Controlul Vitezei Motorului Pas cu Pas Folosind Mediul de Programare Simulink Matlab

Motoarele pas cu pas nu sunt clasificate doar de tensiune. Următoarele elemente caracterizează un motor pas cu pas:

Tensiunea – uzual, motoarele au anumite rate de tensiune, care sunt ori scrise direct pe acestea, ori sunt exemplificate în manualele motorului. Este necesar să se mărească tensiunea de alimentare pentru a obține de la un motor dat un anumit cuplu, dar acest lucru duce la încălziri excesive sau la micșorarea duratei de viață a motorului.

Rezistența – rezistența pe înfășurări este o altă caracteristică a motoarelor pas cu pas. Această rezistență determină scurgerea curentului prin motor, la fel cum afectează curba cuplului motorului și viteza maximă de lucru.

Unghiul de pas – caracteristica cea mai importantă pentru alegerea motorului necesar efectuării unei aplicații. Acest factor specifică numărul de grade geometrice efectuate la un pas întreg. Funcționarea motorului cu micropășire va duce la dublarea numărului de pași pe revoluție (360°), ducând în același timp la micșorarea pe jumătate a gradelor caracteristice unui pas. Pentru motoarele care nu au specificații, se pot număra cu atenție pașii prin rotirea cu mâna. Gradele pe un pas se calculează împărțind cele 360° la numărul de pași obținuți.

Obiectivul alegeri motoarelor pas cu pas, a acționării, este acela de a identifica ”pachetul” economic, de acționare ce va efectua eficient toate mișcările solicitate într-o aplicație dată.

Aceasta poate fi o sarcină provocatoare, întrucât utilizarea sistemelor cu motoare pas cu pas convenționale este totdeauna o procedură simplă.

Motoarele pas cu pas pot pierde sincronizarea (calarea), ce cauzează o pierdere a preciziei de poziționare ceea ce duce la o mișcare nereușită, sistemele cu motor pas cu pas se vor opri (cala) atunci când necesarul de moment al mișcării executate plus momentul pierdut în vibrațiile „copleșitoare” depășește momentul disponibil al motorului. Una din cauzele principale ale calării motoarelor pas cu pas o reprezintă un fenomen numit rezonanță.

La sistemele cu motoare pas cu pas, convenționale, necesarul de moment, datorat rezonanței scade performanța motorului pe toată gama de viteze a motorului, din cauza unei reduceri a momentului util ce accelerează sarcina. Această reducere a momentului util fie poate limita serios performanța sistemului, ducând la un randament scăzut, fie poate face ca sistemul de mișcare pas cu pas să nu mai funcționeze deloc.

1. MOTORUL PAS CU PAS. CARACTERISTICI GENERALE.

O definiție simplă a motorului pas cu pas este: „un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete”.

Axul motorului pas cu pas execută o mișcare de rotație în pași incrementali discreți când este aplicată în secvența corectă o comandă electrică în pulsuri. Rotația motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate.

În comparație cu alte tipuri de motoare (motoarele de curent continuu sau motoarele de curent alternativ asincrone și sincrone) motorul pas cu pas are o serie de avantaje:

Rotația unghiulară a motorului este proporțională cu pulsul electric aplicat;

Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate;

Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la un pas la altul;

Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație;

Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcționare depinde de rulment;

Posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcina legată direct pe axul motorului; gamă foarte largă de viteze de rotație; dar există și unele dezavantaje:

Rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar;

Controlul greoi la viteze foarte mari.

Fiecare revoluție a axului motorului este alcătuită dintr-o serie de pași discreți. Un pas este definit ca fiind rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă. Fiecare impuls face ca axul să se rotească cu un anumit număr de grade caracteristic fiecărui tip de motor. Un „pas unghiular” reprezintă rotația axului motorului la fiecare pas, și se măsoară în grade. În funcție de acest pas unghiular se poate face o clasificare a motoarelor pas cu pas. În figura 1.1 este prezentată dependența poziției unghiulare a axului (figura 1.1 (b)) de secvența de alimentare a bobinelor (figura 1.1 (a)).

Există trei tipuri de motoare pas cu pas din punct de vedere al configurație electrice.

Acestea sunt:

Cu reluctanță variabilă

Cu magnet permanent

Hibride.

Pe lângă aceste tipuri „clasice” de motoare pas cu pas există un tip de motor cu un design special. Acesta este motorul cu rotorul format dintr-un disc din magnet permanent (figura 1.2).

Acest tip de motor oferă avantajul unei inerții foarte mici, precum și un flux magnetic optim deoarece nu există nici o legătură între cele două bobine ale statorului.

O altă caracteristică importantă a motoarelor, după care ele sunt și clasificate este mărimea lor. Clasificarea după mărime se face în funcție de diametrul corpului motorului, în timp ce lungimea motorului poate varia în interiorul aceleiași clase de mărime.

Nivelul de putere al motoarelor pas cu pas variază, de la motoarele foarte mici cu un consum de ordinul mW, la motoarele mai mari cu un consum de ordinul zecilor de vați.

Modul de funcționare al motorului pas cu pas este simplu. În momentul când o bobină este alimentată apare un flux magnetic în stator. Direcția fluxului poate fi determinată folosind „regula mâinii drepte”. Prin „energizarea” în secvența corectă a bobinelor statorului, motorul va efectua rotația dorită.

De obicei motoarele pas cu pas au două faze, dar există și motoare cu trei sau cinci faze. Un motor bipolar cu două faze are o bobină/fază iar un motor unipolar are o bobină cu priză centrală/fază. De multe ori motorul unipolar este catalogat ca fiind un motor cu patru faze deși el are numai două faze. Există și motoare care au două bobine separate/fază – acestea pot fi conduse fie ca un motor bipolar sau ca un motor unipolar.

Pentru a putea înțelege mai bine structura unui motor pas cu pas trebuie menționat faptul că un pol este considerat acea regiune din corpul magnetizat în care densitatea de flux magnetic este concentrată. Atât statorul cât și rotorul unui motor pas cu pas au poli. Cel mai simplu motor poate avea doi poli (o pereche de poli) pentru fiecare din cele două faze pe stator și 2 poli (o pereche) pe rotor. În realitate sunt prezente mai multe perechi de poli atât pe stator cât și pe rotor, acest lucru ducând la creșterea numărului de pași la o rotație completă a motorului. Motorul pas cu pas cu magnet permanent are un număr egal de poli pe rotor și stator. Cele mai întâlnite tipuri de motoare pas cu pas cu magnet permanent au 12 perechi de poli. Statorul are 12 poli/fază. Motorul pas cu pas hibrid are rotorul prevăzut cu dinți, acesta fiind împărțit în două părți de un magnet permanent – rezultă că jumătate din dinți sunt poli sud iar cealaltă jumătate poli nord. De asemenea și statorul este prevăzut cu dinți.

Rezoluția unghiulară sau pasul unghiular al unui motor pas cu pas este dat de relația dintre numărul de poli pe rotor și numărul de poli pe stator, și numărul de faze.

[1.1]

,unde

NPh – numărul de poli echivalenți /fază= numărul de poli pe rotor,

Ph – numărul de faze,

N – numărul total de poli pentru toate fazele.

În cazul în care numărul de poli de pe rotor și stator nu este egal, această relație nu mai este valabilă.

În funcție de modul de alimentare a fazelor există mai multe tipuri de conducere a motoarelor pas cu pas. Cele mai comune moduri sunt:

pas întreg;

jumătate de pas;

micropășire.

Motivele pentru care motorul pas cu pas a ajuns să fie folosit într-o gamă mare de aplicații este acuratețea și repetabilitatea. În mod normal eroarea este cuprinsă între 3-5%/pas. Acuratețea unui motor pas cu pas depinde în mare parte de părțile sale mecanice și nu de părțile electrice. Există mai multe tipuri de erori prin care se exprimă diferența dintre poziția reală și poziția teoretică a motorului (figura 1.3). Astfel:

Eroarea de poziționare la sfârșitul unui pas. Este eroarea pozitivă sau negativă de poziție care apare când motorul a efectuat un pas, adică s-a rotit cu un pas unghiular de la poziția anterioară.

Eroarea de poziție. Dacă motorul a efectuat N pași față de poziția inițială (N=360o/pas unghiular) iar unghiul față de poziția inițială este măsurat după fiecare pas, astfel după N pași o să avem un unghi ΘN, avem următoarea relație:

[1.2]

Histerezis de poziție. Este valoarea obținută prin măsurarea erorii de poziție în ambele direcții.

După cum am menționat mai sus, foarte important într-un motor pas cu pas este partea mecanică. Astfel pentru a putea exprima performanța unui motor pas cu pas trebuie să se țină cont și de parametri mecanici: sarcină, frecare și inerție.

Performanța unui motor pas cu pas depinde foarte mult de parametrii mecanici ai sarcinii. Sarcina este definită ca acel lucru pe care motorul trebuie să-l acționeze. Sarcina (sau încărcarea) motorului apare de obicei datorită frecării sau inerției precum și o combinație a celor două.

Frecarea este rezistența opusă mișcării datorată asperității suprafețelor care se ating una de alta. Frecarea este proporțională cu viteza. Pentru a efectua un pas este nevoie de un moment cel puțin egal cu frecarea. Odată cu creșterea sarcinii, crește și frecarea, deci viteza scade, deci accelerația crește și totodată crește eroarea de poziție. Astfel trebuie să se țină cont în alegerea motorului pas cu pas de sarcina pe care trebuie să o acționeze și de condițiile tehnologice care trebuie îndeplinite (viteză, accelerație, poziționare cu eroare cât mai mică etc.)

Inerția poate fi definită ca fiind opoziția la schimbările de viteză. O sarcină cu inerție mare are nevoie de un moment inerțial mare la pornire dar și la oprire. O sarcină inerțială mare va crește stabilitatea vitezei, dar va crește și timpul necesar ajungerii la viteza dorită și va scădea rata de porniri/opriri pe unitatea de timp.

Rotorul va oscila odată cu creșterea/scăderea sarcinii inerțiale și/sau frecării. Această relație nedorită între oscilația rotorului, inerție și frecare poate fi redusă prin amortizare mecanică dar mai simplu este eliminarea (sau mai bine zis amortizarea, căci aceste oscilații nu pot fi eliminate complet) acestor oscilații nedorite pe cale electrică prin schimbarea din modul de pășire întreg în modul de pășire jumătate de pas.

O caracteristică importantă a unui motor pas cu pas este răspunsul unghiular la efectuarea unui pas.

Când este aplicat un impuls electric motorului pas cu pas, rotorul are o mișcare unghiulară cum se vede în figura 1.4. Timpul t este timpul necesar rotorului să se rotească cu un pas odată ce un impuls electric a fost aplicat. Acest timp este dependent de raportul dintre moment și sarcină. Din moment ce cuplul este o funcție de deplasare rezultă că accelerația va fi și ea dependentă de deplasare. De aceea, când un motor efectuează pași mari (adică pășire întreagă, nu jumătate de pas sau micropășire) o dacă cu un moment mare apare și o accelerație mare. Acest lucru poate cauza răspunsul din fig.1.4. Timpul T este timpul necesar acestor oscilații pentru a se amortiza. În unele aplicații care necesită o mare precizie și un răspuns cât mai rapid aceste oscilații nu sunt dorite. Este posibil să se reducă și chiar să fie eliminate prin micropășire.

Fenomenul de rezonanță poate apărea la anumite viteze de pășire. El se manifestă prin pierderi de cuplu care au ca urmare faptul că motorul poate „sări” (sunt pierduți) pași și automat apare o desincronizare. Acest fenomen apare când impulsurile de intrare au aceeași frecvență cu frecvența naturală de oscilație a motorului (frecvența de rezonanță). Acest fenomen de rezonanță apare datorită construcției de bază a motoarelor pas cu pas și nu poate fi eliminat complet, doar redus prin micropășire și, de asemenea, este dependent de sarcina pe care o acționează.

S-a încercat o prezentare generală a motorului pas cu pas din punct de vedere electric, dar și din punct de vedere al relației dintre partea mecanică, răspunsul acesteia la aplicarea unui impuls electric și partea electrică ce generează comanda.

1.2. TIPURI DE MOTOARE PAS CU PAS

Dacă ar fi să facem o clasificare a motoarelor pas cu pas cea mai edificatoare ar fi clasificarea lor în :

Motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă;

Motoare pas cu pas cu magnet permanent;

Motoare pas cu pas hibride.

1.2.1. Motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă

Acest tip de motor este cunoscut de foarte mult timp. În fig.1.5 este prezentată o secțiune printr-un motor pas cu pas cu reluctanță variabilă tipic. Motorul este alcătuit dintr-un rotor și un stator, fiecare cu număr diferit de dinți. Poate fi diferențiat ușor de un motor cu magnet permanent deoarece „se învârte ușor”, fără nici o reținere, în momentul rotirii rotorului cu mâna.

Statorul motorului este alcătuit dintr-un miez magnetic construit din lamele din oțel.

Rotorul este construit din fier moale nemagnetizat cu dinți și sanțuri.

Relația dintre unghiul de pășire, dinții rotorului și dinții statorului este următoarea:

[1.3]

Unde:

– pas unghiular,

NS – numărul de dinți pe stator,

NR – numărul de dinți pe rotor.

1.2.2. Motoare pas cu pas cu magnet permanent

Principiul de funcționare al motorului pas cu pas cu magnet permanent este foarte simplu și constă în reacția dintre rotorul din magnet permanent și un câmp magnetic creat de stator.

În figura 1.6 este prezentat statorul motorului cu bobinele și polii acestuia precum și statorul din magnet permanent. Acest tip de motoare pas cu pas se poate împărți la rândul său, în mai multe categorii în funcție de modul de conectare al bobinelor:

Motoare pas cu pas cu magnet permanent unipolare;

Motoare pas cu pas cu magnet permanent bipolare;

Motoare pas cu pas cu magnet permanent multifază (sunt mai rar întâlnite).

De menționat că și motoarele pas cu pas cu reluctanță variabilă sunt de tipul unipolar și bipolar, iar construcția lor este exact ca cea a motoarelor pas cu pas cu magnet permanent. Am ales să prezentăm aceste tipuri de motoare în clasificarea motoarelor pas cu pas cu magnet permanent pentru că sunt mai des întâlnite.

1.2.3. Motoare pas cu pas hibride

Motoarele pas cu pas probabil sunt cele mai des utilizate și răspândite tipuri de motoare. La început au fost create ca motoare sincrone cu magnet permanent de viteză mică. Ele sunt o combinație dintre un motor cu reluctanță variabilă și un motor cu magnet permanent, de unde și denumirea de motoare hibride.

Motorul hibrid este alcătuit dintr-un rotor format din doi poli separați de un magnet permanent axial, cu dintele opus deplasat față de dintele corespunzător cu o distanță egală cu jumătate din înălțimea unui dinte pentru a permite o rezoluție mai mare la pășire (figura 1.7 motorul hibrid în secțiune și un detaliu al modului de amplasare al dinților).

Cererea tot mai mare de motoare pas cu pas cu performanțe remarcabile și un zgomot redus a dus la apariția a două tipuri de motoare hibride:

Motoarele hibride cu 2 (4) faze – folosit în aplicații obișnuite;

Motoarele hibride cu 5 faze – folosite în aplicații speciale deoarece oferă următoarele avantaje față de alte tipuri de motoare: rezoluție mare, zgomot mic în timpul funcționării, moment de reținere mic.

Deși toate aceste avantaje fac din el un motor foarte performant, acest lucru atrage după sine și un cost semnificativ mai mare al driver-elor. Deci în alegerea unui motor pas cu pas, de orice tip ar fi el, trebuie să se țină cont în primul rând de cerințele aplicației în care va fi folosit și în al doilea rând, de prețul motorului.

În figura 1.8 sunt prezentate secțiuni transversale prin motoare hibride cu 2, 3 și 5 faze.

În cazul motoarelor pas cu pas hibride un număr de faze mai mare însemna un cost mai mare. Odată cu implementarea tehnologiei de conducere sinusoidală în 3 faze a fost posibilă scăderea numărului de faze ale motorului, deci și costul de producție, rezoluția motorului (numărul de pași/rotație) fiind determinată de numărul de perechi de poli în rotor.

Astăzi cel mai răspândit tip de motor pas cu pas hibrid este cel cu 3 faze. Odată cu progresul tehnologiei de conducere un motor cu 3 faze poate egala, din punct de vedere al performanțelor, un motor cu 5 faze.

2. CONTROLUL VITEZEI CU MOTOARE PAS CU PAS IN CIRCUIT DESCHIS.

2.1. Mărimi caracteristice ale MPP

Unghiul de pas (Up) este unghiul cu care se deplasează rotorul la aplicarea unui impuls de comandă.

Frecvența maximă de start-stop în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă, la care motorul poate porni, opri sau reversa fără pierderi de pași.

Frecvența limită de pornire reprezintă frecvența maximă a impulsurilor de comandă, cu care MPP poate porni, fără pierderi de pași, pentru un cuplu rezistent și un moment de inerție date.

Cuplul limită de pornire reprezintă cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP poate porni, la o frecvență si un moment de inerție date, fără pierderi de pași.

Caracteristica limită de pornire definește domeniul cuplu-frecvență de comandă limită, în care MPP poate poni fără pierderi de pași.

Frecvența maximă de mers în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă pe care o poate urmări motorul, fără pierderea sincronismului.

Frecvența limită de mers reprezintă frecvența maximă cu care poate funcționa un MPP, pentru un cuplu rezistent si un moment de inerție date.

Cuplul limită de mers reprezintă cuplul rezistent maxim, cu care poate fi încărcat un MPP pentru un moment de inerție dat și o frecvență de comandă cunoscută.

Caracteristica de mers definește domeniul cuplu limită de mers-frecvență limită de mers în care MPP poate funcționa în sincronism, fără pierderi de pasi.

Viteza unghiulară (w) poate fi calculată ca produs dintre unghiul de pas si frecvența de comandă.

Puterea la arbore este puterea utilă la arborele motorului, corespunzătoare punctului de funcționare de pe caracteristica de mers, punct caracterizat de cuplul limită de mers și de frecvența maximă de mers.

Cuplul de menținere este egal cu cuplul rezistent maxim, care poate fi aplicat la arborele motorului cu fazele nealimentate, fără ca să provoace rotirea continuă a rotorului.

2.2. Acționarea MPP

Comanda pașilor MPP se poate realiza în mai multe moduri:

Comandă în secvență simplă (wave drive) în care este alimentată câte o singură fază statorică AA’, BB’ respectiv CC’ (fig 2.1). În acest caz cuplul motorului este aprox. 30% de valoarea nominală. Este utilizată în cazurile unde se impune un consum redus de energie.

Comandă în secvență dublă în care sunt alimentate simultan câte 2 faze: AA’+BB’; BB’+CC’ respectiv CC’+AA’ (fig 2). Este cea mai des utilizată metodă. Cuplul dezvoltat de motor și frecvența de pășire au valori maxime. 

Comandă în secvență mixtă presupune alimentarea, succesivă a unei faze, AA’, urmată de alimentare a două faze, AA’+BB’, apoi a unei faze, BB’, urmată de alte 2 faze, BB’+CC’ etc. În acest caz unghiul de rotație este jumătate din pasul nominal al motorului.

Comandă prin micropășire este o metodă specială de control al poziției MPP în poziții intermediare celor obținute prin primele trei metode. De exemplu, pot fi realizate poziționări la 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 din pasul motorului, prin utilizarea unor curenți de comandă a fazelor cu valori diferite de cea nominală, astfel încât suma curenților de comandă prin cele două faze alăturate, comandate simultan să fie constantă, egală cu valoarea nominală. Cu ajutorul acestei metode sunt asigurate atât poziționări fine, cât si operări line, fără șocuri, însă cuplul dezvoltat este mai mic decât în primele trei cazuri. Presupune un sistem de comandă mult mai complex, cu convertoare numeric-analogice, pentru a obține profilele de curenți în trepte.

  Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al menținerii/inversării sensului, sunt două moduri de comandă distincte:

Comandă unipolară, cu menținerea sensului curentului;

Comandă bipolară, cu alternarea sensului curentului.

Este important numărul de fire accesibil la ieșirea motorului, existând motoare cu 4, 5, 6 și 8 fire, astfel:

În cazul motoarelor pas cu pas unipolare fiecare dintre cele două bobine are o priză mediană care se conectează borna pozitivă a sursei de alimentare. Prin comanda succesivă a fiecărui tranzistor se pune la masă câte o bobină a motorului și se generează mișcarea de rotație.

2.3. Schema bloc de acționare a motoarelor pas cu pas

După cum se vede în schema bloc, compusă dintr-un calculator care dispune o ieșire paralel, prin care se face comunicarea cu ajutorul unei interfețe cu driverul motorului pas cu pas. Metoda folosită pentru controlul în timp real al vitezei unui motor pas cu pas ce constă în utilizarea programului Simulink.

Ca principali parametri de intrare sunt folosite module care impun număr de pași pentru o rotație și prescrisă de viteză ,a cărei amplitudine impune și sensul de rotație al MPP , care mai apoi este transformată în rotații pe secundă și integrată.

Rezultatul înmulțirii celor doi parametri sunt transformați cu ajutorul unei funcții trigonometrice în pulsuri sinusoidale care apoi sunt comparate cu zero și sunt transformate într-un semnal PWM de comandă.

Pe cei trei pini de ieșire avem următoarele semnale de comandă către driverul MPP , și anume:

sensul de rotație

semnalul de comandă al driverului MPP

semnalul de comanda Enable pentru driverul MPP.

2.4. Generatoare de impulsuri pentru motoarele pas cu pas

Un motor pas cu pas poate fi comandat în circuit închis sau deschis. Comanda în circuit deschis poate fi:

Comandă cu impulsuri singulare (puls cu puls)

Comanda cu un tren de impulsuri

La comanda puls cu puls, din cauză că frecvența pașilor este destul de scăzută, rotorul motorului ajunge, după efectuarea unui pas, într-o stare de repaus, care durează până la conectarea următoarei faze. Prin urmare motorul poate fi pornit, oprit sau reversat fără pierdere de pași.

În cazul comenzii cu tren de impulsuri motorul va urmări o frecvență de urmare a trenului de impulsuri de intrare și va funcționa într-un mod foarte asemănător cu motoarele sincrone. Rotorul se va mișca continuu, fără poziții de repaus înaintea aplicării impulsurilor. Pentru comanda cu impulsuri singulare trebuie utilizată ca sursă de tact, un oscilator convențional de relaxare (astabil), care comandă secvența logică a motorului. Principala cerință impusă acestor circuite este stabilitatea ridicată a frecvenței oscilațiilor proprii.

3. MEDIUL DE PROGRAMARE MATLAB SIMULINK

3.1. Generalități

SIMULINK este un mediu de construcție a schemelor bloc pentru proiecte din domenii variate. Poate suporta simularea, generarea automată de coduri, poate genera teste continue și verificări ale sistemelor proiectate.

SIMULINK permite editarea grafică, adaptarea conform librăriilor bloc, și găsirea de soluții pentru modelarea și simularea sistemelor dinamice. Este integrat împreună cu MATLAB, permițând să se încorporeze algoritmi de calcul în modelele proiectate și exportarea rezultatelor simulării în MATLAB pentru analiză amănunțită.

Capacități:

Construirea de modele: subsistemele ierarhice ale modelului proiectat cu librării bloc predefinite

Simularea modelului: simularea comportamentului dinamic al sistemului și vizualizarea rezultatelor

Analiza rezultatelor simulării: vizualizarea rezultatelor simulării și descărcarea acestora

Coordonarea proiectelor: coordonarea ușoară a fișierelor, componentelor, și gestiunea bazei de date

Conectarea la dispozitive hardware: conectarea modelului la un dispozitiv hardware pentru testarea în timp real.

Aplicații:

Proiectare pe model prestabilit: atunci când implementarea unor cerințe software sau hardware sunt impuse, cum ar fi poziționarea în timp la punct fix, se poate genera un cod automat pentru a crea teste de verificare ale sistemului, salvând timp și evitând manuală a erorilor de cod.

Simularea modelului: simulink prezintă un set de modele predefinite care se pot combina pentru a crea diagrame bloc detaliate pentru sistemul care se dorește a fi implementat. Instrumente pentru modelarea ierarhică, managementul datelor, și personalizarea subsistemelor permit chiar și reprezentarea celui mai complex sistem cu acuratețe.

Procesarea semnalului digital: ajută la analizarea datelor dintr-o gamă variate de surse de date. Se pot achiziționa, măsura, transforma, filtra și vizualiza semnale fără a fi un expert în teoria procesării semnalelor.

Comunicarea între sisteme: MATLAB și SIMULINK permit un mediu complet pentru proiectarea, simulare și verificarea sistemelor wireless.

Procesarea imaginilor: Wathworks oferă un mediu accesibil pentru a procese imagini și date video, pentru a dezvolta algoritmi.

Mecatronica: dezvoltarea sistemelor mecatronice necesită integrarea subsistemelor mecanice, electrice, de control și de software.

3.2. Blocuri dedicate controlului în timp real al sistemelor (REAL-TIME WINDOWS TARGET)

Simulink REAL-TIME WINDOWS TARGET permite accesarea modelelor și interfețelor Simulink în timp real cu diferite echipamente fizice. Folosind Windows sau MAC OS desktop sau laptop, ce poate crea și controla un sistem pentru o simulare în timp real și pentru testarea aplicațiilor.

Simulink Desktop Real-Time permite accesul dispozitivelor driver în interacțiunea cu o extinsă selecție de interfețe I/O astfel se poate opera cu o gamă de senzori, actuatori și alte dispozitive pentru extinderea, îmbunătățirea și testarea sistemelor în timp real.

În modul normal și extern, se poate controla execuția modelului în timp real, logarea datelor, îmbunătățirea parametrilor, și vizualizarea semnalelor din bara Simulink.

Se poate previzualiza funcționarea unui sistem dinamic care funcționează în timp real folosind Simulink 3D Animation.

3.3. Îmbunătățirea parametrilor, monitorizarea semnalelor și achiziția de date

Îmbunătățirea parametrilor

Se pot îmbunătăți parametrii în timp ce Simulink rulează atât în modul normal cât și extern prin editarea diagramei block Simulink. Se pot adăuga de asemenea controler grafic, cum ar fi butoane și întrerupătoare, pentru a ajuta șa îmbunătățirea parametrilor modelului. În modul extern, Simulink Desktop Real-Time comunică în mod automat link-ul de transfer în cazul schimbării parametrilor din diagrama block Simulink către un buton executabil care funcționează în timp real.

Monitorizarea și capturarea semnalelor în timp real

Se pot captura semnale de la un model care funcționează în timp real și afișarea acestora cu un block standard Simulink Scope. Se pot vizualiza semnale ale modelului folosind grafice, cum ar fi manometrele și osciloscop.

Achiziția și logarea datelor

Se pot achiziționa datele în timp real în spațiul de lucru Matlab folosind Simulink. În mod extern, se pot captura una sau mai multe date prelevate și salvate într-un fișier Matlab, care poate fi accesat pentru analiză suplimentară și vizualizare.

Interacțiunea cu modelele în timp real

Folosind Simulink Desktop Real-Time și un joystick, se poate interacționa în timp real cu un model cum ar fi un simulator de zbor sau un vehicul. Această apropriere permite verificarea comportamentului sistemului înaintea încorporării componentelor unui model în mediile simulate la scară reală.

Sincronizarea modelelor pentru a funcționa la scară reală

Prin includerea schemelor bloc de sincronizare în timp real în proiectul dorit, se poate sincroniza modelul Simulink, care funcționează în mod normal, cu un comutator în timp real. Această sincronizare permite modelului să funcționeze în timp real fără a necesita solvere fixe. In plus, comutatoarele în timp real sincronizează modelul cu dispozitivele disponibile I/O, pentru a introduce datele în timp real în modelul Simulink rulat. În mod normal se pot obține performanțe aproape de 1 kHz.

3.4. Conectarea cu dispozitive fizice

Simulink Desktop Real-Time include o librărie de blocuri de drivere I/O care asigură conectarea între dispozitivele fizice I/O și modelele în timp real. Se pot rula simulări pentru a observa cum modelele Simulink răspund unui comportament cât mai natural. Librăria block a driver-ului I/O permite conectarea la semnale I/O pentru o varietate de interfețe I/O.

Blocurile de driver I/O Simulink Desktop Real-Time comunică folosind fie ASCII sau date binare în orice format. Protocoalele de comunicație suportate includ UDP pentru conexiunile de rețea standard, RS-332 pentru liniile seriale, și CAN bus pentru controlul rețelelor.

Diagramele bloc ale driverelor I/O disponibile includ:

Intrări analog: conectează și citesc canalele analog de intrare

Numărător de intrare: conectează și citesc canalele numărare a intrărilor

Intrări digitale: conectează și citesc intrările de linii digitale sau de canale

Intrări encoder: conectează și citesc canalele intrărilor encoder

Alte intrări: conectează și citesc de la sursele hardware suportul specializat pentru funcționarea driver-ului

Intrări packet: citesc datele binare neformatate de la port, fișiere, sau dispozitivul CAN

Intrări steam: primesc date ASCII formatate de la port sau fișier

Ieșiri analog: conectează și scrie canalele de ieșire analog

Ieșiri digitale: conectează și scrie liniile și ieșirile canalelor digitale

Ieșiri de frecvență: generează o ieșire de puls modulată de semnal dreptunghiular către o ieșire timer

Alte ieșiri: conectează și scrie către dispozitivele hardware de sincronizat suport driver specializat

Ieșiri packet: scrie date de la port neformatate, fișiere sau dispozitive CAN

Ieșiri steam: scrie date ASCII formatate către port sau fișier

Sincronizare real-time: sincronizează Simulink cu comutatoarele în timp real

4. CERCETARI PRIVIND CONTROLUL IN TIMP REAL A VITEZEI MOTOARELOR PAS CU PAS

4.1. Controlul motorului pas cu pas utilizând mediul de programare MATLAB SIMULINK

Pentru controlul vitezei motorului folosit în simulare utilizând mediul de comandă Matlab Simulink s-a impus folosirea următoarelor blocuri:

Pentru a obține o valoare constantă de 400 pași/rotație se folosește blocul de valoare constantă.

Multiplicatorul are rol in a impune un anumit număr de pulsuri pe rotație.

Prescrisa de viteză este un bloc sursă în care se introduc valorile de timp și valorile de ieșire, care corelate au ca rezultat graficul de viteză.

Referința impulsurilor amplificate reprezintă un produs dintre prescrisa de viteză și numărul de pulsuri pe rotație.

Pentru obținerea unui semnal de comandă PWM printr-o funcție trigonometrică se prestabilește referința de impulsuri.

Prin compararea cu 0 a prescrisei de viteză se impune condiția sensului orar de rotație.

Prin compararea cu 0 a numărului de pași de rotație este activată funcția enable a driverului motorului pas cu pas.

Concluzii:

Cele 3 ieșiri ale sistemului de control al vitezei motorului pas cu pas impun sensul de rotație, numărul de pași și funcția de enable a driver-ului motorului pas cu pas

4.2. Stand de încercări

4.2.1. Interfata LPT 5Axe cu releu si iesire PWM (pentru Driver Motor pas cu pas) CNC MPP

Comunicarea între PC și driver-ul motorului pas cu pas se realizează prin intermediul interfeței LPT cu buffere pentru amplificarea semnalului și intrări protejate cu optocuploare, comanda de ieșire poate fi cu releu sau ieșire PWM.

Tensiunea de alimentare este de 5 Vcc.

4.2.2. Driver de motor pas cu pas DM860

Driver-ul pentru motorul pas cu pas hibrid bifazat are tensiunea de alimentare de 24 până la 80 Vcc. Acesta este proiectat pentru a fi utilizat pentru controlul unui motor pas cu pas bifazat cu diametru cuprinse între 57-110 mm diametru exterior și are un consum de până la 8 A/fază. Acest circuit de comandă poate fi utilizat și în cazul unui regim de funcționare ca și servomotor și nu introduce în sistem zgomote și vibrații. Cuplul dezvoltat atunci când DM860A funcționează la viteză mare este semnificativ mai mare decât alte drivere bifazate, ceea ce, presupune și o precizie de poziționare mai mare. Este utilizat pe scară largă în controlul dispozitivelor de comandă numerică, mașinilor CNC, a mașinilor de ambalare etc.

Avantaje:

Performanțe înalte, preț scăzut

Tensiune de alimentare de la 24 Vcc la 80 Vcc

Semnal I/O opto-izolat

Protecție în cazul scurtcircuitelor de fază, supratensiune, subtensiune și a tensiunilor de redresare

14 canale de subdiviziune și control al curenților de repaus

8 canale pe fază de ieșire din setările curente

Comandă offline a terminalului de intrare

Cuplul motor este asociat cu viteza, și nu cu mișcarea pe revoluție

Viteză mare de pornire

Specificații electrice:

Conectarea pinilor:

Configurare

Diagrama de conectare a pinilor

Semnalele de control pot fi active pe niveluri electrice înalte sau joase. Atunci când nivelul electric înalt este activ, toate celelalte semnale negative vor fi conectate la GND. Atunci când nivelul electric scăzut este activ, toate semnalele pozitive de control vor fi conectate împreună la un port public. Se prezintă două exemple (colector deschis și PNP):

Conexiunea pe pini a motorului și necesarul de putere

Specificații mecanice

Deoarece necesita 20 mm spațiu în jur nu poate fi plasat lângă alte dispozitive care emit căldură. Trebuie evitate praful, resturile de ulei, gazele corozive, umiditatea și vibrațiile.

Unitatea de măsură: mm.

Conexiunea driver-ului

Un sistem complet de control al unui motor pas cu pas trebuie să conțină drivere pas cu pas, sursă de alimentare în cc și controler (generator de impulsuri). Se prezintă un exemplu de conectare.

4.3. Rezultate și concluzii

Graficul I

Semnalul de referință al impulsurilor de comandă comparativ cu prescrisa de viteză scoate în evidență faptul că semnalul de referință al impulsurilor are forma unei funcții de gradul II, atât timp cât prescrisa de viteză este ascendentă. Pe porțiunea în care prescrisa de viteză este constantă semnalul de referință a impulsurilor de comandă crește liniar. Altfel se observă faptul că semnalul de referință al impulsurilor de comandă ia forma unei funcții de gradul II pe porțiunea în care prescrisa de viteză este descendentă, până la momentul în care prescrisa de viteză capătă o valoare constantă, implicit semnalul de referință al impulsurilor devine o dreaptă descendentă.

Semnalul de referință al impulsurilor de comandă este dependent de prescrisa de viteză.

Graficul II

Semnalul sinusoidal modulat în frecvență urmărește valorile prescrisei de viteză astfel încât atunci când aceasta își modifică valoarea semnalul sinusoidal modulat în frecvență își modifică frecvența, iar pe porțiunile în care prescrisa de viteză are valoare constantă semnalul sinusoidal modulat în frecvență are aceeași valoare la frecvență constantă.

Semnalul sinusoidal modulat în frecvență se corelează cu modificarea valorilor prescrisei de viteză.

Graficul III

Semnalul dreptunghiular activ în 0 logic urmărește îndeaproape valorile frecvenței semnalului sinusoidal. Se observă pe grafic că atunci când semnalul sinusoidal modulat în frecvență are o valoare crescătoare, semnalul dreptunghiular activ în 0 logic îl urmărește și atunci când semnalul sinusoidal modulat în frecvență are o valoare constantă și semnalul dreptunghiular activ în 0 logic prezintă o valoare constantă.

Graficul IV

În acest grafic se compară 3 semnale: prescrisa de viteză, semnalul de direcție care impune sensul de rotație și semnalul de puls care comandă pașii motorului. Se observă că atunci când prescrisa de viteză are o valoare pozitivă și crescătoare, semnalul de puls care comandă pașii motorului crește în frecvență și semnalul de direcție care impune sensul de rotație este un semnal de comandă care impune rotirea motorului pas cu pas în sens orar. Pe perioada cât prescrisa de viteză este constantă, dar are valoare pozitivă semnalul de puls care comandă pașii motorului este constant, iar semnalul de direcție care impune sensul de rotație comandă motorul pas cu pas să aibă sens orar de rotație.

Pe porțiunea de grafic în care prescrisa de viteză este în descreștere, dar pozitivă se observă de sensul de rotație care impune sensul de direcție are valoare 1, deci motorul pas cu pas se va roti în sens orar, iar semnalul de puls care comandă pașii motorului scad în frecvență.

Când prescrisa de viteză ajunge în 0 semnalul de direcție care impune sensul de rotație devine automat 0, modificând sensul de rotație al motorului pas cu pas în sens antiorar. De asemenea se observă că atunci când prescrisa de viteză are o valoare negativă, semnalul de direcție care impune sensul de rotație rămâne în 0, deci sensul de rotație al MPP va fi antiorar, iar semnalul de puls care comandă pașii motorului își modifică frecvența. Atunci prescrisa de viteză cu valoare constantă, dar negativă va impune un sens de rotație antiorar al MPP și un semnal de puls care comandă pașii motorului la o frecvență constantă. La fel și în situația în care prescrisa de viteză este crescătoare, dar are valori negative, semnalul de direcție care impune sensul de rotație va fi 0, deci motorul se va roti în sens antiorar, iar semnalul de puls care comandă pașii motorului își va modifica frecvența.

În concluzie MPP urmărește viteza și sensul de rotație impus de prescrisa de viteză.

BIBLIOGRAFIE:

Bogdan, L. (2015, 06 29). http://web.ulbsibiu.ro. Preluat de pe http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/MPP_Constructie_Functionare.pdf

Carmen, D. (2015, 06 29). http://www.robotics.ucv.ro. Preluat de pe http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m1/Dasoveanu%20Carmen-Comanda%20motorului%20pas%20cu%20pas%20cu%20turatie%20variabila/

http://www.engineering.upm.ro. (2015, 07 04). Preluat de pe http://www.engineering.upm.ro/master-ie/mse/mat_did/acel005/curs/Capitolul%20III.pdf

http://www.mathworks.com. (2015, 07 05). Preluat de pe http://www.mathworks.com/products/matlab/

http://www.mathworks.com. (2015, 07 05). Preluat de pe http://www.mathworks.com/products/simulink-desktop-real-time/features.html#real-time-testing-of-simulink-models

https://www.google.ro. (2015, 07 05). Preluat de pe https://www.google.ro/webhp?sourceid=chrome-instant&rlz=1C1PRFE_enRO613RO613&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#q=dm860a%20datasheet