Motorul Pas cu Pas

Capitolul 1

Motorul pas cu pas

Generalități

Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizează transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mișcare proporțională a axului său. Mișcarea rotorului constă din deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi egale și care reprezintă pașii motorului.

Motorul pas cu pas mai prezintă proprietatea de a putea intra în sincronism față de impulsurile de comandă chiar din stare de repaus, funcționând fără alunecare iar frânarea se efectuează, de asemenea, fără ieșirea din sincronism. Datorită acestui fapt se asigură porniri, opriri si schimbări ale direcției bruște, fără pierderi de pași pe tot domeniul de lucru.

Viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată în limite largi prin modificarea frecvenței impulsurilor de intrare. Astfel, dacă pasul unghiular al motorului este 1,8° numărul de impulsuri necesare efectuării unei rotații complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvența de 400 impulsuri pe secundă turația motorului este de 120 rotații pe minut.

Motorul pas cu pas poate lucra pentru frecvențe între 1.000 si 20.000 pași / secundă, având pași unghiulari cuprinși între 180° si 0,3°.

1.2. Aplicații ale motoarelor pas cu pas

Aplicațiile motorului pas cu pas sunt limitate la situațiile în care nu se cer puteri mari (puteri uzuale cuprinse între domeniile microwaților si kilowaților).

Motoarele pas cu pas sunt utilizate în aplicații de mică putere, caracterizate de mișcări rapide, precise, repetabile: plotere x-y, unități de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante, acționarea mecanismelor de orientare si presiune la roboti, deplasarea axială a elementelor sistemelor optice, mese de poziționare 2D, pentru mașinile de găurit etc.

1.3. Avantajele și dezavantajele folosirii MPP

Avantaje :

asigură univocitatea conversiei numărului de impulsuri în deplasare și ca urmare pot fi utilizate în circuit deschis (buclă deschisă, fără măsurarea și reglarea automată a poziției unghiulare);

gamă largă a frecvențelor de comandă;

precizie de poziționare și rezoluție mare;

permit porniri, opriri, schimbări ale direcției fără pierderi de pași;

memorează poziția;

sunt compatibile cu comanda numerică.

Dezavantaje :

unghi de pas, deci increment de rotație, de valoare fixă pentru un motor dat;

viteză de rotație relativ scăzută;

putere dezvoltată la arbore de valoare redusă;

randament energetic scăzut;

1.4. Marimi 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 schimba direcția 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 și 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.

1.5. Construcția si funcționarea MPP

Din punctul de vedere al construcției circuitului magnetic sunt :

MPP cu magnet permanent (de tip activ);

MPP cu reluctanță variabilă (de tip reactiv);

MPP hibride.

1.5.1. MPP cu magnet permanent

Caracteristica motorului pas cu pas este construcția rotorului din magneți permanenți și polii dispuși radial. Statorul este alcătuit din două sau mai multe bobine.

Fiecare bobină, deși este o singură entitate, este împărțită în două. În figura 1 s-a notat bobina A cu A și A’, iar bobina B cu B și B’.

Figura 1. MPP cu magnet permanent.

Pentru a învârti rotorul se aplică tensiune pe fiecare bobină într-o anumită ordine și cu o anumită polaritate ca în figura 2.

Figura 2. Funționarea MPP cu magnet permanent.

Pentru îmbunătățirea rezoluției rotației rotorului sau pentru a scade unghiul pasului se crește numarul de perechi de poli ai rotorului (Figura 3.a) sau se adaugă mai multe bobine pe stator (Figura 3.b).

a)

b)

Figura 3. Metode de îmbunătățire a acurateței rotației motorului.

1.5.2. MPP cu reluctanță variabilă

Are atât statorul cât si rotorul prevăzute cu dinți uniform distribuiți, pe dintii statorului fiind montate înfășurările de comandă. Rotorul este pasiv. Fiecare înfășurare este alimentată separat pentru a crea o polaritate pe polul corespunzător al statorului. Rotorul se învârte pentru a minimiza reluctanța fluxului magnetic.

Pentru a învârti rotorul într-o anumită direcție, secvența de alimentare a înfăsurărilor statorului este invers față de cea folosită la motorul cu magnet permanent. Unghiul pasului este jumătate față de cel al unui motor cu magnet permanent cu același numar de înfășurări.

În figura 4. este alimentată pe rând câte o fază statorică. Rotorul se va deplasa în pași întregi iar unghiul de pas va fi de 60°.

Figura 4. Funționarea MPP cu reluctanță variabilă.

1.5.3. MPP hibrid

Acest tip de motor împrumută din caracteristicile motorului cu magnet permanent și ale motorului cu reluctanță variabilă. În cazul unui MPP hibrid, rotorul este constituit dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal, la ale cărui extremități sunt fixate două coroane dințate din material feromagnetic. Dinții unei coroane constituie polii nord, iar dinții celeilalte coroane, polii sud. Dinții celor două coroane sunt decalați spațial, astfel încât, dacă un dinte al unei coroane se găsește în dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealaltă coroană să se afle la jumătatea unghiului dintre doi dinți statorici .

Figura 5. Privire laterală a motorului hibrid cu rotorul scos.

În figura 6. este o privire frontală a motorului hibrid reasamblat. Tinând cont de diagrama din figură se observă că fiecare înfășurare încarcă patru poli statorici în acelasi timp.

polul sud al rotorului este de culoare verde

polul nord al rotorului este de culoare roșie

Figura 6. Privire frontală a motorului hibrid.

Aplicând tensiune pe fiecare înfășurare, se controlează direcția de rotație și deci polaritatea fiecărui pol statoric. În figura 7.a polii statorului A și A’ sunt perfect aliniați cu unul din dinții unei coroane a rotorului. Pe de alta parte polii B și B’ sunt la jumatatea dintelui atrăgând dintele unei coroane și respingând pe cel al celeilalte coroane.

Următorul pas în secvența de rotire a mororului schimbă direcția în înfășurarea A inversând tensiunea aplicată. Înfăsurarea B păstreaza direcția din starea anterioară. Polii statorici A și A’ sunt acum la jumătatea fiecărei coroane a rotorului, în timp ce polii B și B’ sunt perfect aliniați cu fiecare coroană (figura 7.b). Rotorul s-a rotit foarte puțin datorită construcției componentelor motorului hibrid.

În figurile 7.c și 7.d sunt reprezentați urmatorii doi pași din secvența de rotire a motorului.

a. b.

c. d.

Figura 7. Funționarea MPP hibrid.

Pasul motorului are un unghi de 1,8o. Acest lucru reprezintă o îmbunătățire importantă față de motorul cu magnet permanent. Rezoluția pasului poate fi îmbunătățită mai mult prin diferite tehnici de rotire.

1.5.4. Compararea celor trei tipuri de motoare pas cu pas

Comparând diferite aspecte ale celor trei tipuri de motoare se poate decide care din ele este mai potrivit pentru o anumită aplicație. Primul aspect este costul. Datorită procesului de fabricare al motorului cu magnet permanent, acesta este mai ieftin. Statoarele sunt fabricate cu ajutorul unor matrițe care suportă fier topit.

Motoarele cu reluctanța variabilă și cele hibride au un proces de fabricare mai complex datorită rotorului cu dinți. Rotorul este făcut din foițe subțiri de fier pentru a obține grosimea dorită. Acest proces este implementat pentru a reduce aparația curenților turbionari în rotor. Un proces similar este folosit la fabricarea transformatoarelor pentru surse de alimentare.

Dacă analizăm unghiul pasului, motoarele hibride și cele cu reluctanță variabilă pot atinge o rezoluție foarte bună datorită rotorului cu dinți. Motoarele cu magnet permanent sunt limitate fizic de numărul de perechi de poli pe care le pot avea.

La toate cele trei tipuri de motoare, cu cât viteza de rotație a rotorului crește, cu atât cuplul motorului scade. Cuplul motorului cu reluctanță variabilă este menținut mai mult față de cel al celorlalte două tipuri de motoare.

Motoarele cu reluctanță variabilă sunt, de obicei, mai zgomotoase decât celelalte.

1.6. Motoare pas cu pas unipolare și bipolare

Motoare cu magnet permanent și cele hibride se împart în două subcategorii:

unipolare

bipolare

Aceste două subcategorii sunt determinate de modul în care capetele fiecărei faze sunt scoase în afara motorului.

În figura 8.a. este prezentată o configurație bipolară. Fiecare capăt al unei înfășurări este scos în afară separat. Acest tip de înfășurare poate produce flux de curent în ambele direcții, în funție de ce tensiune și la ce capăt este aplicată. Acest lucru permite fiecărui pol al statorului sa fie magnetizat la nord sau sud.

Configurația unipolară (figura 8.b.) permite circularea curentului în jumătate de înfășurare odată. Fiecare înfășurare are un contact central care este scos în afara motorului, împreună cu firele de la fiecare înfășurare.

b.

Figura 8. Configurațiile bipolară și unipolară ale unui motor pas cu pas.

În cazul motorului unipolar contactul central este conectat la o sursă de tensiune pozitivă. Legând unul din capetele înfășurării A la masă, se permite curentului să circule în jumătate din înfășurare (figura 9.a). Acesta generează o polaritate în polii statorului și rotorul se învârte corespunzător.

La următorul pas se deconectează capătul înfășurării A de la masă si se conectează unul din capetele înfășurării B (figura 9.b.). Din nou, curentul circulă prin jumătate din înfășurare și polii corespunzători ai statorului sunt polarizați, iar rotorul se învârte corespunzător.

În figurile 9.c și 9.d sunt reprezentați urmatorii doi pași pentru ca rotorul să facă o rotație completă.

b.

c. d.

Figura 9. Funcționarea unui motor unipolar.

Motoarele bipolare permit curentului să circule în ambele direcții prin fiecare înfășurare. Aplicarea unei tensiuni la capătul A’ și legarea la masă a capătului A, generează un flux de curent care polarizează statorul ca în figura 10.a. Deconectând înfășurarea A de la tensiune și conectând capătul B’ la tensiune pozitivă și capătul B la masă, se generează un flux de curent. Polaritățile statorului vor fi ca în figura 10.b.

În figurile 10.c și 10.d sunt reprezentați urmatorii doi pași pentru ca rotorul să facă o rotație completă.

a. b.

c. d.

Figura 10. Funcționarea unui motor bipolar

1.6.1. Compararea motorului unipolar cu motorul bipolar

Motoarele unipolare permit circularea curentului doar prin jumătate de înfășurare, în timp ce motoarele bipolare permit circularea curentului în ambele direcții. Deoarece cuplul motorului este legat de curentul prin înfășurare, motoarele bipolare vor genera un cuplu mai mare față de cele unipolare.

Datorită faptului că înfășurările unipolare sunt mai subțiri față de cele bipolare, la cele din urmă este necesară mai multă sârmă, ceea ce crește rezistența înfășurării. Aceasta ar putea duce la pierderi mai mari de putere și la creșterea considerabilă a temperaturii înfășurării.

Folosirea unui motor bipolar necesită un circuit mai complex, crescând costul designului.

Deoarece motoarele unipolare au ambele capete ale înfășurărilor scoase în afară, le putem conecta în configurație bipolară, ignorând contactul central.