capitol5.doc

5. SISTEME DE ACIONARE5.1 Noiuni; forme de energie; clasificarePentru dezvoltarea forelor i momentelor i realizarea micrilor n sistemele mecatronice se utilizeaz sisteme de acionare de cele mai diferite tipuri i forme de energie. Pentru cuprinderea tuturor acestor dispozitive tehnice ntr-o singur noiune, se utilizeaz, n literatura strin, termenul de actor (de la verbul englez to act = a aciona), care include toate elementele de ieire, destinate producerii de fore i micri. n figura 5.1 sunt sintetizate principalele forme de energie i de efecte pentru realizarea unor aciuni mecanice [ISE99], iar tabelul 5.1 cuprinde o detaliere a diferiilor actori, care utilizeaz o anumit form de energie [ROD03].

Fig.5.1 Forme de energie i efecte pentru realizarea unor aciuni mecanice [ISE99] Actorul include dou componente de baz, una care furnizeaz energia necesar, n

baza semnelelor primite de la sistemul numeric de comand, cea de-a doua care transform energia primit n energie mecanic, utilizat pentru dezvoltarea de

fore/momente i/sau efectuarea micrilor. n cazul utilizrii energiei electrice, prima component poate fi implementat, de la caz la caz, cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica i circuitele de reacie adecvate, dup cum, n cazul utilizrii energiei hidraulice sau pneumatice, distribuirea acesteia se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

n msura n care cele dou componente sunt distincte, cea de-a doua este ncadrat, n cele mai multe cazuri n noiunea de motor. Vorbim despre:

motoare electrice, rotative (motorul pas cu pas, motorul de curent continuu,

motorul sincron, motorul asincron) sau liniare (motorul pas cu pas liniar, motorul asincron liniar);

motoare fluidice (hidraulice sau pneumatice) liniare (cilindrii hidraulici/pneumatici) sau rotative (cu palete, cu pistoane axiale, cu pistoane

radiale).

Este, n special, cazul sistemelor de acionare clasice.

Tabel 5.1 Principii de transformare a energiei i actorii semnificativiEnergie electricCmpuri electrice i

magnetice externeElectromotor

Electromagnet

Fore moleculareInterneActori feroelectrici

Actori piezoelectrici

EnergiefluidicFore de presiune realizatepneumaticSisteme cu presiuni mai mari

dect presiunea atmosferic

Sisteme cu presiuni mai mici

dect presiunea atmosferic

Fore de presiune realizatehidraulicMotoare hidraulice

Energie termicDilatare termicBimetal termic

Actor bazat pe dilatarea termic

Efectul de memorie aformeiAliaje cu memorie uni-sens

Aliaje cu memorie dublu-sens

EnergiechimicPresiune din electrolizAcionri electrochimice

Presiune din explozieAcionri pirotehnice

Sistemele de acionare noi, ncadrate i n noiunea de acionri neconvenionale, i bazaz funcionarea pe fenomene interne din reeaua molecular sau cristalin a unor materiale speciale (tab.5.1), n cazul crora noiunea de motor nu mai poate fi utilizat. Literatura anglo-saxon utilizeaz pentru aceste sisteme de acionare, n mod predilect termenul de actuator, care provine tot de la verbul to act = a aciona, i este utilizat, frecvent, i n literatura n limba romn.

Prezentul capitol nu i propune s trateze n detaliu toate tipurile de actori, ci doar s

prezinte:

problemele complexe pe care ridic utilizarea a dou tipuri de actori ncadrai n categoria electromotoarelor: motorul pas cu pas i servomotorul de curentcontinuu, care intr n componena unui mare numr de sisteme mecatronice;

principiile de funcionare, soluiile constructive i sistemele de comand pentru dou tipuri de actori neconvenionali, pentru care se va utiliza noiunea deactuator: actuatorii piezoelectrici i actuatorii cu memorie a formei.

5.2 Consideraii privind motoarele pas cu pas (MPP)5.2.1 Prezentarea motoarelor pas cu pasMotorul 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.

Utilizarea MPP confer urmtoarele avantaje:

asigur univocitatea conversiei numr de impulsuri deplasare i pot fi utilizate n circuit deschis;

gam larg a frecvenelor de comand;

precizie de poziionare i rezoluie mari;

permit porniri, opriri, reversri fr pierderi de pai;

memoreaz poziia;

sunt compatibile cu comanda numeric.

Principalele dezavantaje ale utilizrii MPP sunt:

unghi de pas, deci increment de rotaie, de valoare fix pentru un motor dat;

vitez de rotaie relativ sczut;

putere dezvoltat la arbore de valoare redus;

randament energetic sczut;

Funcionarea unui MPP nu poate fi privit dect n contextul ntregului ansamblu motor-sarcin (sistem mecanic), i, n acest sens, n cadrul capitolului 3, au fost rezolvate toate aspectele legate de cinematica i dinamica acionrii: reducerea maselor/momentelor de inerie i a forelor/momentelor la axul MPP, stabilirea profilelor de vitez i a vitezelor/aceleraiilor necesare deplasrii sarcinii ntr-un timp impus, n funcie de tipul mecanismului de acionare utilizat (cu transmitere tangenial a micrii fig.5.2, a), cu mecanism urub (cu bile) piuli (fig.5.2, b), cu reductor (fig.5.3,c) etc.

a) b)

c)Fig. 5.2 Realizarea de micri cu MPP a) de translaie cu mecanisme cu transmitere tangenial a micrii (pinion-curea dinat; pinion-cremalier); b) de translaie cu urub-piuli; c) de rotaie (construcie cu reductor intern)

Tipul sarcinii i al mecanismului de acionare sunt eseniale pentru alegerea MPP, prin:

Impunerea unei anumite rezoluii a sistemului mecanic;

Reducerea maselor/momentelor de inerie la axul MPP;

Reducerea forelor/momentelor la axul motorului;

Impunerea unui profil de vitez pentru realizarea micrilor;

ncadrarea raportului moment de inerie reflectat/moment de inerie al MPP n

limite adecvate.

5.2.2 Constructia si functionarea motoarelor pas cu pasMPP 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.

MPP cu reluctan variabil (figura 5.3) are att statorul ct si rotorul prevzute cu dini uniform distribuii, pe cei ai statorului fiind montate nfurrile de comand. Rotorul este pasiv. La alimentarera unei/unor faze statorice, el se rotete de aa manier, nct liniile de cmp magnetic s se nchid dup un traseu de reluctan minim, adic dinii rotorici s se gseasc, fie fa n fa cu cei statorici (fig.5.3, I i II), fie plasai dup bisectoarea unghiului polilor statorici (fig. 5.3, III). Acest tip de motor asigur pai unghiulari mici i medii i poate opera la frecvene de comand mari, ns nu memoreaz poziia (nu asigur cuplu electromagnetic n lipsa curentului prin fazele statorului respectiv, nu are cuplu de meninere).

I

II III SensA direct A AC

N B S

S

C

S B N

N

C

N B S

SN NB S C

S SB N C

N NB S CA A AFig. 1Fig.5.3 Schema de principiu a unui MPP cu reluctan variabilFigura 5.3 permite deducerea unor concluzii deosebit de importante, legate de modurile de comand a MPP. Astfel, n poziiile I i II este alimentat cte o singur faz statoric, AA, respectiv BB. Rotorul se va deplasa n pai ntregi:

p = 360/(f z) = 360/(3 2) = 600, (5.1)

unde, f reprezint numrul de faze ale statorului (f=3 AA, BB, CC), iar z, numrul de dini ai rotorului (z = 2 un nord i un sud). Acest mod de comand poartdenumirea de comand n secven simpl. Tabelul 5.2 prezint succesiunea de impulsuri de comand a nfurrilor statorului:

Tabel 5.2 - Comand n secven simplAABBCC

100

010

001

100

Poziia III prezint posibilitatea de comand a micrii rotorului prin alimentarea simultan a cte 2 faze: AA+BB; BB+CC; CC+AA. Rotorul se va poziiona n pai ntregi (formula 5.1), la jumtatea unghiului dintre polii statorici. Crete momentul dezvoltat de motor. Acest mod de comand se numete n secven dubl.

Tabel 5.3 Comand n secven dublAABBCC

110

01

101

110

O ultim posibilitate de comand 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. Rotorul se va poziiona, iniial, n dreptul polilor statorici AA, apoi dup diagonala polilor AA+BB, pe urm, n drepul polilor BB etc., deplasndu-se n jumti de pas, cu unghiuri de 30 . Este comanda n secven mixt, sintetizat n tabelul 5.4.

Tabel 5.4 Comand n secven mixtAABBCC

100

110

010

011

001

101

100

Pentru fiecare dintre cele 3 tabele, 5.2, 5.3 i 5.4, aplicarea secvenelor de impulsuri, ncepnd cu prima linie spre ultima, va determina deplasarea rotorului n sens orar (clockwise =CW), dup cum sunt concepute i poziiile din figura 5.3. Dac secvenele de impulsuri se aplic ncepnd cu configuraia din ultima linie a tabelelor spre prima linie, deplasarea rotorului se va efectua n sens invers acelor de ceas (counter- clockwise =CCW).

O alt concluzie important, care se poate desprinde din principiul de funcionare a MPP cu reluctan variabil, este aceea c nu trebuie schimbat sensul n nfurrile statorului, pentru ca rotorul s se deplaseze ntr-un anumit sens. Acest tip de comand, n care sensul curentului printr-o nfurare se menine neschimbat, se numete comand unipolar.

MPP cu magnet permanent are dinii rotorului constituii din magnei permaneni, cu polii dispui radial (n figura 5.3, poziia I, se va imagina un pol rotoric S n dreptul polului N al statorului i un pol rotoric N n dreptul polului S generat de nfurarea AA). Cnd se alimenteaz fazele statorului se genereaz cmpuri magnetice, care interactioneaz cu fluxurile magneilor permaneni, dnd natere unor cupluri de fore, care deplaseaz rotorul. Aspectele legate de comanda n secvene, simpl, dubl i mixt, sunt similare cu cele de la MPP cu reluctan variabil. n schimb, n msura n care rotorul execut un numr de pai i polul sud al rotorului se apropie de polul A al statorului, curentul prin nfurarea AA trebuie s-i schimbe sensul, pentru a-i opune acestuia un pol nord i a menine sensul cuplului de fore. Alimentarea fazelor se face cu impulsuri de polaritate alternat, lucru care complic structura dispozitivului de comand, numit comand bipolar.

Acest tip de motor asigur momente motoare mai mari i un cuplu de meninere a rotorului, chiar n lipsa alimentrii fazelor Paii unghiulari obinui sunt mari (ntre 45 si 120 ), ntruct numrul de magnei permaneni, care pot fi dispui de-a lungul circumferinei rotorului este mult mai mic dect numrul de dini accesibil pentru rotorul uni MPP cu reluctan variabil.

O soluie care elimin dezavantajul unui unghi de pas mic este cea a unui MPP cu rotor disc, realizat de firma Portescape din Elveia, a crui schem de principiu este prezentat n figura 5.4. Esta constituit din dou armturi statorice, decalate spaial cu

din pasul polar, i un rotor n form de disc, pe a crui circumferin sunt dispuse 50 de perechi de magnei permaneni, fiecare cu o alternan nord-sud. Distana dintr douperechi reprezint un pas polar. nfurrile statorului primesc, alternativ, cte o pereche de impulsuri, cu schimbarea sensului curentului (comand bipolar), care asigur deplasarea rotorului cu un pas polar. Numrul de impulsuri pe revoluie va fi, n consecin, de 200, iar unghiul de pas este de 1,8.

MPP hibrid este o combinaie a primelor dou tipuri, mbinnd avantajele ambelor i fiind varianta de MPP utilizat n marea majoritate a aplicaiilor.

n cazul unui MPP hibrid, rotorul este constituit dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal, la ale crui extremiti sunt fixate dou coroane dinate din material feromagnetic (fig.5.5, a). Dinii unei coroane constituie polii nord, iar dinii celeilalte coroane, polii sud. Dinii celor dou coroane sunt decalai spaial, astfel nct, dac un dinte al unei coroane se gsete n dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealalt coroan s se afle la jumtatea unghiului dintre doi dini statorici.

Fig.5.4 Schema de principiu a unui MPP cu magnei permaneni i rotor disc

[Portescape]

Cele mai utilizate tipuri de MPP hibride sunt:

MPP hibrid cu dou faze

a) b) Fig.5.5 Motor pas cu pas hibrid cu 2 faze

MPP hibrid cu 2 faze, are 2 nfurri statorice, A i B (fig.5.5, a) i un rotor cu doucoroane dinate cu cte 50 de dini, decalai spaial, cei ai unei coroane fiind poli nord,

cei ai coroanei opuse fiind poli sud (fig.5.5, a). Sunt, deci, n total 100 de dini rotorici

i utiliznd formula (5.1) se obine unghiul de pas:

p = 1,8, pentru pai ntregi, respectiv: 0,9 - pentru jumti de pas. O rotaie complect a rotorului este realizat n:

N = 200 pai ( p = 1,8) sau N =400 pai ( p = 0,9).Din figura 5.5, b, se observ c nfurrile A i B sunt dispuse, fiecare, pe cte 4 poli statorici, care au dini, pentru a asigura un traseu optim pentru liniile de cmp magnetic. De asemenea, se observ c, pe fiecare pol o nfurare, A sau B, este mprit n dou jumti, care pot fi accesibile la ieire prin firul (priza) lor median, sau pot fi separate i accesibile, fiecare, la exterior cu cte 2 fire, situaie n care, practic, motorul are 4 faze. Acest mod de dispunere a nfurrilor nlesnete unui MPP cu 2 faze o comand unipolar, dac aceasta este preferat celei bipolare. Aceste probleme vor fi detaliate ntr-o seciune urmtoare.

MPP hibrid cu cinci faze

Fig.5.6 Seciune prin statorul unui MPP cu 5 faze [Berger-Lahr]

Are 10 poli statorici (fig.5.6), pe fiecare pereche (2 poli diametral opui), fiind dispus o nfurare de comand (faz). Rotorul are o construcie similar cu cea a MPP cu 2 faze, respectiv un magnet dispus longitudinal, pe care sunt amplasate, la cele dou capete, 2 coroane dinate, cu cte 50 de dini fiecare (fig.5.5, a). Prin decalajul spaial al dinilor celor dou coroane se obine un numr de 100 de dini rotorici, ca alternan de poli nord i sud. Unghiul de pas va fi:

p = 360/(5 100) = 0,72 - pentru pai ntregi, respectiv,

p = 0,36 - pentru jumti de pas, care prespun un numr, N, de 500, respectiv1.000 pai pentru o rotaie complect, de 360.

Un MPP hibrid cu 5 faze nu permite dect comanda bipolar, ntruct se impune schimbarea periodic a sensului curenilor prin nfurrile statorice, pentru a asigura meninerea cuplului motor.

5.2.3 Mrimi caracteristice ale motoarelor pas cu pasPrintre cele mai importante mrimi caracteristice, mecanice i electrice, ale MPP se definesc (vezi pentru unele dintre ele, figura 5.7):

1. Unghiul de pas (qp) este unghiul cu care se deplaseaz rotorul la aplicarea unui impuls de comand.

2. Frecvena maxim de start-stop n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand, la care motorul poate porni, opri sau reversa fr pierderi de pai (fAom - fig.5.7).

3. Frecvena limit de pornire reprezint frecvena maxim a impulsurilor de comand, cu care MPP poate porni, fr pierderi de pai, pentru un cuplu rezistent i un moment de inerie date (fAm fig 5.7).

4. Cuplul limit de pornire reprezint cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP

poate porni, la o frecven si un moment de inerie date, fr pierderi de pai (ML* fig 5.7).

5. Caracteristica limit de pornire definete domeniul cuplu-frecven de comandlimit, n care MPP poate poni fr pierderi de pai (curba Start-Stop pentru pornire n gol JL = 0, respectiv curba cu linie ntrerupt pentru pornire n sarcin JL0).

6. Frecvena maxim de mers n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand pe care o poate urmri motorul, fr pierderea sincronismului (fBom fig

5.7).

7. Frecvena limit de mers reprezint frecvena maxim cu care poate funciona un

MPP, pentru un cuplu rezistent si un moment de inerie date.

8. Cuplul limit de mers reprezint cuplul rezistent maxim, cu care poate fi ncrcat un MPP pentru un moment de inerie dat i o frecven de comand cunoscut.

9. Caracteristica de mers definete domeniul cuplu limit de mers-frecven limit de mers (curba Betriebsgrenzmoment MBm fig. 5.7), n care MPP poate funciona n sincronism, fr pierderi de pasi.

10. Viteza unghiular (w) poate fi calculat ca produs dintre unghiul de pas si frecvena de comand:

[rad / s] 2

2 fc N

p [rad]

fc [Hz]

(5.2)

11. Puterea la arbore este puterea util la arborele motorului, corespunztoare punctului de funcionare de pe caracteristica de mers, punct caracterizat de cuplul limit de mers i de frecvena maxim de mers.

12. Cuplul de meninere este egal cu cuplul rezistent maxim, care poate fi aplicat la arborele motorului cu fazele nealimentate, fr ca s provoace rotirea continu a rotorului.

Fig. 5.7 Curbe i mrimi caracteristice ale MPP [Berger-Lahr]

5.2.4 Metode de comand a motoarelor pas cu pas

Fig. 5.8 Comanda unui motor n bucl deschis (sus) i bucl nchis (schema de jos)

Marele avantaj al motoarelor pas cu pas const n faptul c pot fi comandate n bucl deschis (fig.5.8), fr a fi necesar o bucl de reglare a poziiei, care s compare, permanent, poziia programat cu cea curent, furnizat de un senzor de poziie. Aceast mod de comand impune, ns, funcionarea n sincronism a MPP, respectiv numrul de pai efectuai de motor trebuie s coincid, pe tot parcursul funcionrii, cu numrul de impulsuri de comand, transmise de unitatea de comand. Este motivul pentru care alegerea unui MPP, pentru o anumit aplicaie, trebuie fcut cu mult discernmnt, urmrind anumite etape [Oriental Motor]:

1. Determinarea componentelor mecanismului de antrenare. Presupune determinarea anumitor elemente ale proiectului, cum ar fi mecanismul,

dimensiunile preliminate, distana de deplasare, timpul de poziionare.

2. Determinarea rezoluiei impuse motorului. Rezoluia MPP este unghiul su de pas. Dac acesta antreneaz, direct, o mas de rotaie, rezoluia de deplasare a acesteia va fi:

R 360N

[ grade],

(5.3)

unde N este numrul de pai necesar pentru efectuarea unei rotaii complecte. Mrirea acestei rezoluii presupune utilizarea unui motor cu reductor (vezi fig.5.2, c):

R 360

[ grade],

(5.4)i Nn care, i, este raportul de transmitere, supraunitar, al reductorului.R [mm]

p [rad ]

rpin

[mm],

(5.5)unde cu rpin s-a notat raza pinionului mecanismului de acionare, iar pentru mecanismul cu urub-piuli (fig 5.2, b), rezoluia deplasrii piuliei este:

R [mm]

p [mm]

2p

qp [rad ]

p [mm],N

(5.6)

p fiind pasul urubului.

3. Se alege profilul de vitez impus micrii (de exemplu, trapezoidal, triunghiular, parabolic), pe baza cruia se calculeaz perioadele de accelerare/decelerare, frecvenele impulsurilor de comand la accelerare/decelerare i momentul necesar accelerrii.

4. Se calculeaz momentul care solicit motorul. Se calculeaz momentul de sarcin (ML), momentul de accelerare (Ma) i momentul necesar:

Mm = (ML + Ma) x coeficient de siguran Mm = (ML + Ma) x 2.

5. Se alege motorul adecvat din filele de catalog. Aspectul cel mai important, care trebuie avut n vedere, este ca Mm s se situeze sub caracteristica de mers (fig.5.7) pentru cea mai mare frecven de comand preconizat.

6. Se verific motorul selectat. Unul din criteriile importante se refer la armonizarea momentelor de inerie, verificat pe baza raportului:

Raport momente inertie

Moment de inertie total, raportat la axul MPP Moment de inertie al MPP

Jrr .JmAcest raport are valoari optime n zona lui 2, valori corespunztoare ntre 1 i 5 i valori admisibile ntre 1 i 10. Nencadrarea ntr-o valoare corespunztoare presupune refacerea unor pai ai alegerii MPP, de regul, ncepnd cu mecanismul de acionare.

Variante de comand a MPPComanda pailor MPP poate realiza n mai multe moduri. Astfel, se utilizeaz:

a. Comand n secven simpl (tabel 5.2); b. Comand n secven dubl (tabel 5.3); c. Comand n secven mixt (tabel 5.4);

d. Comand prin micropire. Aceasta 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, i nu va fi detaliat n aceast capitol.

Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al meninerii/inversrii sensului, sunt doumoduri de comand distincte:

1. Comand unipolar, cu meninerea sensului curentului;

2. Comand bipolar, cu alternarea sensului curentului.

MPP cu 2 faze pot fi comandate n ambele variante, bipolar i unipolar, ntruct cele dou nfurri ale lor au configuraia prezentat n figura 5.5, b. Important este numrul de fire accesibil la ieirea motorului, existnd motoare cu 4, 5, 6 i 8 fire ( fig.

5.9). Dintre aceste variante, MPP cu 4 fire poate fi comandat numai n varianta

bipolar, iar cel cu 5 fire numai n varainta unipolar. Cele cu 6 fire i cu 8 fire pot fi comandate n ambele variante, cu diferena c, n cazul motorului cu 8 fire, n varianta de comand biplolar, nfurrile pot fi legate i n paralel.

a) b) c) d)

e)Fig.5.9 Variante de MPP cu 2 faze: a) cu 8 fire, cu nfurri n paralel; b) cu 4/8 fire, cu nfurri n serie; c) cu 5 fire; d) cu 6 fire); e) cu 8 fire, cu indicarea culorii corespunztoare fiecrui fir, pentru identificare.

n cazul MPP cu 5 faze, fiecare faz este accesibil la ieire cu cte 2 fire, deci un total de 10 fire, fiecare cu o culoare diferit, iar singura variant de comand posibil este comanda bipolar. Din punct de vedere al secvenelor de comand, se utilizeaz numai secvene duble, cu alimentarea simultan a cte 4 faze i deplasarea n pai ntregi (0,72 ) i secvene mixte, cu alimentarea, succesiv, a cte 4, respectiv 5 faze, i deplasarea n jumti de pas (0,36 ) [Berger-Lahr].

5.2.5 Scheme de comand a MPPO schem obinuit de comand a motoarelor pas cu pas cu un sistem numeric este prezentat n figura 5.10.

Fig.5.10 Schem bloc pentru comanda a dou motoare pas cu pas

n aceast schem, sistemul numeric de comand furnizaz numai 2 semnale:

un semnal sub forma unui tren de impulsuri, de o anumit frecven, care determin frecvena de generare a impulsurilor de comand pentru MPP i, n consecin, viteza unghiular a MPP;

un semnal de binar (0/1) care stabilete ordinea n care sunt distribuite impulsurile

de comand la faze i, n consecin, sensul orar sau antiorar de deplasare a MPP. Rolul generrii secvenelor de comand pentru tranzistoarele de putere, care activeaz curenii prin fazele MPP, revine unui circuit special, numit distribuitor de impulsuri.

Exist i soluii n care un procesor numeric furnizeaz direct cele 4 semnale decomand, F1 F4, i elimin din schem distribuitorul de impulsuri.

5.2.5.1 Distribuitorul de impulsuriDistribuitoarele de impulsuri sunt blocuri, care preiau trenul de impulsuri de comandde o anumit frecven, mpreun cu comenzile de sens i furnizeaz la ieire trenuri

de impulsuri, decalate unele fa de altele cu unghiul pe = 2 /m (pasul electric).

Un distribuitor de impulsuri poate fi realizat ca un numrtor n inel, cu numrul

strilor egal cu numrul fazelor motorului comandat. Impulsul de intrare face ca

numrtorul s numere fie nainte, fie napoi, i n consecin s comande tensiunea de alimentare a fazelor, pentru a realiza micarea orar sau antiorar a rotorului MPP. Dac rotorul are ntotdeauna acelai sens de rotaie, numrtorul n inel este ireversibil, iar dac se cer ambele sensuri de rotaie, este nevoie de un numrtor reversibil. Dac se dorete ca distribuitorul de impulsuri s ofere i posibilitatea seleciei modului de comand: n secven simpl, dubl sau mixt, sinteza distribuitorului se complic, ntruct trebuie s includ i semnale binare i pori logice pentru selecia modului de comand. Indicaii privind sinteza distribuitoarelor de impulsuri, construite cu circuite basculante bistabile i pori logice, se regsesc n [KUO81], unde sunt prezentate i mai multe scheme logice.

Exist ns i alte soluii, care pot i trebuie s fie luate n considerare:

Multe firme produc o gam larg de circuite integate, construite special pentru comanda MPP cu 2 faze, avnd n vedere numrul extrem de mare de aplicaii n

care sunt utilizate MPP de acest tip. Se vor prezenta pe parcursul capitolului cteva exemple n acest sens.

Pentru MPP cu 5 faze sinteza unui distribuitor adecvat este extrem de dificil,ntruct acesta trebuie admite numai comanda bipolar, iar secvena mixtpresupune alimentarea, succesiv, a cte patru i cinci faze vezi fig.5.11.

Pentru comanda n pai ntregi sunt necesare 20 de secvene distincte, iar pentru comanda n pai ntregi, 10 secvene distincte. Distribuirea acestora poate fi rezolvatcu ajutorul unui circuit integrat special (PCA1318P), sau cu un grup de circuite constituit dintr-un numrtor i o memorie ROM, care furnizeaz la ieire secvenele de comand memorate, n ordinea i frecvena impuse de numrtor.

5.2.5.2 Blocul tranzistoarelor de putereSemnalele de la distribuitor trebuie amplificate pentru a transmite curenii absorbii

de motor, n vederea realizrii momentului (puterii) solicitat la axul MPP. n mod

uzual sunt utilizate etaje cu tranzistoare de putere.

Fig.5.11 Comanda bipolar, n punte (H) a nfurrilor unui MPP cu 5 faze

n cazul comenzii unpolare sunt necesare cte dou tranzistoare de putere pentru fiecare faz. n schemele cu comand bipolar se pot folosi dou surse de tensiune i cte 2 tranzisoare pentru comanda fiecrei faze, sau o singur surs de tensiune, dar cte 4 tranzistoare pentru fiecare faz, montate n H (n punte) vezi fig. 5.11 pentru comanda unui MPP cu 5 faze. Tranzistoarele se aleg pentru cele mai grele condiii de lucru ale MPP.

nfurarea unui MPP este o sarcin rezistiv inductiv, cu inductivitate constant sau periodic variabil cu unghiul de rotaie. Micarea rotorului genereaz o tensiune electromotoare, E, avnd sens invers fa de tensiunea de alimentare (fig.5.12). nfurrile reprezint sarcini inductive care sunt conectate i deconectate pe parcursul fiecrui impuls de comand aplicat i pentru care trebuie rezolvate n mod eficient dou probleme:

Creterea ct mai rapid a curentului la alimentarea fazei (frontul cresctor al impulsului) numit forare;

Protejarea tranzistoarelor de putere de supratensiunile inductive tranzitorii, care apar la ntreruperea curentului prin faz (frontul descrestor) numit supresare.

De asemenea, este necesar descreterea rapid a curentului, pentru a evita fenomene de frnare.

Fig.5.12 Schema echivalent a nfurrii unei faze

Pornind de la schema echivalent, se deduce expresia intensitii curentului prin faza motorului. Ecuaia diferenial corespunztoare are expresia:

U Rm

i(t )

Lm di(t )dt

Eb.

(5.7)

Observaii:1. Se consider circuitul magnetic al motorului n domeniul nesaturat, deci

inductivitatea, Lm, depinde doar de poziia rotorului, fiind independent de intensitatea curentului electric.

2. Se neglijeaz tensiunea electromotoare, Eb, indus de micarea rotorului.

Componenta de regim tranzitoriu a curentului este:i(t)

U Rm

te Tm .

(5.8)

unde Tm=Lm/Rm, este constanta de timp a fazei, iar U reprezint tensiunea continu de alimentare. Componenta de regim permanent a curentului este:

I=U/Rm,iar prin superpoziie se obine ecuaia variaiei curentului:i(t)

U (1Rm

t e Tm ).

(5.9)

care are forma unei parabole care tinde asimptotic ctre U/Rm (fig.5.13).

Frecvena maxim teoretic de rspuns a MPP, fr forare, se calculeazdeterminnd timpul de stabilire a curentului prin faz la 95% din valoarea nominal. Astfel, din urmtoarea relaie:

0,95 U Rm

U (1Rm

t e Tm ).se obine:

t=2.996Tm.5.2.6 Soluii pentru forarea curentului prin fazele MPPPrincipalele soluii pentru forare sunt:

- forarea prin rezisten serie;

- forarea prin rezisten i condensator;

- forarea prin tensiune;

- forarea tip chopper.

5.2.6.1Forarea prin rezisten serieEste cea mai simpl metod i const n conectarea unei rezistene, Rf, n serie cu nfurarea de faz a MPP. Astfel, constanta de timp se reduce de la Lm/Rm la

Lm/(Rm+Rf), dar tensiunea de alimentare crete de la U=RmI la valoarea

U1=(Rf+Rm)I, unde I este curentul nominal al fazei MPP.Datorit mririi rezistenei echivalente, crete puterea disipat pe rezistena total,ceea ce are ca efect un randament slab i limiteaz utilizarea acestei soluii la MPP de putere mic i aplicaii nepretenioase.

Pentru a mri frecvena maxim de n ori:

fmax = n fmax = n (Rm/(3Lm)) = (Rm + Rf) / (3Lm),trebuie nseriat o rezisten Rf = (n-1) Rm i o tensiune de alimentare a fazei de (n-1)ori mai mare.

5.2.6.2 Fortarea prin tensiune [KUO81]

O metod de comand mai eficient este aceea n care forarea pantei curentului se face prin folosirea unei tensiuni nalte pe durata cresterii curentului n nfurare, i apoi se comut la o tensiune mai sczut, corespunztoare curentului nominal (figura

5.13).

Iniial sunt n stare de conducie ambele tranzistoare: Q2 prin impulsul de comand cu perioada t =1/ f, furnizat de distribuitorul de impulsuri, iar Q1 printr-un impuls foarte scurt de la un monostabil, comandat fie prin reacie de curent cu ajutorul rezistenei de msurare Rd, fie direct prin impulsuri de comand, avnd durata reglat convenabil (n ultimul caz Rd poate lipsi). Rezistenele Rd si Rm sunt mici, deci curentul tinde s creasc la o valoare mare (U1 / (Rm Rd)), cu constanta de timp Tm1 = Lm / (Rm+Rd).

Fig.5.13 Forarea prin tensiune: a) Schem de principiu; b) Diagrame de timp

Cnd curentul ajunge la valoarea nominal U2 / (Rm Rd), Q1 este blocat iar alimentarea este comutat pe sursa de joas tensiune, prin deschiderea diodei D2. Tensiunea U2 menine curentul la valoarea nominal pn la blocarea lui Q2, dup care curentul scade exponenial prin Ds i Rs (care formeaz circuitul de supresare), cu constanta de timp Tm2 = Lm / (Rm+Rs).Pentru acest tip de forare se defineste factorul de forare, kf = U1/U2. Creterea curentului poate fi exprimat cu ajutorul relaiei:

i(t)

U 1 (1

t

e Tm1 ) .R m R dCnd curentul ajunge la valoarea nominal, are loc comutarea pe tensiunea U2: U 2

U1 (1

te Tm1 ) ,Se obine:

Rm Rd

Rm Rd 1 1 eK fK

tTm1 ,1i timpul de stabilire a curentului: t T

ln f

, care scade odat cu cresterea luiKf.

1 m1

fTehnica fortrii cu dou tensiuni este avantajoas din punct de vedere al frecvenei

maxime a impulsurilor de comand i al randamentului, dar implic dificulti deproiectare. Cnd este aplicat tensiunea nalt, dioda Ds trebuie s se blocheze imediat pentru a izola joasa tensiune. Diodele obinuite au timpi de revenire mari, chiar de ordinul milisecundelor. Se impune folosirea unor diode adecvate, cu timpi de revenire mici. De asemenea, sursa de joas tensiune trebuie proiectat astfel, nct s reziste unor cureni inveri. Cu ct frecvena impulsurilor de comand crete, cu att nalta tensiune este comutat pentru o perioad mai mare de timp.

5.2.6.3 Forarea tip chopper [KUO81]

Aceast metod de forare se bazeaz pe utilizarea unei singure tensiuni U1 de valoare mare si a unui grup de circuite, care asigur conectarea si deconectarea acesteia cu o frecven ridicat pe durata unui impuls de comand. n consecin, curentul va fi silit s oscileze n jurul valorii nominale (figura 5.14), limitnd suprasolicitarea termic a nfurrii.

Fig.5.14 Forarea prin choppare: a) Schem de principiu; b) Diagrame de timp

Tensiunea de alimentare, care n mod normal este de cteva ori mai mare dect valoarea nominal, determin o cretere rapid a curentului instantaneu, ca n cazul alimentrii cu dubl tensiune. In momentul n care curentul atinge valoarea nominal, circuitul trigger Schmitt comut, ca urmare a ncrcrii condensatorului C, de pe intrarea lui, i comand blocarea tranzistorului Q2, n timp ce Q1 rmne n continuare n conducie. Curentul scade, condensatorul C se descarc, iar cnd tensiunea la bornele lui coboar sub un anumit prag, triggerul comut i deschide din nou tranzistorul Q2. In acest fel faza este alimentat cu ntreruperi la tensiunea U1, astfel nct valoarea medie a curentului s se situeze la nivel constant, prestabilit prin senzorul de curent Rd.Frecvena de comutare a tranzistorului Q2 este ntre 1-30 kHz, depinznd deconstanta de timp a nfurrii fazei si de histerezisul circuitului RC de msurare.

Comanda triggerului se face prin R1, C si Rd. Dioda D are rolul de a grbi ncrcarea condensatorului C pe intervalul de conectare t2.Atenuarea supratensiunii la blocarea repetat a lui Q2 se face prin circuitul Rs, Ds, Rm, Lm. Dei tehnica de forare necesit o schem mai complicat, ea ofer posibilitatea reglrii curentului n faza MPP, i deci a cuplului dezvoltat. Este una din cele mai eficiente metode de alimentare cu curent constant, compensnd variaiile tensiunii de alimentare, ale creterii tensiunii electromotoare cu viteza i variaiile rezistenelor fazelor cu temperatura sau din motive constructive. Toate circuitele

integrate destinate comenzii MPP i pezentate n finalul acestui capitol utilizeazaceast metod de forare.

5.2.7 Soluii pentru supresareCnd o faz a motorului este deconectat, curentul prin faz nu scade instantaneu din cauza inductivitii nfurrii. Cnd urmtoarea faz a motorului este comutat, scderea curentului n faza deconectat anterior are un efect de frnare asupra motorului.

Se consider circuitul din figura 5.12, cu faza alimentat. Neglijnd cderea de tensiune pe tranzistor, valoarea staionar a curentului n nfsurare este U/Rm. Cnd T este deconectat, energia nmagazinat n nfurare va tinde s pstreze scurgerea curentului n acelasi sens. Pentru c impedana circuitului crete substanial (teoretic infinit) n timpul aciunii de deconectare, tensiunea pe tranzistor va creste proporional cu -Lmdi/dt. Mrimea tensiunii tranzitorii va depi valoarea limit Uce a oricrui tranzistor, determinndu-i strpungerea. Practic, nfurrile tipice ale MPP pot cauza, uor, supratensiuni tranzitorii inductive de 50-100 ori mai mari dect tensiunea aplicat motorului, fiind necesar supresarea acestora n gama valorilor sigure ale tensiunilor Uce.n consecin, etajele alimentrii de putere ale celor mai multe MPP trebuie sconin circuite de supresare pentru protecia tranzistoarelor de putere mpotriva tensiunilor inductive tranzitorii. Metodele uzuale de protectie sunt:

supresarea cu diod (folosit n mai multe scheme din acest capitol - fig.5.15

diode integrate n circuitul TEA3718; 5.18 diodele D1 D8 circuitul L6210);

supresarea cu diod si rezisten reduce constanta de timp a scderii curentului

(fig.5.13, a; 5.14, a);

supresarea cu diod Zener;

supresarea activ.

5.2.8 Circuite integrate destinate comenzii MPPNumrul foarte mare de produse i echipamente, care utilizeaz motoare pas cu pas, a impus proiectarea i realizarea unor circuite integrate specializate, care s includ o parte sau totalitatea funciilor, necesare comenzii MPP, detaliate n cadrul acestui capitol. n marea majoritate a cazurilor se tinde spre simplificarea rolului procesorului, nct acesta s genereze numai semnalul de tact (frecven), corespunztor numrului de pai/secund ai MPP i un semnal binar pentru selectarea sensului (orar CW sauanti-orar CCW) de rotaie a axului MPP. Cele mai adecvate sunt procesoarele care au ieiri PWM, ntruct simpla programare a acestor registrelor interne care comand aceste ieiri asigur semnalele de frecven dorite. Numrul de ieiri PWM ale unui procesor coincide cu numrul de MPP care pot fi comandate (de exemplu, 2 la microcontrollerul 80552, 6 la familia C166 a lui Siemens etc.)

Gama de circuite integrate, destinate comenzii MPP este extrem de ampl, iar aceste circuite, n funcie de complexitatea lor, pot asigura parial, sau integral toate

problemele pe care aceast comand le implic: distribuirea impulsurilor pe faze pentru diferite moduri de comand n secven simpl, dubl, mixt sau n micropire, n mod unipolar sau bipolar; comanda de putere (la curenii nominali) a fazelor; forarea; supresarea. Exist i circuite integrate care au capacitatea computaional de a comanda accelerarea, mersul uniform i decelerarea MPP, conform unor profile de vitez impuse, degrevnd astfel procesorul de aceste operaii.

5.2.8.1 CI care includ numai blocul de putere

Fig.5.15 Schema bloc a circuitului TEA3718 [SGS-THOMSON]

Un reprezentant al acestei categorii este circuitul TEA3718 [SGS-THOMSON], care poate asigura alimentarea unei singure faze la tensiuni ntr-o plaj larg (10 50 V) i cureni de 5 1500 mA. Comanda unui MPP cu 2 faze impune utilizarea a dou circuite TEA3718, n modul prezentat n figura 5.16. n aceast figur, n stnga acoladei se presupune un sistem numeric de comand (cu microprocesor, microcontroller etc.), care furnizeaz CI semnalele de comand IN0, IN1i PHASE.

Circuitul include patru tranzistoare de putere, protejate cu diode supresoare i

montate ntr-o punte n H, care asigur comanda bipolar a unei faze. Un grup de trei

comparatoare, selectate cu ajutorul semnalelor binare IN0 i IN1, permit forarea, prin choppare pentru trei nivele de cureni (mic, mediu, maxim). Ele compar un nivel derivat din tensiunea de referin printr-un divizor de frecven, cu tensiunea de la bornele unei rezistene, care are rolul unui senzor al curentului prin faz.

Fig. 5.16 Comanda fazelor unui MPP cu circuite TEA3718

Fig. 5.17 Configuraii de semnale pentru comanda a dou faze

ntruct circuitul nu are facilitatea de a asigura distribuirea unor impulsuri adecvate pe faze, pentru diferite moduri de comand, aceast funcie cade, n totalitate, n sarcina procesorului i, n consecin, a programatorului, care trebuie s asigure generarea unor impulsuri pe liniile IN0, IN1 i PHASE, avnd configuraiile prezentate n figura 5.17, pentru lucrul n pai ntregi sau jumti de pas.

5.2.8.2 CI pentru distribuirea impulsurilor pe fazeSarcina procesorului numeric i a programatorului este mult simplificat, n msuran care un circuit integrat are capacitatea de a genera intern semnale de comandpentru fazele MPP.

Un astfel de circuit este L297 [SGS-THOMSON], care are nevoie numai de trei semnale, cel de tact (frecven) - CLOCK, de selectarea a sensului de rotaie

CW / CCW

i de selectare a modului de lucru

HALF / FULL , pentru a genera patru

semnale (A, B, C, D), pentru comanda bipolar (2 faze) sau unipolar (4 faze) a unui

MPP bifazat (fig. 5.18).Semnalul

HALF / FULL permite selectarea modului de lucru: n pai ntregi (pentru

0 logic), n secven simpl (modul wave), sau secven dubl (modul normal), sau n jumti de pai (pentru 1 logic - modul half-step).

Fig. 5.18 Comanda unui MPP cu 2 faze cu tandemul de circuite L297 i L298

n modurile half-step i wave, circuitul L297 genereaz dou semnale de inhibare, INH1 i INH2, care conectate direct pe intrrile similare ale circuitului L298,

permit scderea rapid a curentului la ntreruperea alimentrii unei faze.

L297 asigur i forarea prin choppare, prin compararea tensiunilor achiziionate de la 2 senzori de curent (liniile SENSE1, SENSE2) cu o tensiune de referin. Intrarea de comand CONTROL stabilete dac chopper-ul va aciona pe liniile de comand a fazelor, A, B, C, D, sau pe liniile de inhibare, INH1 i INH2.

L297 trebuie conectat la circuite de putere, care s asigure curenii necesari alimentrii nfurrilor MPP : circuite integrate cu dubl punte n H, matrici cu patru tranzistoare Darlington, tranzistoare discrete de putere. n cele mai multe cazuri lucreaz n tandem cu un circuit L298, ntr-un montaj de tipul celui prezentat n figura

4. L298 poate asigura tensiuni de alimentare de pn la 46 V i cureni maximi totali

de 4 A.

5.2.8.3 CI cu funcii completeExist circuite integrate care includ toate funciile pe care le presupune comandaeficient a unui MPP: selectarea modului de lucru, distribuirea impulsurilor pe faze, cu

frecvena i pentru sensul de rotaie dorit, forarea, supresarea, protecia la suprasarcini etc.

Firma SGS-Thomson Microelectronics produce mai multe astfel de circuite: L6219, L6228, GS-D200/GS-D200S.

Fig.5.19 Schema bloc a circuitului L6219

Un circuit folosit pentru comanda unui MPP cu 2 faze este L6219, avnd schema bloc din figura 5.19. Lucreaz n domeniul de tensiuni 10 46 V i poate asigura cureni de pn la 750 mA prin nfurri. Forarea se realizeaz tot prin choppare, cu ajutorul cte unui grup de comparatoare pentru fiecare faz. n figura 5.20 este prezentat i o schem de conectare a acestui circuit.

Fig.5.20 Exemplu de conectare a unui motor cu 2 faze

n figura 5.21 este prezentat schema bloc a circuitului integrat GS-D200S, destinat, de asemenea, pentru comanda MPP cu 2 faze.

Fig.5.21 Schema bloc a circuitului GS-D200S

Este un circuit mai complex, care permite selectarea comenzii n pai ntregi i jumti de pas ( HALF / FULL ), selectarea sensului ( CW / CCW ), stabilirea

frecvenei impulsurilor de comand (STEPCLK), a valorii iniiale (ABCD = 0101) acontorului intern pentru comanda fazelor, poziionarea manual a motorului (ENABLE

=low) etc. Lucreaz n domeniul de tensiuni 10 46 V i poate asigura cureni nominali de 1A prin nfurri (0,5 2A). Forarea este asigurat tot prin choppare, iar valoarea curentului de referin poate fi modificat prin cuplarea unei rezistene adecvate ntre pinul I0 SET i GND 1 sau VSS.Acest circuit integrat recepioneaz de la procesorul numeric semnale similare cucircuitul L297, fiind capabil s genereze impulsurile de comand pe fazele MPP pentru

diferite moduri de lucru (n pai ntregi i jumti de pas). El include ns i logica de forare prin choppare, punile cu tranzistoare de putere i diodele supresoare pentru protejarea tranzistoarelor.

5.2.8.4 Circuite complexe pentru comanda MPPn cazul tuturor circuitelor prezentate n seciunile 5.2.8.1 5.2.8.3, sistemul numeric de comand trebuie s rezolve singur problemele legate de profilul de vitez dup care se realizeaz micarea MPP i de asigurare a poziiei i vitezei impuse. De asemenea, aceste circuite nu pot realiza comanda MPP n regim de micropire, cu avantajele pe care acesta le asigur n privina rezoluiei.

Proiectantului de sisteme de acionare cu MPP i stau la dispoziie circuite integrate mai complexe i, implicit, mai scumpe, dar care, n cazul anumitor aplicaii, pot asigura soluii de comand mai eficiente.

Se vor prezenta cteva caracteristici ale circuitului TMC428 [Trinamic], un circuit

integrat capabil s comande simultan pn la trei MPP i s rezolve singur toate problemele critice de timp real, implicate de aceast comand. n acest fel, chiar i un microcontroller mai puin complex, este capabil s realizeze iniializarea i comunicaia cu TMC428 i s specifice poziiile i vitezele.

Cu ajutorul numrtoarelor sale interne de poziie, circuitul poate realiza pn la 223 pai sau micropai, fr nici o intervenie a microcontrollerului. Rezoluia unui pas - care poate fi programat individual pentru fiecare motor variaz de la un pas ntreg ,

egal cu unghiul de pas al MPP utilizat (1 microstep este un pas ntreg), o jumtate de pas (2 microsteps pentru un pas ntreg), pn la 26 = 64 de micropai, n regim de micropire (64 microsteps pentru un pas ntreg).Comunicaia cu microcontrollerul i circuitele integrate de putere pentru comanda MPP (TMC236, TMC239, TMC246 etc.) se realizeaz prin intermediul unei interfee seriale de tip SPI). Pentru comunicaia serial cu microcontrollerul se utilizeaz mesaje cu o lungime fix de 32 bii, cu un protocol simplu.

TMC428 poate asigura patru moduri diferite de micare, care pot fi programate individual pentru fiecare din cele trei MPP i sunt denumite RAMPMODE, SOFTMODE, VELOCITYMODE i HOLDMODE. n RAMPMODE utilizatorul programeaz poziia, iar TMC428 calculeaz un profil trapezoidal al vitezei i comand, pe baza acestuia, realizarea poziiei impuse. SOFTMODE este asemntor cu RAMPMODE, dar descreterea vitezei se realizeaz dup un profil lin, exponenial. n VELOCITYMODE, utilizatorul impune viteza, iar circuitul comand MPP n

limitele de vitez i acceleraie fixate de programator. n HOLDMODE se pot realiza profile de vitez controlate n totalitate de utilizator.

5.3 Servomotoare de curent continuu5.3.1 Principiul de funcionare i variantele constructiveServomotoarele de curent continuu sunt utilizate n foarte multe aplicaii din domeniul mecanicii fine i mecatronicii (roboi industriali i de servicii, vehicole cu ghidare automat, periferice de calculator, automate de control i servire, automate bancare etc.), datorit unor caracteristici remarcabile:

Domeniu amplu al puterilor/momentelor dezvoltate;

Moment de inerie redus al prilor mobile i, n consecin, un raport mare putere/moment de inerie;

Posibilitatea reglrii n limite foarte largi a turaiei;

Greutate i volum mici;

Moment impulsional foarte mare, care ofer o protecie la suprasarcini de scurtdurat;

Faciliti favorabile de montare etc.

Fig.5.22 Principiul de funcionare a unui motor de curent continuu

Principiul de funcionare a unui motor de curent continuu poate fi neles cu ajutorul figurii 5.22. Asupra unui conductor parcurs de un curent electric, I, i aflat ntr-un cmp magnetic de inducie, B, se exercit o for, FL, al crei sens poate fi determinat cu regula minii drepte (vectorul B intr n palm, degetele sunt orientate de-a lungul lui I, iar degetul mare indic sensul forei). Mrimea acestei fore, pentru cazul n care B i I sunt perpendiculare, are expresia:

FL = I l B.Se consider, n continuare, un rotor de raz, r, pe care sunt dispuse mai multe cadre dreptunghiulare. Se constat c asupra jumtii din dreapta a conductorului, a crui normal la suprafa este perpendicular, la un moment dat, pe inducia B, se exercit o for, FL, ndreptat n jos. Apare un cuplu de fore, care tinde s roteasc rotorul n sensul acelor de ceasornic. Pentru ca momentul mecanic, care acioneaz asupra rotorului, s-i menin sensul, este necesar un comutator, care s determine

schimbarea ciclic a sensului curentului prin conductoarele motorului, pe msur ce acestea se deplaseaz n cmpul magnetic.

O schem electric echivalent a nfurrii unui motor de curent continuu este

prezentat n figura 5.23, n care s-au folosit urmtoarele notaii:

U tensiunea de alimentare;

U0 tensiunea contraelectromotoare; I curentul prin nfurare;

R rezistena nfurrii;

L inductana nfurrii.

Fig.5.23 Schema electric echivalentSe poate scrie urmtoarea ecuaie:U R I

L dIdt

U 0.

(5.10)Pe de alt parte, tensiunea contraelectromotoare, U0, este proporional cu viteza unghiular a rotorului, :

U0 = n l r B = cM B . (5.11) Din relaiile (5.11) i (5.12) se obine relaia pentru viteza unghiular:

U R I

L dIw dt .

(5.12)cM BConform ecuaiei (5.12), principalul parametru, care permite controlul vitezei unghiulare (turaiei) a motorului, este tensiunea de alimentare a nfurrii, U.

Pentru realizarea comutrii curenilor, n vederea meninerii sensului momentului

care asigur deplasarea rotorului, se utilizeaz dou soluii, diametral opuse: Comutaia mecanic;

Comutaia electronic.

O schem de principiu a unui servomotor de curent continuu cu comutaie mecaniceste prezentat n figura 5.24.

Fig.5.24 Motor de curent continuu cu comutaie mecanicStatorul cuprinde poli magnetici, realizai cu ajutorul magneilor permaneni, iar rotorul este bobinat i alimentat cu tensiune, prin intermediul unui sistem colector perii. Fiecare capt al unui conductor (fig.5.22) este scos la o lamel a colectorului, iar comutarea sensului curentului se realizeaz prin contactul cu una din cele dou perii, care i pstreaz polaritatea (de exemplu + pentru peria din stnga i - pentru peria din dreapta).

La un servomotor, periile sunt plasate n aa fel, nct vectorul curentului este meninut perpendicular pe direcia cmpului magnetic de excitaie, pentru oricare poziie a rotorului. Astfel, momentul motor rezultat va fi proporional cu curentul care

strbate nfurarea motorului, iar viteza unghiular a motorului va fi proporional cu tensiunea. Ecuaiile clasice care definesc un motor de c.c sunt:

Moment motor (Mm) = km IEg = Tensiune contra-electromotoare = ke ,

(5.13)

unde km este o constant a momentului, ke este o constant a tensiunii i este viteza unghiular a motorului.

Un dezavantaj important al acestui tip de motor const este determinat de limita de comutaie, la care apare o scnteiere puternic la perii, care reduce drastic durata de funcionare a motorului, paraziteaz semnalele radio i limiteaz nivelele tensiune/curent. ntruct soluia presupune rotaia nfurrilor alimentate cu curent i a colectorului aferent, efectele constau ntr-un moment de inerie mai mare i un regim termic mai nefavorabil, ntruct cldura, dezvoltat mai ales n rotor, are puine ci de disipare.

Soluiile mai recente au cutat s nlture aceste neajunsuri, prin schimbarea rolurilor statorului i rotorului, respectiv polii magnetici, realizai din magnei permaneni, sunt amplasai n rotor, iar nfurrile, alimentate cu tensiuni electrce, n stator. Aceste

motoare, cu comutaie electronic, se numesc i motoare fr perii (brushless DCmotors = BLDC).

Fig.5.25 Principiul de funcionare a unui motor de c.c. cu comutaie electronicPrincipiul de funcionare a unui astfel de motor poate fi neles cu ajutorul figurilor5.25, 5.26 i 5.27, iar n figura 5.28 este prezentat i blocul tranzistoarelor de putere

care comand alimentarea fazelor.

n figura 5.25 sunt redate cele 6 cadrane electrice, semnificative pentru un motor cu 3nfurri statorice, u-x, v-y, w-z, i 2 poli rotorici, defazate ntre ele cu 60 (360 / (3 faze x 2 poli)). n fiecare cadran se arat care trebuie s fie sensul curenilor, astfel nct s se menin un moment pentru deplasarea rotorului n sensul orar. Pentru o

comutare riguroas a curenilor prin nfurrile statorului, n sincronism cu poziia rotorului, este necesar un senzor, care s determine, n permanen aceast poziie.

n figura 5.26 este prezentat un astfel de senzor, constituit din trei traductoare (n

general, elemente Hall, prin dreptul crora se deplaseaz un obturator, solidar cu rotorul. S-a presupus c, dac obturatorul se gsete n dreptul unui traductor, ieirea acestuia este 1 logic, iar dac traductorul nu este influenat de obturator, ieirea lui este 0 logic. Senzorul genereaz astfel 6 combinaii binare distincte, pentru cele 6 cadrane (fig.5.25), iar sistemul de comand trebuie s asigure pentru fiecare combinaie, care corespunde unei anumite poziii a rotorului, configuraia de cureni prin nfurri, indicat n figura 5.27.

Fig.5.26 Construcia rotorului

Fig.5.27 Diagramele de timp ale semnalelor

Fig. 5.28 Disiparea cldurii la MCC cu i fr perii

Caracteristicile construciei fr perii se regsesc la o gam larg de motoare electrice: motorul sioncron de c.a.; motorul pas cu pas; motorul de c.a. cu inducie etc.; motorul de c.c. fr perii este definit, n mod convenional, ca un motor sincron cu magnei permaneni, pentru care tensiunea contra-electromotoare are o form trapezoidal.

Servomotorul fr perii, permite, datorit soluiei sale constructive, ca aproape toat cldura degajat s fie eliminat prin stator, pe calea cea mai scurt ctre mediul nconjurtor (fig.5.28). Transferul de cldur poate fi activat i prin ventilarea motorului. Eliminarea comutatorului mecanic i a nfurrii statorice determin i un moment de inerie mai redus i o vitez unghiular mai mare ale rotorului, precum i tensiuni de alimentare mai mari, comparativ cu motorul de c.c convenional

n figura 5.29 sunt prezentate dou seciuni, una printr-un motor de curent continuu cu comutaie mecanic, iar cealalt printr-un motor de curent continuu cu comutaie electronic, care permit o mai bun nelegere a construciei celor dou tipuri de motoare i a modului de amplasare a diferitelor elemente constructive.

O ultim problem care va fi prezentat n acest subcapitol, se refer la diferite variante constructive ale servomotoarelor de curent continuu:

Fig.5.29 Seciuni prin motor

a. Cu rotor cilindric sau cu ntrefier radial (fig.5.29);

b. Cu rotor disc sau cu ntrefier axial; n acest caz rotorul are forma unui disc, pe care sunt dispuse fie conductoarele rotorului (realizate prin tanare sau imprimare), pentru motoare cu comutaie mecanic, fie magneii permaneni, n

cazul motoarelor cu comutaie electronic. c. Cu rotor tip pahar.

Exist variante cu rotor cilindric sau rotor disc pentru ambele tipuri de motoare, cu i fr perii, fiecare cu avantajele sale, fr ca una din variante s prezinte un avantaj decisiv. Criteriul decisiv const n dimensiuni: cele cu rotor cilindric sunt mai suple, cu diametrul mic i lungime mai mare, cele cu rotor disc au un diametru mai mare i o lungime mai mic.

5.3.2 Controlul vitezei servomotoarelor de c.c.Schemele de comand a servomotoarelor de curent continuu sunt, n principiu, mult mai complexe dect cele pentru comanda MPP, ntruct nu mai pot fi utilizate scheme

de comand n bucl deschis, ci sunt necesare mai multe bucle de reglare, bazate pe reacii dup curent, vitez i poziie (fig.5.30).

Fig.5.30 Schem pentru comanda unui servomotor de curent continuu

Modul n care se realizeaz controlul vitezei unghiulare la un servomotor de c.c, poate fi neles pe baza caracteristicilor mecanice ale motorului = f(M), prezentate n figura 5.31, a. Aceste caracteristici sunt drepte uor descresctoare, care depind de tensiunea de alimentare, UA, a nfurrii motorului. Dac, de exemplu, tensiunea este egal cu tensiunea nominal, motorul va funciona la viteza unghiular (turaia) nominal, pentru tensiuni de alimentare mai mari vitezele unghiulare vor fi mai mari, iar pentru valori mai mici ale tensiunii ele vor scdea. Prin modificarea tensiunii de alimentare n limite foarte largi i vitezele unghiulare ale servomotoarelor de curent continuu pot fi variate ntr-o plaj ampl.

Variaia tensiunii de alimentare poate fi realizat cu amplificatoare liniare, cu variaia continu a tensiunii [KUO81], dar cvasi-totalitatea soluiilor utilizeaz amplificatoare comandate n impulsuri (Chopper) - fig.5.31, b. n aceast figur, CS, reprezint blocul comutatoarelor statice (tranzistoare de putere), comandat s nchid (pe parcursul timpului activ, ta) circuitul de alimentare a nfurrii, timp n care curentul crete exponenial (s-a reprezentat simplificat cu un segment de dreapt), dup care, pe parcursul intervalului tp (pauz), CS ntrerupe alimentarea nfurrii, iar curentul, care descrete exponenial (segmentul de dreapt cu pant descresctoare), se nchide prin dioda supresoare, DS. n acest fel, nfurarea motorului este alimentat cu tensiunea medie:

U t a Ut c

1 t cU U At c 0

dt; (0 1)

(5.14)

Pot fi luate n considerare dou metode de alimentare n impulsuri:Cu ta constant i tc variabilPulse Frequency Modulated Amplifier (PFM);

Cu tc constant i ta variabilPulse Width Modulated Amplifier (PWM)

fig.5.31,c; Este metoda cea mai des folosit, iar toate procesoarele numerice mai

performante au un numr de ieiri PWM, care pot fi programate pentru diferite frecvene i limi ale impulsurilor [DUM3b], [DUM3c].

Fig.5.31 Reglarea vitezei unghiulare a MCC: a) caracteristici mecanice; b) variator de tensiune (Chopper); c) comanda n lime a imulsurilor (PWM)

5.3.3 Circuite integrate pentru comanda servomotoarelor de curent continuu5.3.3.1 Circuite integrate pentru comanda motoarelor de c.c. cu periin cazul multor sisteme mecatronice, cum ar fi roboii mobili, echipamentele periferice ale calculatoarelor, autovehiculele etc. se utilizeaz servomotoare de curent continuu cu comutaie mecanic. Structura de baz a acestor servomotoare i a

amplificatoarelor de putere, care servesc la comanda lor, este unitar n ntreaga lume. Controlul bi-directional presupune utilizarea unor puni n H, care conin patru tranzistoare de putere, i sunt comandate cu semnale PWM, generate de un procesor numeric. Viteza motorului de curent continuu poate fi modificat prin schimbarea limii impulsurilor utilizate pentru comanda tranzistoarelor de putere.

Exist un numr foarte mare de circuite integrate, cu diferite nivele de complexitate i de la multe firme productoare, care includ puni de putere n H, cum ar fi:L293/L293D, LMD18200, LMD18201, LMD18245, L6227 etc.

Circuitele L293 i L293D, de exemplu, conin cte patru semipuni care suport cureni electrici mari. L293/L293D au fost proiectate pentru comutarea bi-direcional a unor cureni de pn la 1 A/600 mA, cu tensiuni cuprinse ntre 4,5 i 36 V. Ambele circuite sunt concepute pentru a comanda sarcini inductive, cum ar fi relee, electromagnei, motoare de curent continuu, MPP cu comand bipolar etc. Toate intrrile sunt compatibile TTL, iar semipunile sunt activate pe perechi, cu ajutorul semnalelor de validare 1,2 EN pentru semipunile 1 i 2 (fig.5.32), respectiv 3,4 EN pentru perechea 3 i 4. Dac intrrile de validare (enable) sunt n starea High (H) (1 logic), tranzistoarele din componena semipunilor respective conduc i ieirile sunt active i n faz cu intrrile. Cnd intrrile de validare (enable) sunt n starea Low (L) (0 logic) tranzistoarele de putere corespunztoare sunt blocate, iar ieirile semipunilor sunt n starea de nalt impedan. Pentru o configuraie adecvat a semnalelor de validare, fiecare perche de semipuni configureaz o punte H pentru comanda motorului (vezi fig.5.32 pentru perechile 1 i 2). Intrrile 1A i 2A determin sensul de rotaie a motorului: 1A L i 2A H sens orar; 1A H i 2A L sens antiorar. Trecerea ambelor intrri n strile low sau high are ca efect frnarea rapid a motorului.

Fig. 5.32 Controlul bi-directional al unui motor de c.c. cu L293

Muli roboi mobili consacrai i comercializai pe pia, utilizeaz aceste circuite integrate. n figura 5.33 este prezentat soluia hardware pentru comanda celor dou motoare ale robotului RUG WARRIOR [Rug Warrior]. Cele dou puni H ale circuitului L293D comut curenii n motoare, utiliznd liniile PA5 and PA6 ale portului A pentru comanda n lime a impulsurilor (PWM) i liniile PD4 and PD5 ale portului D direcia de rotaie. Microcontroller-ul utilizat pentru comand este MC68HC11, de 8 bii, al firmei Motorola Semiconductor. Un alt robot foarte cunoscut, KEPHERA [Kephera], folosete aceeai soluie, cu un controller 68HC11 care comand patru motoare de c.c, prin intermediul a dou circuite L293D.

Fig. 5.33 Circuitul L293D utilizat pentru comanda motoarelor robotului Rug Warrior

Motoarele de c.c de putere mai mare impun utilizarea unor circuite integrate mai puternice i mai sofisticate. Un exemplu este L6227, produs de firma SGS-Thomson Microelectronics, care conine dou puni complete DMOS. Circuitul este realizat n tehnologia MultiPower BCD, care combin tranzistoarele de putere DMOS cu circuite CMOS i bipolare, integrate n acelai chip.

Dispozitivul include dou circuite independente pentru reglarea, prin choppare a curenilor PWM. Controlul curenilor presupune msurarea acestora cu ajutorul unor senzori de curent, simple rezistoare externe, montate ntre tranzistoarele de putere inferioare i mas, a cror tensiune la borne este proporional cu curenii din motor. L6227 asigur o protecie nedispativ la supra-cureni n partea superioar a tranzistoarelor de putere MOSFET i o blocare a circuitului la supranclzire (thermal shut-down) (fig.5.34). Intrrile de control (EN, IN1, IN2) au roluri similare cu cele de la L293.

Fig. 5.34 Diagrama bloc a circuitului L6227

Multe dintre acionrile autovehiculelor utilizeaz servomotoare de c.c clasice, cu comutare mecanic. n capitolul 2 a fost prezentat sistemul de acionare a unei ui, care include patru motoare, pentru nchiderea/deschiderea ferestrei, reglarea oglinzii retrovizoare dup 2 coordonate (x-y) i blocarea uii n sistemul de nchidere centralizat. n figura 2.5 intervin mai multe circuite integrate, proiectate i realizate pentru comanda acestor motoare. Circuitele pentru autovehicule au anumite particulariti, legate de alimentarea de al sistemul baterie alternator&redresor i, implicit, de regimurile tranzitorii la care sunt supuse, i de integrarea, n unele dintre ele, a unor interfee, care permit conectarea la reelele de comunicaie din autovehicul (vezi capitolul 2). Se vor prezenta, succint, dou circuite a cror documentaie precizeaz c sunt destinate, n principal, pentru comanda motoarelor de c.c. n autovehicule.

Circuitul TD340 [SGS-THOMSON] conine o punte H, format din patru tranzistoare de putere MOSFET, pentru comanda unui motor de c.c. Suport, datorit tehnologiei sale speciale, fr o protecie special, regimurile tranzitorii caracteristice regimului de funcionare a unui autovehicul. Viteza i sensul de rotaie ale motorului sunt comandate prin intermediul semnalelor IN1 and IN2 (fig.5.35).

Tensiunea de alimentare a nfurrii motorului este controlat prin modularea limii

impulsurilor (PWM), aplicate tranzistoarelor de putere inferioare. Funciunea PWM poate fi realizat intern, atunci cnd pinul de intrare este conectat la un semnal analogic, sau poate fi dirijat direct de procesorul numeric, printr-un semnal digital.

Fig.5.35 Schem de conectare i diagram bloc pentru circuitul TD340

O logic ingenioas de rectificare sincron, care acioneaz asupra tranzistoarelor de putere superioare, reduce disiparea de cldur datorit supresrii. TD340 integreaz un regulator de tensiune de 5V, cu o ieire corespunztoare pentru alimentarea microcontroller-ului, un circuit de resetare i un circuit Watchdog. Logica intern de siguran dezactiveaz circuitul TD340 (MOS off) cnd sunt sesizate condiii de funcionare anormale: supratensiune (OVLO Over Voltage LockOut), subtensiune (UVLO Under Voltage LockOut) sau pierderea controlului de ctre procesorul numeric (watchdog).

Un alt circuit integrat destinat comenzii motoarelor de c.c din dotarea autovehiculelor este L9904 [SGS-THOMSON]. Circuitul a fost proiectat pentru a comanda patru tranzistoare MOS externe, n punte H, pentru acionri cu motoare de curent continuu n autovehicule. Include o interfa de comunicaie compatibil cu standardul ISO9141. O aplicaie tipic este prezentat n figura 5.36 Dispozitivul este controlat prin intermediul a trei intrri CMOS: EN, DIR i PWM. Este activat cnd intrarea EN (enable) este n starea HIGH. Cnd intrarea EN nu este conectat sau este n starea LOW, dispozitivul este inactiv (n modul standby). Intrrile DIR i PWM comand driver-ele tranzistoarelor externe de putere. Direcia motorului este selectat cu ajutorul intrrii DIR, iar regimul de ncrcare i frecvena cu intrarea PWM. DG reprezint o ieire de diagnosticare, care asigur o detectare, n timp real, a urmtoarelor erori, care au ca efect inactivarea circuitului: supranclzire, supratensiune, subtensiune, scurtcircuit. Aceast ieire open- drain, cu rezisten pull- up intern, este n starea LOW, dac se detecteaz una din erorile menionate.

Fig.5.36 Exemplu de utilizare a circuitului L9904

5.3.3.2 Circuite integrate pentru comanda servomotoarelor de c.c fr perii(BLDC)Comanda BLDC este mai complicat dect cea a servomotoarelor cu perii, ntruct

comutarea fazelor statorului trebuie s fie sincronizat cu poziia rotorului. Aceasta poate fi determinat cu ajutorul unui senzor intern, bazat pe traductoare Hall, care

genereaz secvene binare distincte pentru fiecare cadran electric semnificativ (vezi figurile 5.26 i 5.27), sau prin sesizarea trecerilor prin zero ale tensiunii contra- electromotoare n faza nealimentat.

Un motor de c.c cu comutaie electronic este caracterizat printr-un regim de funcionare cu dou faze active (two phases ON), lucru demonstrat n seciunea5.3.1, cu ajutorul figurii 5.25 Producerea momentului motor se bazeaz principiul alimentrii cu curent electric a dou din cele trei faze statorice, n fiecare moment, i

pe faptul c, la trecerile prin zero ale tensiunii contra-electromotoare nu se genereaz moment. Fig.5.37 prezint formele de und ale tensiunii contra-electromotoare ale servomotorului de c.c. fr perii n regimul cu 2 faze active. Sesizarea tensiunii contra- electromotoare presupune circuite mai complexe, cu convertoare analog-numerice i logic PWM. n acest capitol va fi prezentat, sumar, microcontroller-ul de 8bii, ST72141K [SGS-THOMSON], conceput pentru comanda motoarelor electrice,. Soluii adecvate sunt oferite de DSP-uri, cum ar fi TMS320C240 al lui Texas Instruments, un DSP optimizat pentru comanda numeric a motoarelor electrice.

Fig. 5.37 Forme de und ale tensiunii contra-electromotoare n regimul cu 2 faze active

Un circuit capabil s asigure comanda unui servomotor de c.c. fr perii, n baza informaiilor de la un senzor de poziie a rotorului, este L6229. Suport tensiuni de lucru ntre 8 i 52 V i un vrf de curent la ieire de 2,8 A (1,4 A c.c.). Dispozitivul include toate circuitele necesare pentru comanda unui motor de c.c. cu trei faze statorice: o punte DMOS trifazic; un controller de curent PWM; o logic de decodificare pentru traductoare Hall unipolare, care genereaz secvena de alimentare a fazelor, permind opiuni de decodificare pentru traductoare decalate spaial cu 60 sau 120 . Circuitul L6229 asigur i o protecie nedisipativ la supracureni, pe tranzistoarele MOSFET de putere superioare i o blocare a circuitului la supranclzire (thermal shutdown).

Conectorul TACHO reprezint o ieire open-drain de tip frecven-tensiune, furnizat de un circuit care integreaz impulsurile primite de la traductorul Hall 1 (pinul H1) i nlesnete algoritmului de comand utilizarea unei bucle de reacie dup vitez, fr a fi necesar un senzor de vitez suplimentar.

O schem simplificat a controllerului PWM este prezentat n fig.5.38. Circuitul de control al curentului urmrete nivelul curentului din puni, pe baz cderii de tensiune

la bornele unui rezistor extern senzorul de curent conectat ntre sursa celor 3 tranzistoare de putere MOS inferioare i mas. Cnd curentul prin motor crete, se mrete, proporional, i tensiunea la bornele senzorului de curent. Dac aceasta depete tensiunea de referin aplicat pe pinul de intrare VREF, ieirea comparatorului comut i declaneaz monostabilul care blocheaz puntea. Tranzistoarele de putere MOS rmn blocate pe parcursul perioadei de timp corespunztoare impulsului de la ieirea monostabilulului i curentul n motor se nchide prin jumtatea superioar a punii, n modul de scdere lent (Slow Decay Mode). Cnd monostabilul revine n starea iniial, se restabilete curentul prin punte. Pinii FWD/REV, BRAKE, EN, H1, H2 i H3 sunt compatibili TTL/CMOS i, accesibili, n consecin, unui procesor numeric. Comanda ieirilor punii de putere trifazice se realizeaz cu ajutorul unui circuit logic combinaional, n concordan cu semnalele recepionate de la cele 3 traductoare Hall, care detecteaz poziia rotorului. Aceast logic identific poziiile pentru traductoare decalate spaial cu 60, 120, 240 i

300 de grade electrice. Dintre cele opt combinaii binare posibile, pe care le pot furniza

cele 3 traductoare binare, cte ase combinaii sunt valide pentru fiecare variant de poziionare spaial a traductoarelor, iar fiecrei combinaii valide (H1, H2 , H3) i corespunde o configuraie a ieirilor (OUT1, OUT2, OUT3).

Fig. 5.38 Schema simplificat a controllerului de curent PWM

Realizarea unui servomotor de c.c. fr perii, care s nu impun utilizarea unui senzor de poziie, presupune detectarea i analiza tensiunii contra-electromotoare. Pentru motoare cu forme de und trapezoidale (fig.5.39), metoda cea mai des folosit const n msurarea direct a tensiunii contra-electromotoare analogice. Motorul funcioneaz cu cte dou faze alimentate simultan, cu perioade de comutaie de 60 , i detectarea momentelor de comutaie se realizeaz prin msurarea tensiunii contra-electromotoare n faza nealimentat. n particular, trecerile prin zero ale tensiunii contra- electromotoare dau indicaii precise despre poziia rotorului i pot fi utilizate, n acelai mod ca i semnalele de la traductoarele Hall, pentru a realiza comutarea tranzistoarelor de putere ale punii (fig.5.39).

Fig. 5.39 Msurarea direct a tensiunii contra-electromotoare

Au fost proiectate i realizate multe circuite integrate inteligente, capabile s asigure comanda fr senzori de poziie a servomotoarelor de c.c. cu comutaie electronic. n acest capitol va fi prezentat, sumar, circuitul ST72141K, un microcontroller de 8 bii, care include funcia de comand a unui motor de c.c. fr perii, un convertor analog- numeric, timere de 16 bii i o interfa SPI. Aparine familiei de microcontrollere ST7 [SGS-THOMSON], capabile s identifice trecerile prin zero ale tensiunii contra- electromotoare, cu ajutorul unui patent al firmei, care utilizeaz un grup de rezistene.

Blocul de comand a motorului, integrat n circuitele din familia ST7, poate fi rezumat la un generator de semnale PWM, multiplexate pe ase canale, i un detector al trecerilor prin zero ale tensiunii contra-electromotoare, pentru comanda fr senzor de poziie a unui motor de c.c fr perii, i permite diferite regimuri de funcionare:

Controlul secvenelor de comutaie, cu reglarea tensiunii i limitarea curentului; Controlul secvenelor de comutaie, cu reglarea curentului din nfurri, i deci, cu controlul direct al momentului motor;

Controlul comutaiei fazelor motorului, cu sau fr senzori de poziie;

Detectarea, cu nalt precizie, a trecerilor prin zero ale tensiunilor contra- electromotoare. Comparatorul integrat pentru tensiunea fazelor recepioneaz direct, fr atenuare, ntreaga tensiune contra-electromotoare. Pot fi detectate nivele de pn la 200 mV, cu o nalt imunitate la zgomote i comutarea automat ntr-o gam larg de viteze;

Detectarea n timp real a demagnetizrii nfurrii motorului, pentru reglarea fin aintervalului de timp pn la nceperea monitorizrii tensiunii contra- electromotoare;

ntrzieri automate sau programabile ntre trecerile prin zero ale tensiunii contra- electromotoare i comutarea fazelor motorului.

Cteva dintre principalele caracteristici ale blocului de comand a motorului sunt: Dou comparatoare analogice, unul pentru detectarea trecerilor prin zero ale tensiunii contra-electromotoare, cu hysteresis de 100 mV, altul pentru reglarea i limitarea curentului;

Posibilitatea selectrii unuia dintre patru tensiuni de referin pentru comparatorul de hysteresis: 0.2 V, 0.6 V, 1.2 V, 2.5 V;

Timer de 8 bii, cu dou registre de comparare i dou registre de captur; Registru de prescalare auto-calibratat cu 16 pai de divizare;

Multiplicator de 8 x 8 bii; Multiplexor pentru intrrile fazelor; Management sofisticat al ieirilor:

- Cele ase canale de ieire pot fi mprite n dou grupe (impar & par);

-

Semnalele PWM pot fi multiplexate n grupe de semnale impare, pare sau combinate, alternativ sau simultan;

- Polaritatea canalelor de ieire poate fi programat, canal cu canal;

- Un bit gestionat prin software foreaz ieirile n starea de nalt impedan(HiZ);

- Un pin de intrare emergency stop foreaz, asincron, ieirile n HiZ.

5.3.4 Profiluri de vitez i rapoarte de transmitere optime, n cazul acionrilor cu motoare de c.c5.3.4.1 Optimizarea profilurilor de vitezAcionrile cu motoare de c.c., formate din motor, mecanism de acionare i sarcin(fig.3.11), vor constitui suportul pentru demonstrarea modului n care pot fi deduse, cu

uurin, anumite concluzii legate de un profil de vitez mai favorabil sau de un raport de transmitere/parmetru al mecanismului de acionare, care este optim, dintr-un anumit punct de vedere.

Cele dou ecuaii de la care pornesc deduciile, caracterizeaz, pe de o parte un motorde c.c., pentru care momentul motor este proporional cu curentul electric absorbit de nfurare (5.13), iar, pe de alt parte exprim cantitatea de cldur disipat n nfurare prin efect Joule-Lenz:

M m (t ) k m

I (t ).

(5.15)

t cQ R f0

I 2 (t )

dt.

(5.16)

n ecuaia (5.16) s-a notat cu Rf rezistena nfurrii i s-a luat n considerare cldura disipat pe parcursul timpului tc, corespunztor unui ciclu de acionare. nlocuind I(t) din (5.15) n (5.16) se obine:

t cQ R f

( M m

(t)) 2 dt

t c2 M m

(t )

dt,

(5.17)0 k m

k m 0

i considernd c momentul motor este utilizat pentru accelerarea maselor ineriale (concentrate n momentul de inerie redus, Jr) i nvingerea forelor i momentelor rezistente, reduse la axul motorului sub forma momentului rezistent redus, Mr:

M m (t )

J r e m (t )

M r ,

(5.18)

se obine, n final:t c2 ( J r

m (t)

M r ) dt

t c2 ( J r

2 (t) dtk m2R f2

0t c( J r

m (t ) dt

R f 22 M r

k m 0t c .

(5.19)

k m 0 k mDiagramele acceleraiilor unghiulare pentru toate profilele de vitez: triunghiular, trapezoidal i parabolic, studiate n capitolul 3, au cte o zon pozitiv i una negativ, perfect simetrice (fig.3.17 a i b, 3.18, a), astfel nct al doilea termen din dreapta

relaiei (5.19) va fi zero, deoarece integrala corespunde cu suprafaa de sub curba acceleraiei unghiulare. Cele trei profile pot fi apreciate pe baza primului termen din dreapta relaiei.

n cazul profilului triunghiular, acceleraia dedus n capitolul 3, are expresia

(relaiile 3.37):e (t )

4q m ,tri 2ccare nlocuit n (5.19) conduce la:R t c 4q R

R 16 J 2q 2Qtri

f

2m

( J r0

( m ) 2 dtc

f 2

2 r c m

f

2m

r m 23 r cc(5.20)Pentru profilul trapezoidal acceleraia pentru cele dou paliere de accelerare i decelerare, fiecare cu durata tc/3, are valoarea (vezi relaiile 3.38):

9qe (t )

m ,iar cldura disipat va fi:

tra

2t cR 2t c / 3 9q R

R 27 J 2q 2Q f

( J 2

( m ) 2 dt

f M 2 t

f

( r m

M 2 t ).tri 2 rm 0

2t c

2 r c 2m m

2t c

r c(5.21)n sfrit, n cazul profilului parabolic acceleraia este o funcie liniar de timp

(relaiile 3.43):e (t )

6q m 2t

6q m ,par 3 2c ccare nlocuit n ecuaia (5.19) conduce la:R t c

6q 6q R

R 12 J 2q 2Qtri

f

2m

( J r0

( m 2tc

m 2 dtc

f 2

2 r c m

f

2m

r m 23 r cc(5.22)Relaiile (5.20), (5.21) i (5.22) pot fi concentrate ntr-o singur expresie:2 2 R f

2m

(12h

J r q m

3c

r tc ),

(5.23)

n care poate fi interpretat ca un randament al disiprii de cldur i are valorile:

= 1 pentru profilul parabolic;

= 12/13,5 = 0,89 pentru profilul trapezoidal;

= 12/16 = 0,75 pentru profilul triunghiular.

Profilul parabolic este cel mai favorabil, dar dificil de comandat, n schimb profilul trapezoidal este mult mai avantajos, din punctul de vedere studiat, dect cel

triunghiular.

5.3.4.2 Optimizarea parametrilor mecanismelor de acionareMecanism cu reductor (fig.3.15)Valorile optime ale parametrilor mecanismelor de acionare, care se interpun ntre motor i sarcin, pot fi deduse, din punct de vedere al unei energii termice minime, disipate n nfurarea motorului, prin particularizarea formulei (5.23) pentru un

anumit tip de mecanism. Astfel, pentru mecanismele cu reductor mecanic se pot scrie relaiile (vezi capitolul 3):

J r J m

J L ; qi 2 m

i q L ; M r

M L ,i

(5.24)

n care cu indicele L (Load = sarcin) s-au notat momentul de inerie, viteza unghiular i momentul rezistent la axul sarcinii, iar cu indicele m (motor), momentul de inerie i viteza unghiular ale motorului.

nlocuind relaiile (5.24) n (5.23) se obine:( J J L )2

i 2 q 2 R f

(12

i 2 1

2 ).mQk 2 h 3

L2 M L tci

(5.25)

Se va considera c sistemul nu este solicitat de un moment rezistent (ML = 0) i se va cuta un minim al funciei (5.25), n funcie de i, respectiv o rdcin a primei derivate dQ/di:

dQ 0 d di

di

( J m

2 i 2

2J m J L

1 J 2 0i 2 L

(5.26)

n ecuaia (5.26) nu s-au mai scris coeficienii care sunt considerai constani, n raport cu i. Rezolvarea ecuaiei conduce la soluia:

i J L .optim J

(5.27)

mMecanisme cu transmitere tangenial a micrii (fig.3.13)Sunt mecanismele cu: pinion-cremalier; pinion-curea dinat; roi cu friciune; cu

role i cabluri; cu roat de lan-lan etc., pentru care se pot scrie relaiile:J r J m

m L R p ; q m

d L ; M R p

FL R p ,

(5.28)

unde Rp este raza pinionului (roii) de antrenare, mL masa deplasat ntr-o micare de translaie, de curs dL, iar FL fora rezistent care acioneaz asupra masei mL.Cu valorile (5.28), relaia (5.23) va avea forma:( JmR

2 2 d L L p 2

f

2m

(12h

Rp

3c

L p tc ).

(5.29)Se consider fora rezistent, FL, egal cu zero i se caut un minim al funciei, respectiv o rdcin a derivatei n raport cu Rp:

dQ 0

2m 2 J J

m 2 R 2 ) 0,

(5.30)dR p

dR p R pcu soluia:

R p optim

J m .m

(5.31)

LMecanism urub-piuli (fig.3.14)n acest caz se pot scrie relaiile:J r J m

p m ( ) 2 ; qL 2p m

d L ; Mp r2p

p F . L 2p

(5.32)

Se observ c relaiile (5.32) sunt similare cu (5.28), cu excepia faptului c raza Rp este nlocuit cu raportul p/2 , astfel nct calculele conduc la un rezultat asemntor cu (5.31):

( p )2p

optim

J m .m L

(5.33)

din care se poate deduce pasul optim, p, pentru urub, din punct de vedere al cantitii de cldur disipate n motor.

5.4 Actuatori piezoelectrici5.4.1 Performane, avantaje, domenii de utilizarePentru realizarea funciilor i performanelor impuse unui sistem mecatronic, proiectanii trebuie s ia n consideraie i s utilizeze sisteme de acionare dintre cele mai diverse i neconvenionale, capabile s surmonteze limitele de performan i implementare ale acionrilor clasice, cu motoare electrice, hidraulice, pneumatice etc. n capitolul 2, cu ocazia prezentrii unor exemple de sisteme mecatronice, s-au fcut unele referiri succinte la:

Actuatori piezoelectrici fig.2.3 utilizai pentru comanda injeciei la motoareleDiesel;

Actuatori electrochimici, folosii pentru expandarea air-bag-urilor (vezi

subcapitolul 2.1);

Muchi artificiali, utilizai pentru funciile de locomoie i manipulare la roboii umanoizi;

Actuatori cu memorie a formei, utilizai pentru acionarea degetelor unei mini

mecanice (fig.2.22).

Paleta acionrilor neconvenionale este mult mai ampl i se extinde n permanen, incluznd, n afara celor enumerate mai sus, i actuatorii electrostatici, actuatorii electro-i magnetoreologici, actuatorii magnetostrictivi etc. De multe ori cele mai neateptate i neconformiste soluii pot conduce la succesul unui produs mecatronic.

n acest subcapitol se vor detalia cteva aspecte legate de actuatorii piezoelectrici,care pot constitui, n multe cazuri, cea mai bun soluie de acionare, datorit unor performane remarcabile, cum ar fi:

- Rezoluie teoretic nelimitat, care practic coboar sub limita unui nanometru; celemai mici modificri ale tensiunii de alimentare sunt transformate n micri liniare, fr salturi (praguri);

- Dezvoltarea unor fore de acionare foarte mari. Pot poziiona sarcini mai mari de10.000 N n limita a cc. 100 m, cu precizii de ordinul micrometrilor;

-Timpi de rspuns sub o milisecund; Alungirea unui actuator piezoelectric este limitat numai de viteza de propagare a sunetului n materialele ceramice. Pot fi obinute acceleraii de cteva mii de ori mai mari dect acceleraia gravitaional.

-Absena elementelor n micare, i, implicit, a frecrilor i a jocurilor. Alungirea unui actuator piezoelectric se bazeaz numai pe deformaia solidului i nu prezint semne de mbtrnire. Testele de anduran au dovedit c nu exist modificri n funcionare dup 500 de milioane de cicluri de alungire;

-Consum de putere foarte mic. Efectul piezo convertete direct energia electric n micare liniar. Elementul de acionare absoarbe energie numai n timpul alungirii, cnd consum un curent electric pentru ncrcare.

- Absena cmpurilor magnetice etc.

Aceste avantaje au impus utilizarea actuatorilor piezoelectrici ntr-un mare numr de domenii:

Mecanic fin i inginerie mecanicScule de ajustare i extruziune; corecia uzurii sculelor n controlul activ; controlul

duzelor de injecie; micropompe; ciocane piezo; sisteme de microgravare; sisteme pentru absorbia activ a vibraiilor; micro- i nanoroboi.

Optic i sisteme de msurarePoziionarea i scanarea rapid a oglinzilor; holografie; interferometrie; baleiere cu fascicule laser; poziionarea fibrelor optice; stabilizarea imaginii; autofocalizare; optic activ i adaptiv.

MedicinMicromanipulare i microchirurgie; penetrarea celulelor; dispozitive pentru microdozare; stimulare fiziologic; generarea de ocuri.

MicroelectronicPoziionarea mtilor; microlitografie; sisteme de investigare i control.

5.4.2 Principiile de baz ale actuatorilor piezoelectriciUn actuator piezoelectric este un element de poziionare, controlat electric, care funcioneaz pe baza efectului piezoelectric. Efectul direct, utilizat, de exemplu, n cazul senzorilor de for piezoelectrici [DUM96a], presupune generarea unor sarcini electrice ca efect al solicitrilor mecanice. n cazul actuatorilor se utilizeaz efectul invers, respectiv un cmp electric, paralel cu direcia de polarizare, determin o alungire a materialului cristalin, dup aceeai direcie. Cmpul electric genereaz un cuplu asupra dipolilor electrici din structura materialului, care produce o aliniere a acestora de-a lungul cmpului i, n consecin, o schimbare a lungimii regiunilor monocristaline (fig.5.40). ntruct materialele monocristaline naturale, cum ar fi cuarul, turmalina, sarea Rochelle etc. prezint efecte piezoelectrice de mic amploare, au fost dezvoltate materiale ceramice policristaline, cum ar fi plumb- zirconat-titanat (PZT), cu propieti piezoelectrice superioare. Ceramicile PZT se produc ntr-o gam larg de variante i reprezint materialele de baz pentru actuatorii piezoelectrici.

Informaiile prezentate despre actuatorii piezoelectrici sunt sintetizate din documentaia firmei Physik Instrumente [PI], una dintre cele mai importante n domeniu. Ea produce PZT-uri de joas i nalt tensiune. n timp ce elementele de nalt tensiune necesit tensiuni de lucru de pn la 1000 V, pentru a obine o alungire maxim, cele de joas tensiune pot realiza acest lucru cu tensiuni de pn la

100 V. Se va adopta, n continuare, prescurtarea PZT i pentru denumirea unui piezo-translator, respectiv un actuator piezoelectric, care se alungete cnd este supus unui cmp electric.

Alungirea maxim a unui PZT depinde de materialul ceramic utilizat, de lungimea

lui, L [m], de intensitatea cmpului electric, E [V/m] i de fora, F [N], care acioneaz asupra lui: Modificarea lungimii, L [m], poate fi exprimat cu ajutorul relaiei:

L E.d

Fi j .L0T

L F ,cT

(5.34)

unde dij [m/V] reprezint o constant a materialului, dependent de direcia dup care se realizeaz alungirea, iar cT [N/m] este constanta