplicaiile acestora sunt limitate la situaiile n care nu se cer puteri mari (puteri uzuale cuprinse ntre domeniile microwailor si kilowailor). MPP sunt utilizate n aplicaii de mic putere, caracterizate de micri rapide, precise, repetabile: plotere x-y, uniti de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante serie, acionarea mecanismelor de orientare si prehensiune la roboti, deplasarea axial a elementelor sistemelor optice, mese de poziionare 2D pentru mainile de gurit etc.

MPP sunt de mai multe feluri: rotative sau liniare, numrul nfurrilor de comand variind ntre unu si cinci. Din punct de vedere al construciei circuitului magnetic sunt trei tipuri principale:

a. cu reluctan variabil (de tip reactiv);

b. cu magnet permanent (de tip activ);

c. hibride.

CAPITOLUL I

NOIUNI GENERALE1.1. Sistemele de acionare

Prin element de acionare electric se nelege un motor electric ce urmrete un semnal de comand (acest semnal poate fi tensiune electric sau curent electric), pe care l transform ntr-un semnal mecanic (deplasare liniar/unghiular sau vitez liniar/unghiular) pentru a obine un randament energetic.

Pentru microacionri, elementul de acionare (motorul electric) are n plus proprietatea de a fi un convertor electro-mecanic ~ s respecte proporionalitatea ntre mrimea electric de comand i mrimea mecanic de ieire (semnalul de ieire).

Sistemele de acionare sunt compuse dintr-un element de acionare, dintr-un dispozitiv de lucru (mecanism acionat) i traductorul de vitez i / sau poziie. Acestea reprezint totalitatea elementelor din componena dispozitivelor de lucru i a instalaiilor, care asigur micarea elementelor conductoare dup o anumit lege n conformitate cu funciile stabilite pentru aceste elemente.

O caracteristic a elementelor de acionare o reprezint reversibilitatea (elementul de acionare poate funciona att n regim de motor ct i n regim de generator).

Din punct de vedere energetic un sistem de acionare transform energia primit de la o surs de energie primar, n lucru mecanic util, pe care apoi l furnizeaz mecanismelor acionate. Transmiterea se face prin intermediul arborilor pentru micarea de rotaie, sau prin intermediul tijelor pentru micarea de translaie alternativ.

1.2. Clasificare:

Marea majoritate a elementelor de acionare funcioneaz n trei regimuri, i anume:

Regim de motor (primete energie electric i cedeaz sistemului acionat energie de natur mecanic);

Regim de generator (are o comportare exact opus dect cea din regimul de motor);

Regim de generator (are o comportare exact opus dect cea din regimul de motor);

Regim de frn electric (primete att energie electric ct i energie de natur mecanic pe care le transform n cldur).

1.3. Avantajele actionarii electrice:

2. Disponibilitate de energie mare, care poate fi stocat pe termen lung.

3. Fluxul de putere electric, se preteaz cel mai bine la automatizri, ceea ce duce la obinerea unor performante maxime n funcionare.

4. Pot fi comandate de la distan.

5. Este constituit din elemente modularizate, tipizate care se preteaz miniaturizrii.

6. Randamentul acestor tipuri de acionri este mult mai mare dect la celelalte tipuri de acionri.

7. Sunt silenioase i fiabile.

8. Reglarea vitezei se face ntr-un raport foarte mare 10.000 : 1, performan care este mult superioar celorlalte tipuri de acionri.

9. Timpul de rspuns la motoarele electrice speciale utilizate pentru automatizri sunt net superioare celorlalte tipuri de acionri.1.4. Dezavantajele actionarii electrice:1. nclzirea motorului, care apare datorit intensitii mari a curentului care este absorbit, ceea ce duce la modificarea celorlali parametrii. De aceea comanda motorului trebuie fcut astfel nct s se evite nclzirea. Acest fenomen de nclzire apare n mod special n regimurile tranzitorii de funcionare (pornire i oprire).

2. Puterea motorului raportat la unitatea de volum este mai mic n comparaie cu alte tipuri de acionri.

3. Momentele de inerie generate n regimul tranzitoriu de funcionare al motorului sunt mai mari la acionrile electrice n comparaie cu alte tipuri de acionri (unele motoare de construcie special elimin acest dezavantaj).

4. Caracteristica mecanic moment turaie este n general descresctoare la acionrile de tip electric (la Motorul Pas cu Pas descrete destul de mult).

CAPITOLUL II

CONSTRUCIA I FUNCIONAREA MOTOARELOR PAS CU PAS

Motorul electric pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizeaz conversia impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului ntr-o micare de rotaie ce const din deplasri unghiulare discrete de mrime egal i care reprezint paii motorului. Numrul pailor efectuai trebuie s corespund, n cazul unei funcionri corecte cu numrul impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului.

Majoritatea motoarelor electrice pas cu pas sunt bidirecionale i permit o accelerare, oprire i reversare rapid fr pierderi de pai, dac sunt comandate cu o frecven inferioar frecvenei limit corespunztoare regimului respectiv de funcionare. Pentru extinderea funcionrii motoarelor pas cu pas la viteze mai mari dect viteza corespunztoare frecvenei limit, este necesar o accelerare prin creterea treptat a frecvenei impulsurilor de comand.

MPP sunt utilizate n special n aplicaiile unde se dorete realizarea unei micri incrementale folosind sisteme de comand numeric.

Dezvoltarea relativ recent a MPP precum i interesul manifestat fa de aceste motoare au determinat dezvoltarea unei game largi de tipuri de MPP.2.1. Clasificarea motoarelor pas cu pas:

Motoare cu bobine pe stator; Cu magnet permanent n rotor; Cu magnet permanent n stator; Cu reluctan variabil; Cu magnet permanent i reluctan variabil (hibrid); Electromecanic.O clasificare a motoarelor pas cu pas se poate face n funcie de construcia circuitului magnetic i de numrul nfurrilor de comand. Astfel se disting:

a) motoare pas cu pas de tip reactiv (cu reluctan variabil) cu rotorul fr nfurri, cu un numr de poli sau dini ce difer puin fa de cel a statorului. Acest motor posed cuplu sczut, unghi de pas mic i viteze mari (de ordinul 20.000 pai/s);b) motoare pas cu pas de tip activ, la care apar pe rotor magnei permaneni sau electromagnei. Motoarele pas cu pas pot avea unul sau mai multe statoare cu nfurri de comand concentrate sau distribuite. Aceste motoare posed un cuplu ridicat unghi de pas mare i viteze de ordinul a 300 pai/s.Pentru exemplificare consideram un motor pas cu pas de tip reactiv sau cu reluctant variabil cu pr=l pereche de poli rotorici i ps=3 perechi de poli apareni statorici. Fiecare pol statoric are cte o nfurare concentrat de comand; toate aceste nfurri se leag dou cte dou in serie (ale polilor statorici opui), formnd "fazele" statorice. Se alimenteaz apoi succesiv de la o surs de curent continuu cu ajutorul unui comutator electronic.

Fig.1

2.2. Avantajele motoarelor pas cu pas:

Fiabilitate bun;

mbuntirea preciziei;

Compatibilitate cu tehnica de calcul;

Porniri / opriri i reversri repetate fr a pierde pai;

Memoreaz poziia.2.3. Dezavantajele motoarelor pas cu pas:

Pasul unghiular are valoare fix;

Elementul de execuie este analogic;

Randament sczut ;

Capacitate limitat la aciunea sarcinilor (se folosesc angrenaje);

Comanda motorului trebuie adoptat la tipul de motor folosit.

Ca urmare a apariiei materialelor magnetice cu performane ridicate s-au introdus de elemente de execuie la care micarea este incremental. Din aceast categorie fac parte: motoarele pas cu pas, servomotoarele de curent continuu i combinaii hibride.

Toate aceste elemente au proprietatea c transforma informaia discret sub form de impulsuri n deplasare incremental.2.4. CIRCUITUL DE PUTEREIndiferent de principiul de funcionare al unui motor pas cu pas comanda acestuia se realizeaz prin comutarea succesiv a fazelor nfurrilor,

Pentru un motor pas cu pas cu reluctan variabil sunt posibile urmtoarele tipuri de comenzi:- comanda simetric simpl sau cu putere pe jumtate;- comanda simetrica dubl sau cu putere ntreag;- comanda nesimetric sau cu comanda cu jumtate de unghi de pas.2.5. Comanda simetric simplPentru un motor pas cu pas cu patru faze (m1, m2, m3, m4) aceasta presupune alimentarea pe rnd a acestora. Comanda poate fi n sens orar, dac fazele sunt alimentate n succesiunea m1-m2-m3-m4 sau n sens antiorar, dac fazele sunt alimentate n succesiunea m1-m4-m3-m2-m1.

Tabelul de stare pentru cele patra nfurri i diagrama de semnale sunt date de Fig.. 2:Sens orarSens antiorar

m1m2m3m4m1m2m3m4

10001000

01000001

00100010

00010100

Fig. 2

Pentru acest tip de comand valoarea pasului electric este:

iar motorul are patru stri electrice, 2.6. Comanda simetric dublAceasta presupune alimentarea celor patru faze ale motorului pas cu pas n succesiunea 12-23-34-41...pentru sensul orar al rotorului i n succesiunea 14-43-32-21-14... pentru sensul antiorar.Tabelul de stare pentru cele patru nfurri i diagrama de semnale sunt date n Fig. 3.

Sens orarSens antiorar

m1m2m3m4m1m2m3m4

11001001

01100011

00110110

10011100

Fig. 3

Pentru aceast comand pasul electric are valoarea:

iar strile sunt defazate cu n>4 fa de strile electrice de baz.2.7. Comanda nesimetricComanda presupune alimentarea fazelor n secvena 12-2-23-3-34-4-41-1... pentru deplasarea n sens orar a rotorului, iar secvena 14=4-43-3-32-2-21-1.., asigur deplasarea n sens antiorar.Pentru aceast comand rotorul execut o deplasare cu o jumtate de pas, comparativ cu pasul de la comenzile simetrice.

Tabelul de stare pentru aceast comand i diagrama de semnale sunt n Fig. 4.Sens orarSens antiorar

m1m2m3m4m1m2m3m4

10001001

11000001

01000010

01100010

00100110

00110100

00011100

10011000

Fig. 4

CAPITOLUL IIISISTEMUL DE COMAND AL UNUI MOTOR PAS CU PAS

3.1. CIRCUITE DE COMANDA CLASICEUna din cele mai importanta probleme n aplicaiile cu motoare pas cu pas este cea a sistemului de comand i a sistemului de alimentare. Referitor la sistemul de comand, pentru un motor pas cu pas se poate adopta un sistem n circuit deschis sau m circuit nchis.Proprietatea de conversie univoc a impulsului electric n pas unghiular, specific motorului pas cu pas. permite realizarea unor sisteme de reglare a poziiei n circuit deschis iar folosirea unui traductor de reacie , Deoarece nu exist o bucl de reacie, nu exist nici un mijloc de a ti dac motorul a pierdut un impuls sau dac viteza are un caracter prea oscilant.

Dac frecvena impulsurilor de comand este prea ridicat motorul pierde sincronismul cu impulsurile oprindu-se. deci el poate funciona cu rezultate bune n bucl deschis doar la frecvene joase i medii, ceea ce constituie o limitare a frecvenelor pn la care poate fi folosit i deci un dezavantaj. Un alt dezavantaj al folosirii motorului pas cu pas n bucl deschis este legat de sensibilitatea deosebit la variaiile sarcinii, care conduce la pierderea pailor, i deci la ieirea din sincronism.Aceste dezavantaje au determinat adoptarea sistemelor de comand n circuit nchis, care confer motorului pas cu pas obinerea unor performane deosebite referitoare la :- obinerea unei viteze superioare de mers;- o stabilitate mai bun a reglrii n raport cu variaia sarcinii;

- un mers mai linitit tar oscilaii.

Indiferent de sistemul de comand adoptat, modul de comand al alimentrii fazelor, mpreun cu schema de alimentare a acestora pot ameliora performanele unei construcii date pentru motorul pas cu pas (unghi de pas, cuplu dinamic maxim, frecven maxim de mers)3.2. Comanda n circuit deschis a motorului pas cu pas. Distribuitorul de impulsuri.Comutarea semnalelor pe nfurri este realizat cu scheme de comand specifice. Aceste scheme trebuie s conin pe de o parte logica de comutare a fazelor, iar pe de alt parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe nfurrile motorului.n fig. 5 se pot urmri principalele elemente ce intr n compunerea acestor scheme.Circuitul distribuitor este format dintr-un numrtor n inel cu numrul strilor egal cu numrul fazelor motorului, urmat de o logic de decodificare ce permite activarea unei singure ieiri ntr-o stare a numrtorului. Pentru exemplificare n fig. 9 sunt prezentate dou circuite distribuitoare pentru un motor pas cu pas cu patru faze. Primul distribuitor, fig. 6a este realizat dintr-un numrtor modulo 4 activat de un generator de impulsuri cu perioada T=tM 4, unde tM este timpul de explorare al tuturor fazelor motorului.

Fig. 5Prin decodificare se obine n fiecare stare a numrtorului un singur impuls, la fiecare perioad a generatorului, deci controlul realizat corespunde unei comenzi simetrice simple, in fig. 6b este utilizat acelai numrtor, dar logica de decodificare asigur semnalele urmtoare:

A=Q1

B=Q0Q1+Q0Q1C=Q1D=Q0Q1+Q0Q1

Fig. 6

3.3. Blocul contactoarelor staticeBlocul contactoarelor statice (driver) realizeaz comutarea fazelor motorului pas cu pas la tensiunea de alimentare n conformitate cu logica stabilit de distribuitorul de impulsuri. Rezult deci c blocul contactoarelor statice trebuie s corespund unor problemele ce deriv din regimurile speciale la care opereaz un motor pas cu pas.

Schema unui amplificator comutator de tip Darlington cuplat pe una din nfurrile unui motor pas cu pas este dat n fig. 7.

Fig. 7

3.4. Comanda in bucla deschisa si in bucla inchisa

Fig. 8

Comanda pailor MPP poate realiza n mai multe moduri: - Comand n secven simpl in care este alimentata cate o singura faza statorica AA, BB respectiv CC;- Comand n secven dubl in care sunt alimentate simultan cate 2 faze: AA+BB; BB+CC respectiv CC+AA. - Comand n secven mixt presupune alimentarea, succesiv a unei faze, AA, urmat de alimentare a 2 faze, AA+BB, apoi a unei faze, BB, urmat de alte 2 faze, BB+CC etc. - Comand prin micropire este o metod special de control al poziiei MPP n poziii intermediare celor obinute prin primele trei metode. De exemplu, pot fi realizate poziionri la 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 din pasul motorului, prin utilizarea unor cureni de comand a fazelor cu valori diferite de cea nominal, astfel nct suma curenilor de comand prin cele dou faze alturate, comandate simultan s fie constant, egal cu valoarea nominal. Cu ajutorul acestei metode sunt asigurate att poziionri fine, ct si operri line, fr ocuri, ns cuplul dezvoltat este mai mic dect n primele trei cazuri. Presupune un sistem de comand mult mai complex, cu convertoare numeric-analogice, pentru a obine profilele de cureni n trepte. Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al meninerii/inversrii sensului, sunt dou moduri de comand distincte:- Comand unipolar, cu meninerea sensului curentului;- Comand bipolar, cu alternarea sensului curentului. La modul general un controler ("controller" - un termen de origine anglo-saxon, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structur electronic destinat controlului unui proces sau, mai general, unei interaciuni caracteristice cu mediul exterior, fr s fie necesar intervenia operatorului uman. Primele controlere au fost realizate n tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete i/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numeric modern au fost realizate iniial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI i MSI) i a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "strluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe msur i, nu de puine ori, o fiabilitate care lsa de dorit.

Apariia i utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducerea consistent a costurilor, dimensiunilor, consumului i o mbuntire a fiabilitii. Exist i la ora actual o serie de astfel de controlere de calitate, realizate n jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.Toate aplicaiile n care se utilizeaz microcontrolere fac parte din categoria aa ziselor sisteme ncapsulate-integrate (embedded systems), la care existena unui sistem de calcul incorporat este (aproape) transparent pentru utilizator. Pentru c utilizarea lor este de foarte multe ori sinonim cu ideea de control, microcontrolerele sunt utilizate masiv n robotic i mecatronic. Lucrarea prezinta un sistem de actionare electrica a unui motor de curent continuu, conversia impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului ntr-o micare 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.

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., Szab L., "Hybrid linear stepper motors", Ed. Mediamira, Cluj- Napoca, 1998. Simion A, Maini electrice speciale pentru automatizri Editura Universitas Chiinu (Republica Moldova) 199319

_1368896082.unknown

_1368896083.unknown

_1368896081.unknown