Studiul Comenzii Si Alimentarii Motorului Pas cu Pas Hibrid Bifazat
BIBLIOGRAFIE
[NUME_REDACTAT] – Echipamente de comandă a motoarelor pas cu pas implementate pe calculatoare personale; [NUME_REDACTAT] „[NUME_REDACTAT]” Târgu – Mureș 2002
[NUME_REDACTAT] – Comanda inteligentă a acționărilor electrice cu motoare pas cu pas; [NUME_REDACTAT] Cluj-Napoca 2007.
Kelemen A., Crivii M. – Motoare electrice pas cu pas; [NUME_REDACTAT], București 1982.
http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/
http://www.slideshare.net/CostelGxa/cap1-16249807
http://laurfb.site40.net/index_files/09%20-%20Cap%206%20-%20Motorul%20Pas%20cu%20Pas.swf
http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_13/5.html
http://ro.scribd.com/doc/56742332/1/INTRODUCERE-IN-INSTRUMENTA%C5%A2IA-VIRTUAL%C4%82
http://tcremel.free.fr/Image18.jpg
http://cs.engineering.upm.ro/Aquila/stud/Profesor/Oltean/Mod_sim/labor13.pdf
http://www.electronicstefan.ro/2012/01/ce-este-puntea-h/
CUPRINS
INTRODUCERE
Studiul actual referitor la posibilitațile de comandă ale motoarelor pas cu pas
CONSTRUCȚIA ȘI FUNCȚIONAREA MOTORULUI PAS CU PAS, ASPECTE TEORETICE
Prezentarea motoarelor pas cu pas
Particularități constructive ale motoarelor pas cu pas
Motorul pas cu pas cu magnet permanent
Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă
Motorul pas cu pas hibrid
Indici de performanță și terminologie ai motorului pas cu pas
MODELAREA ȘI SIMULAREA MOTORULUI PAS CU PAS
Modelarea matematică a motorului pas cu pas
Determinarea modelului ISO
Simularea in mediul Simulink a motorului pas cu pas
Simularea motorului pas cu pas în secvență simplă bipolară
Simularea motorului pas cu pas în secvență dublă bipolară
Simularea motorului pas cu pas în secvență mixtă bipolară
COMANDA ȘI ALIMENTAREA MOTOARELOR PAS CU PAS CU CIRCUITE INTEGRATE SPECIALIZATE
[NUME_REDACTAT] motoarelor pas cu pas
Comanda cu circuitul integrat L297
Comanda cu circuitul specializat L297/L298N
Comanda cu circuitele specializate L293E și L297
Comanda cu circuitele specializate L297 și L6210/L6203
STANDUL DIDACTIC LUCAS NUELLE
Prezentarea standului [NUME_REDACTAT]
[NUME_REDACTAT]-I SO4203-2A
[NUME_REDACTAT]-I SO4203-2B
Placa pentru experiment (SO4204-7W)
Prezentare generală a aplicației
Operarea interfeței
Fereastra de start
Meniul principal
Controlul motoarelor pas cu pas
Comanda cu pas întreg (full step)
Determinarea unghiului de pas
Detreminarea frecvenței maxime de funcționare a motorului pas cu pas
Determinarea frecvenței maxime de start a motorului pas cu pas
Controlul semnalelor în modul FULL (pas întreg)
Controlul semnalelor în modul HALF (jumătate de pas)
Controlui curentului (Chopper)
Comanda cu profil impus
Controlul poziției motorului pas cu pas
CONCLUZII
BIBLIOGRAFIE
CUPRINS
INTRODUCERE
Lucrarea “ Studiul comenzii și alimentării motorului pas cu pas hibrid bifazat (Stand didactic [NUME_REDACTAT]) prezintă modalitațile prin care se poate comanda și alimenta un motor pas cu pas în buclă deschisă.
Mi-am ales această temă pentru proiectul de diplomă deoarece acționările prin motoare pas cu pas sunt tot mai des întalnite în aplicațile industriale dar și în viața noastră de zi cu zi. Motoarele pas cu pas sunt folosite în aplicațile unde se dorește realizarea unei mișcări incrementale, fiind relativ ușor de interfațat cu sistemele numerice.
În lucrare se prezintă un sistem de acționare electrică realizat cu motor electric pas cu pas. Pentru studiul sistemului de acționare electrică există un stand experimental în laboratorul de Echipamente electronice de automatizare a [NUME_REDACTAT] Maior din [NUME_REDACTAT]. Acesta se compune din: motor electric pas cu pas hibird (MEPP), un controler (L297) și un driver de medie putere (L293E) pentru comanda motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0-5) V.c.c. pentru alimentarea driverului de comandă a motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0- 15) V.c.c. pentru alimentarea motorului electric pas cu pas si un calculator capabil să comunice prin portul Usb cu interfața standului. Pentru comanda motorului pas cu pas hibrid bifazat se folosește programul Labsoft, un produs al firmei [NUME_REDACTAT].
Lucrarea este strucurată în patru mari capitole în care se prezintă principalele noțiuni de interes despre motoarele pas cu pas.
Astfel în primul capitol se prezintă aspectele generale, construcția și funcționarea celor trei tipuri de motoare pas cu pas:
Motor pas cu pas cu magnet permanent
Motor pas cu pas cu reluctanță variabilă
Motor pas cu pas hibrid
În capitolul doi se prezintă modelarea si simularea motorului pas cu pas. S-au implementat trei scheme de simulare în mediul Matlab/Simulink și anume:
Simularea MPP alimentat în secvență simplă
Simularea MPP alimentat în secvență dublă
Simularea MPP alimentat în secvență mixtă
Capitolul trei dezbate mai multe posibilități de comandă ale motorului pas cu pas folosind circuite integrate specializate. Se prezintă diferite scheme electronice de comandă și alimentare ale motoarelor pas cu pas cu circuitele integrate L297, L298, L293E, L6203 și L6210. Principalele circuite integrate care se studiază sunt L297 și L293E deoarece cu aceste două componente este realizat și standul experimental de comandă a motorului pas cu pas hibrid bifazat.
În cele din urmă, în capitolul patru se prezintă standul experimental de comandă și alimentare al motorului pas cu pas și rezultatele experimentale în urma testărilor la care a fost supus echipamentul.
Studiul actual referitor la posibilitațile de comandă ale motoarelor pas cu pas
Dezvoltarea impetuoasă a electronicii, progresele tehnologice din ultimele decenii apariția circuitelor integrate pe scară largă VLSI, a microprocesoarelor,a microcontrolerelor și a circuitelor integrate specializate ASIC au determinat modificări profunde și au deschis noi posibilități controlului și comenzii în timp real a sistemelor de acționare electrică, in particular a acționărilor electrice cu motoare pas cu pas (MPP).
Motorul pas cu pas este singurul element de execuție având funcția de convertor electromecanic digital-analog (impuls-unghi). În felul aceste se explică de ce motorul pas cu pas, apărut prea timpuriu, încă din anii`30, a fost scos din uitare și introdus în tehnica modernă afirmându-se că motorul pas cu pas este motorul viitorului în multe sisteme de comanda și reglare, ca element de execuție.
Apariția microprocesoarelor, microcontrolerelor și a calculatoarelor personale a deschis noi posibilități controlului și comenzii în timp real al acționărilor electrice cu motoare pas cu pas. Prin utilizarea acestora, tehnologia acționărilor cu MPP a făcut un mare pas înainte. Principala direcție a cercetărilor actuale o constituie îmbunătățirea comenzii acționarilor prin încorporarea „inteligenței“. Introducerea ei în comanda acționărilor cu MPP permite implementarea în timp real a unor algoritmi sofisticați de reglare avându-se în vedere obținerea unor performanțe dinamice superioare chiar în prezența variației parametrilor și sarcinii, situații care apar în mod frecvent în aplicațiile industriale complexe.
Prin introducerea „inteligenței“ în comanda acționărilor electrice cu MPP, aceasta va prelua anumite funcții complexe efectuate manual de către factorul uman. În prezent, chiar și în acționările electrice de înaltă tehnologie, există operatori care trebuie să facă anumite reglări ale echipamentului de comandă, în același timp fiind necesare vizite periodice din partea personalului de întreținere pentru verificarea funcționării corecte a echipamentului mecanic și electric. Scopul introducerii „inteligenței“ în sistemele de acționare electrică este preluarea acestor sarcini, inclusiv a celor de supraveghere de către microcalculator, microprocesor sau microcontroler, care funcționează în mod continuu și care pot răspunde oricărei modificări. Aceste sisteme nu numai că primesc informații din proces dar totodată au capacitatea de a lua anumite decizii pe baza informațiilor primite și de a iniția acțiuni noi.
Din punctul de vedere al modului de prelucrare a informației binare se deosebesc două clase de sisteme logice: cablate, respectiv programate. Sistemele logice cablate prelucreaza informația exclusiv la nivel de bit, rezultatul prelucrării fiind direct legat de structura sa fizică sau legăturile existente între circuitele logice componente, adică de cablajul existent. Sistemele logice programate prelucrează informația la nivel de cuvânt stocat într-o memorie.
Față de sistemele cablate, cele programate sunt conceptual diferite pentru a reduce dependența funcțiunilor sistemului de tipul componentelor și de legăturile existente între acestea, în favoarea dependenței de conținutul unei memorii. Logica programată cuprinde diferite nivele de complexitate. Dacă accesul utilizatorului la memoria program este intermediată de un limbaj de nivel inferior, în conformitate cu codurile alese de proiectant sau impuse de fabricantul de sistem, avem de-a face cu o microprogramare, iar sistemele logice pe care se aplica acestea se numesc sisteme microprogramate. Caracteristic sistemelor microprogramate este faptul că programarea unei aplicații nu se poate separa de cunoașterea structurii fizice a sistemului (arhitectura internă) și de partea de legatură cu procesul (interfața). Din acest motiv microprogramarea, sau logica microprogramată, implică cunoștințe de circuite logice (hardware) si de programare (software). Dacă programarea depășește nivelul inferior, efectuându-se cu limbaj de nivel înalt, utilizatorul se îndepartează de structura sistemului logic (partea hardware), întrand în domeniul clasic al programării calculatoarelor (partea software). Alegerea între logica de cablaj, logica programată și nivelul ei trebuie să aibă în vedere tipul, complexitatea aplicației și viteza de execuție.
Viteza de execuție intra în discuție când procesul de condus este foarte rapid (are constante de timp foarte mici, specific acționărilor electrice). Circuitele logice cablate cu componente TTL, de exemplu, sunt mult mai rapide în ceea ce privește execuția unui algoritm de comandă decât sistemele programate. Factorul viteza de execuție este contraargumentul logicii cablate față de complexitatea implementării. În aplicații complexe care reclama și viteza mare de execuție, se poate lua în discuție o implementare combinată, în care partea programată rezolvă problemele de logică complexă prin soft, iar partea cablată rezolvă problemele care necesită timp de răspuns foarte rapid : achiziția și filtrarea datelor, conversii de cod, etc. și care implică și hardul adițional. În concluzie, un sistem de conducere în logica programată este delimitat de structurile cablate, pe de o parte, și de sistemele consacrate de calcul numeric (calculatoarele), pe de altă parte.
În aceste condiții, alegerea alternativei utilizării microcalculatorului apare justificată și oportună din urmatoarele considerente fundamentale:
motorul pas cu pas permite interfațarea directă la microprocesor (microcalculator) datorită structurii sale de convertor numeric analogic (impuls de comandă – pas de deplasare);
microprocesorul asigură realizarea simplă prin software a algoritmilor de comandă a motorului pas cu pas, cu un necesar minimal de hardware;
sistemul cu microprocesor are o remarcabilă flexibilitate conferită de posibilitatea modificării secvenței de lucru, în funcție de aplicația concretă, fără schimbări în structura standard a hardware-ului;
implementarea sistemului cu microprocesor se face ușor și rapid;
raportul performanță/preț de cost al unui asemenea sistem de poziționare este deosebit de favorabil.
Utilizarea sistemelor cu microprocesor în domeniul acționărilor electrice cu motoare pas cu pas se justifică nu numai din punct de vedere al complexității operațiilor și comenzilor necesare ci și dintr-o serie de alți factori cum sunt:
micșorarea timpului de răspuns a circuitelor de comandă, întrucât viteza de lucru a microprocesorului permite acest fapt și realizarea de circuite de acționare rapide;
creșterea preciziei și siguranței de lucru, prin folosirea unui sistem de calcul ca circuit de comandă;
flexibilitatea – posibilitatea extinderii numărului de elemente controlate, a efectuării de modificări sau corecții asupra funcției de comandă prin simpla schimbare a unui program și menținerea neschimbată a structurii hardware;
interfațarea mult mai ușoară cu semnale numerice;
asigurarea operațiilor de diagnosticare a funcționării echipamentului (se pot include și programe de test și autodepanare) grație controlului prefuncțional în cazul unor mărimi importante;
reducerea numărului de componente din circuitele de comandă, în situația în care prețul de cost al circuitelor integrate VLSI a scăzut simțitor; [1
CONSTRUCȚIA ȘI FUNCȚIONAREA MOTORULUI PAS CU PAS, ASPECTE TEORETICE
Prezentarea motoarelor pas cu pas
Motorul pas cu pas este un convertor electromecanic care realizează transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mișcare proportională a axului său. Mișcarea rotorului MPP constă din deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi egale și care reprezintă pașii motorului. Numărul pașilor efectuați trebuie să corespundă cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului. Deplasarea unghiulară totală, constituită dintr-un număr de pași egal cu numărul de impulsuri de comandă aplicat pe fazele motorului, determină poziția finală a rotorului. Această poziție se păstrează (este memorată) până la aplicarea unui nou impuls de comandă. Univocitatea conversiei impulsuri – deplasare, asociată cu memorarea poziției, fac din MPP un bun element de execuție, integrat in sistemele de reglare a poziției in circuit deschis. MPP 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 reversări bruște fără pierderi de pași pe tot domeniul de lucru [1][3]
Câteva dintre avantajele utilizării motorului pas cu pas sunt:
Rotația unghiulară a motorului este proporțională cu pulsul electric aplicat
precizie de poziționare si rezoluție foarte mare
memorarea poziției
fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcționare depinde de rulment
motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate
admit o gama foarte largă de frecvența de comandă
gamă foarte largă de viteze de rotație
Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație
Dezavantajele motorului pas cu pas:
unghi de pas de valoare fixă pentru un motor dat
viteză de rotație scazută
putere dezvoltată de arbore redusă
schema de comandă trebuie adaptata în funcție de tipul motorului folosit.
Rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar
Controlul greoi la viteze foarte mari
Dacă se utilizează un motor pas cu pas hibrid (MPPH) cu magnet permanent în rotor există câteva avantaje specifice:
randament ridicat datorită energiei înmagazinate in magnetul permanent al rotorului
dezvoltă un cuplu de fixare a rotorului chiar cu fazele nealimentate
funcționeaza la frecvențe mari de comandă
Principalele dezavantaje ale acetui tip de motor sunt:
performanțele motorului pot fi afectate în timp deoarece caracteristicile magnetului permanent se modifică
inerție mare a roturului
Particularități constructive ale motoarelor pas cu pas
Se disting în general trei mari categorii de motoare pas cu pas, clasificarea făcându-se după principiul lor de funționare:
motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă;
motoare pas cu pas cu magnet permanent;
motoare pas cu pas hibride (cu magnet permanent și reluctanță variabilă).
Motorul pas cu pas cu magnet permanent
Motorul pas cu pas cu magnet permanent funcționează la viteze relativ mici dezvoltând cupluri reduse, cu unghi de pas mari, de 45° sau 90°. Acest tip de motor poate fi soluția ideală pentru aplicațile neindustriale cum ar fi de exemplu poziționarea unei rotițe de imprimare a unei imprimante. În figura 2.2. este prezentat un motor pas cu pas cu un unghi de pas de 90° având 4 faze în stator (A-D). Alimentându-se succesiv cele patru faze, rotorul se va rotii în funție de modificările câmpului magnetic, adică își va modifica poziția pentru a se orienta după axa noii înfășurări, descriind un unghi numit unghi de pas θp. Rotorul se va orienta astfel încat direcția axei polilor sa coincidă cu direcția axei ale înfășurării. În această poziție atracția între polii rotorici si cei statorici este maximă. Pentru motoarele pas cu pas cu magnet permanent este necesară o secvența bipolară de alimentare, adică la fiecare ciclu de alimentare a unei faze trebuie inversată polaritatea tensiunii.
Relația dintr unghiul de pășire, dinții rotorului și dinții statorului este urmatoarea:
(1.1)
Unde: Ψ -pas unghiular
Ns-numărul de dinți pe stator
-numărul de dinți pe rotor
Fig. 2.1. Elementele componente ale unui MPP cu magnet permanent
Fig.2.2.Vedere secționată a motorului pas cu pas cu magnet permanent
Fig.2.3. Schema de principiu a MPP cu magnet permanent cu faza 1 alimentată și poziția de echilibru pentru faza 2
Principiul de funcționare a motorului pas cu pas cu magnet permanent este similar cu cel al motorului pas cu pas cu reluctanță variabilă, în acest caz însa rotorul fiind format dintru-un ansamblu de magneți permanenți cu doua sau mai multe perechi de poli distribuiți. La alimentarea oricărei dintre fazele motorului, rotorul se va rotii în sensul obținerii unei stări de echilibru cu unghiul θ (Fig.2.3), poziție determinată de alinierea polilor magnetului permanent cu linile de câmp electromagnetic generat de înfăsurarea statorică. Specific acestei variante de motor pas cu pas este faptul că menținerea poziției de echilibru este realizată automat de câmpul generat de magnetul permanent, care contribuie și la amortizarea rapidă a oscilaților apărute la păsire (frânare magnetică). Pentru precizie mare la poziționare este necesar ca rotorul să fie prevăzut cu un număr crescut de perechi de poli. Motoarele pas cu pas cu un unghi de pas de 30º cum este si cel prezentat în figură, sunt mai rar folosite. Cele mai utilizate sunt cele cu pași inferiori de 3.6 º, 1.8 º, 0,72 º datorită preciziei si posibilitaților crescute de acționare. În funcție de tipul alimentării a înfăsurărilor statorice motorul cu magnet permanent se pot clasifica în motoare pas cu pas cu înfășurări unipolare sau bipolare.[6] [7]
Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă
Motorul pas cu pas cu relutanța variabilă mai poartă denumirea de motor pas cu pas de tip reactiv, iar motorul pas cu pas cu magnet permanent respectiv motorul pas cu pas hibrid mai poarta denumirea de motoare pas cu pas de tip activ. Motorul cu reluctanță variabilă este alcătuit dintr-un rotor și un stator, fiecare cu număr diferit de dinți. Rotorul motorului este din fier, cu proeminențe pe suprafața exterioară. Acest tip de motor este util în aplicații neindustriale, care nu necesită un cuplu ridicat, cum ar fi poziționarea unui micro-slide. Pentru analiza construcției și funcționării motorului pas cu pas cu reluctanță variabilă vom considera cazul unui motor cu poli aparenți, cu trei înfășurări conectate conform Fig.2.6.(conexiunea stea) în care terminalul comun C este conectat la masă. Alimentând secvențial câte o înfășurare la un moment dat, rotorul se va poziționa astfel încât reluctanța magnetică a circuitului să fie minimă(în exemplu, alimentând faza 1 poziția rotorului va fi cea indicată in Fig.2.7). Alimentând faza 2, rotorul se va deplasa cu 30º corespunzând alinierii axei B-B’ cu axa polilor statorici corespunzătoare fazei 2 (Fig.2.6). Repetând secvența de comandă cu o anumită frecvență de repetiție se obține o mișcare de rotație incrementală (discretă), continuă. Inversând succesiunea de alimentare a fazelor de la 3 la 1, se inversează sensul de rotație al rotorului motorului. În cazul motoarelor pas cu pas cu reluctanță variabilă trebuie avut în vedere și asigurarea menținerii poziției în lipsa semnalului de comandă, lucru realizat prin diferite procedee mecanice de cele mai multe ori frânare electromagnetică. Acest dezavantaj nu apare la motoarele pas cu pas cu magnet permanent la care menținerea poziției se realizează automat datorită câmpului magnetic. Practic la aplicarea unui impuls de comandă, cuplul motor va trebui sa fie cel puțin egal cu cuplul util de sarcină plus cuplul rezistent.
Fig. 2.4. Motor pas cu pas cu reluctanță variabilă
Fig.2.5. Secține MPP cu reluctanță variabilă
Fig.2.6. Secvența de alimentare a fazei 1 și poziția corespunzătoare rotorului
Fig.2.7. Secvența de alimentare a fazei 1 și poziția corespunzătoare a rotorului
Motorul pas cu pas hibrid
Motorul pas cu pas care combină atât trăsăturile celui cu magnet permanent, cât și ale celui cu reluctanță variabilă, este cunoscut și sub denumirea de motor pas cu pas hibrid (MPPH). Acest tip de motor este caracterizat de existența rotorului dublu, care se compune din două secțiuni dințate decalate una față de alta cu jumatate de pas dentar, acestea fiind montate pe un magnet permanent ce produce o magnetizare radială. În figura 2.8 se prezintă o vedere secționată a motorului pas cu pas hibrid, părțile componente putându-se identifica ușor. Motoarele pas cu pas cu magnet permanent si reluctanță variabilă sunt cele mai utilizate în aplicațile industriale. Tipurile cele mai cunoscute de MPP hibride fiind cele care au în componența sa un stator și doua rotoare. Pasul unghiular θs al motorului pas cu pas se calculează cu relația:
(1.2)
unde m reprezintă numărul de faze ale statorului, iar Nr reprezintă numărul dinților rotorici
Fig.2.8. Motor pas cu pas hibrid
Fig.2.9. Vedere secționată a motorului pas cu pas hibrid
Indici de performanță și terminologie ai motorului pas cu pas
Majoritatea parametrilor caracteristici ai sistemelor de reglare echipate cu MPP se referă la caracteristica cuplu/frecvență, mai rar la datele referitoare la puterea utilă. Acești parametri se pot grupa în două categorii:
date caracteristice în raport cu o frecvență de lucru fixă; aceste date se referă la cupluri
date caracteristice în raport cu un cuplu rezistent aplicat pe arborele motorului, în acest caz datele se referă la frecvența impulsurilor de comandă.
Se vor prezenta în continuare câteva dintre cele mai reprezentative date caracteristice ale sistemelor de acționare cu MPP.
Unghiul de pas – unghiul existent între două poziții adiacente ale rotorului față de stator, unghi cu care se deplasează rotorul la aplicarea unui impuls de comandă. Acest unghi este o constantă pentru un motor dat și el depinde de construcția motorului și de tipul secvenței de alimentare a înfășurărilor lui
Cuplul de menținere pasiv– cuplul maxim care poate fi aplicat pe arborele motorului nealimentat, fără a-i cauza o rotație continuă;
Deviația – mărimea instantanee a unghiului cu care se deplasează rotorul față de poziția fixă atunci când motorul este alimentat și i se aplică pe arbore un anumit cuplu; este un indice de care depinde precizia de efectuare a pasului pentru un motor dat.
Cuplul de menținere activ– cuplul maxim care poate fi aplicat pe arborele motorului alimentat, fără a-i cauza o rotație continuă; este un indice general valabil pentru orice tip de motor pas cu pas și se mai numește și cuplu maxim sincronizant.
Suprareglarea– amplitudinea maximă a oscilațiilor în jurul poziției finale a rotorului, la ultimul impuls de comandă primit de motor.
Frecvența maximă de mers în gol– frecvența maximă a impulsurilor de comandă pe care motorul poate urmări fără pierderi de pași, având arborele în gol.
Frecvența maximă start stop în sarcină – frecvența maximă a impulsurilor de
comandă la care motorul poate porni, opri sau reversa fără pierderi de pași, având aplicat la arbore un cuplu rezistent și un moment de inerție date.
Frecvența maximă de mers în sarcină – frecvența maximă a impulsurilor de
comandă pe care poate urmări motorul fără pierderi de pași, având aplicat la arbore un cuplu rezistent și un moment de inerție date.
Cuplul maxim de start-stop– cuplul rezistent maxim aplicat pe arborele motorului,
la care acesta poate porni, opri, reversa fără pierderi de pași la o frecvență dată a impulsurilor de comandă și la un moment de inerție dat.
Cuplul maxim de mers – cuplul rezistent maxim aplicat pe care îl poate învinge motorul fără pierderi de pași, urmărind o fercvență de comandă dată și având la arbore un moment de inerție dat.
Frecvența de pas– numărul de pași efectuați de rotorul motorului în unitate de timp; coincide cu frecvența impulsurilor de comandă.
Viteza unghiulară– o mărime dependentă de frecvența de pas și de unghiul de pas.
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.
MODELAREA ȘI SIMULAREA MOTORULUI PAS CU PAS
Modelarea matematică a motorului pas cu pas
În acest capitol se prezintă modelarea și simularea unui motor pas cu pas cu magnet permanent folosind pentru simulare mediul Simulink.
Modelarea și simularea unui motor pas cu pas (MPP), care reprezintă un sistem electromecanic, este de mare interes datorită aplicațiilor de poziționare la care este folosit. Cele mai întâlnite utilizări ale acestora sunt la imprimante, mașini de scris, ceasuri, poziționări în spațiu de antene, oglinzi, telescoape, etc. Motoarele pas cu pas sunt simple și pot fi folosite în sisteme automate atât în buclă închisă cât și în buclă deschisă.
Fig.3.1. Motor pas cu pas bifazat cu magnet permanent
Statorul motorului pas cu pas este alcătuit din patru poli aparenți pe care sunt dispuse două bobine de comandă (pe două axe) formând cele două faze, și un rotor cu magnet permanent cu o pereche de poli magnetici (N-S). Prin alimentarea primei înfășurări de comandă (faza 1) cu o tensiune continuă are loc formarea unui dipol magnetic statoric, iar rotorul se va orienta astfel încât atracția dintre polii statorici și cei rotorici să fie maximă. Dacă, de exemplu faza unu devine inactivă (înfășurarea este nealimentată) și se alimentează cea de-a doua fază, rotorul se va roti cu 90º. Efectul de rotație este păstrat dacă noua cuplare a fazei unu și apoi a fazei doi se va face cu polaritate inversă. Deci se observă că o rotație completă se realizează în acest caz prin patru pași (patru secvențe simple), iar înfășurările de comandă (bobinele) sunt alimentate, în situația de față, bipolar prin trenuri de impulsuri.[10]
În cazul general numărul de pași efectuați pentru o rotație completă se calculează cu formula :
(2.1)
; (2.2)
(2.3)
În care:
– tensiunile de alimentare ale fazelor unu si doi ;
– curenții ce trec prin fazele 1,2 ;
– fluxurile totale prin fazele 1,2 ;
r- rezistivitatea fiecărei faze;
– cuplu rezistent dat de sarcină (dacă există);
J- momentul de inerție total redus la arborele motorului pas cu pas considerat constant
– coeficientul frecării vâscoase, constant;
– poziția unghiulară (unghiul mecanic instantaneu al motorului);
– unghiul electric instantaneu al motorului;
– viteza unghiulară mecanică;
Relația de legătură dintre unghiurile electric și mecanic este:
(2.4)
Pentru simularea sistemului în mediul Simulink este necesară determinarea modelului ISO sau IO al motorului pas cu pas , prin dezvoltarea relațiilor de echilibru electromecanic relația (2.2) și (2.3)
Astfel, pentru relațiile de echilibru electric, de tensiune, avem nevoie de fluxul printr-o fază. Acesta este compus din fluxul produs de toți curenții fazelor și de fluxul magnetului permanent din rotor.
(2.5)
Unde fluxurile create de magnetul permanent în cele două faze depind de numărul de dinți rotorici n.
Dacă se consideră inductivitățile proprii înfășurărilor de comandă egale între ele, notate cu și pe cele mutuale deoarece cele patru bobine statorice sunt deplasate intre ele cu 90° electrice, relația (2.5) devine :
(2.6)
(2.7)
Înlocuind relațiile (2.6) și (2.7) și , în ecuațiile lui Kirckhoff, rezultă cele două ecuații de tensiune:
(2.8)
(2.9)
Ecuațiile diferențiale de ordin unu pentru curenții din fazele 1 și 2 devin:
(2.10)
(2.11)
Din punct de vedere mecanic cuplul electromagnetic motor se obține ca derivata energiei mecanice, iar energia mecanică se obține din legea conservării energiei.
(2.12)
(2.13)
Relațiile (2.13) și se înlocuiesc în ecuația echilibrului mecanic, pentru a obține ecuația diferențială de ordin unu a vitezei unghiulare mecanice:
(2.14)
(2.15)
(2.16)
Determinarea modelului ISO
Se scriu relațile (2.10), (2.11), (2.15) și (2.16) sub formă matricială lucru ce va duce la un sistem de ecuații diferențiale care descrie comportamentul sistemului electromecanic.
Relația (2.17) este imposibil de interpretat în mediul Simulink cu matrici de sistem în modul clasic, impunându-se folosirea unui bloc special de descriere S-Function, sau descompunerea sistemului complex întreg în sublocuri de funcții de transfer. Cea de-a doua variantă a fost aleasă pentru simulare.[10]
(2.17)
Astfel, se aplică ecuațiilor diferențiale de ordin unu o transformare Laplace și rezultă:
(2.18)
(2.19)
Cuplul total la arborele motorului pas cu pas este dat de legea de echilibru al cuplurilor:
(2.20)
Unde : este momentul de inerție al sarcinii, considerat constant și se calculează după relația:
(2.21)
y- lungime de transport ;
– masa sarcinii;
– coeficient de frecare vâscoasă al sarcinii (0.00005Nns/rad);
Datorită raportului de distribuție egal, unghiul mecanic al sarcinii este identic cu cel mecanic al motorului și lungimea de transport se calculează cu relația:
(2.22)
k-raza roții
În final cuplul rezultant devine :
(2.23)
Simularea in mediul Simulink a motorului pas cu pas
Simularea motorului pas cu pas în secvență simplă bipolară
Pentru motor se folosesc următoarele valori: rezistivitatea pe fază de 1.68 Ω, inductivitatea pe fază de 0.0057 H, fluxul creat de magnet permanent de 0.0064 Nm/A, coeficientul de frecare vâscoasă de 0.000074 Nms/rad și momentul de inerție de 0.000024 kgm2. [10]
Se fac simulările pentru n=2 poli rotorici.
În programul principal Matlab se introduce numarul de poli magnetici (n) doriți pentru care se vor face simulările cu ajutorul schemei simulink din figura 3.2.
Fig.3.2. Schema bloc a motorului pas cu pas cu două faze statorice
Pentru comanda motorului pas cu pas se folosește un generator de impulsuri dreptunghiulare, care să asigure o alimentare în secvență bipolară simplă cu formele de undă din figura:
Fig.3.3. Generatorul de impulsuri și tensiunile de alimentare Ua și [NUME_REDACTAT] n=2 (două perechi de poli magnetici rotorici) și două faze statorice, poziția unghiulară mecanică și viteza unghiulară mecanică sunt cele din figura 3.4. și 3.5.
Fig.3.4. Evoluția poziției unghiulare
Fig.3.5. Evoluția vitezei unghiulare mecanice
Se observă că în 8 pași (pentru n=2 poli rotorici) , un pas este egal cu 45° se realizează o rotație completă. Mărirea numărului de poli magnetici la 4 de exemplu, duce la scăderea duratei regimului tranzitoriu după fiecare pas al motorului, dar și la micșorarea pasului, la valoarea de 22.5º.
Fig.3.6. Curentul prin faza 1
Fig.3.7. Curentul prin faza 2
Cuplul electromagnetic motor dezvoltat de motor în lipsa unei sarcini este cel din figura 3.8. În evoluția sa se observă prezența oscilațiilor la fiecare pas efectuat urmată de o amortizare a acestor oscilații.
Fig. 3.8. Evoluția cuplului motor [NUME_REDACTAT] motorului pas cu pas în secvență dublă bipolară
Pentru comanda motorului pas cu pas se folosește un generator de impulsuri dreptunghiulare, care să asigure o alimentare în secvență bipolară dublă cu formele de undă din figura 3.9.
Fig.3.9. Tensiunile de alimentare Ua și [NUME_REDACTAT] observă că pentru secvența dublă defazajul dintre cele doua tensiuni ale fazelor Ua și respectiv Ub este de 90°
Fig.3.10. Curentul prin faza 1
Fig.3.11. Curentul prin faza 2
Fig.3.12. Evoluția vitezei unghiulare mecanice
Fig.3.13. Evoluția poziției unghiulare
Fig. 3.14. Evoluția cuplului motor [NUME_REDACTAT] motorului pas cu pas în secvență mixtă bipolară
La fel ca și în cazul simulării funcționării motorului pas cu pas în secvență simplă și dublă se va simula comportamentul motorului alimentat în secvență mixtă.
[NUME_REDACTAT] pentru simulare va rămâne aceiași , modificăndu-se doar formele de undă ale tensiunilor de pe cele două faze.
Fig.3.15. Formele de undă ale tensiunilor de alimentare
pentru secvență mixtă, bipolară
Fig.3.16. Evoluția vitezei unghiulare mecanice în secvență mixtă
Fig.3.17. Evoluția poziției unghiulareîn secvența mixtă
Fig.3.18. Curenții prin cele două faze
Fig. 3.19. Evoluția cuplului motor Cm în secvență mixtă
COMANDA ȘI ALIMENTAREA MOTOARELOR PAS CU PAS CU CIRCUITE INTEGRATE SPECIALIZATE
[NUME_REDACTAT] general sistemele de acționare pot fi descompuse în: dispozitivul mecanic, este cel care este acționat cu ajutorul motorului(servo sau motor pas cu pas de exemplu) cu feedback sau nu (în general aplicațiile cu motoare pas cu pas nu sunt cu buclă de control în schimb aplicațiile cu motoare de curent alternativ, de curent continuu sau brushless, au nevoie pentru controlul mișcării de buclă de reacție) care permite unității de control, să genereze semnal corespunzător pentru driver sau amplificator. Sistemele tradiționale de control a mișcării utilizează tehnologia PLC care este o parte a unui sistem complex hardware și software. Sistemele mai noi folosesc doar PC pentru realizarea controlului,avantajele acestui tip de control sunt evidente, PC-ul oferă vizualizarea ușoară a datelor de intrare/ieșire, manipularea ușoară a datelor, capacitate mare de stocare a datelor.
Conducerea sistemelor de acționare cu motoare pas cu pas înseamnă în termeni generali, controlul mișcării, dar în termeni electronici înseamnă controlul precis al mișcării unui obiect bazându-se fie pe poziție, viteză, sarcină, inerție sau o combinație a tuturor acestor factori. Această lucrare este dedicată studiului motorului pas cu pas, din punct de vedere al conducerii acestuia, dar în practică acesta este întotdeauna parte componentă a unui sistem de acționare, deci conducerea motorului înseamnă defapt conducerea sistemului de acționare.
În principiu, un sistem de acționare cu motor pas cu pas conține trei elemente de bază: controller, driver (amplificator) și motor, care uneori sunt combinate cu diferite dispozitive de interfață cu utilizatorul cum ar fi calculatorul personal, PLC sau un simplu terminal de introducere a datelor (format dintr-un LCD și o tastatură care generează semnalele necesare începerii sau terminării unor procese comandate de controller).
Despre calculatorul personal trebuie menționat doar faptul că putem folosi intrările calculatorului, portul serial, portul paralel, portul USB, portul FireWire sau plăci de achiziție speciale care pot comanda sau supraveghea până la 65536 (256×256) de procese simultan.
Despre PLC ([NUME_REDACTAT] Controller) sau ELP în limba română, Echipament cu [NUME_REDACTAT] putem spune că a reprezentat un salt imens de la echipamentele cu logică cablată. Astfel, schemele electrice clasice pot fi reprezentate sub forma unor scheme logice.
Funcțiile logice ce intră în componența acestor scheme logice pot fi reprezentate prin expresii algebrice obținându-se o implementare mai avantajoasă a funcțiilor unui circuit de comandă.. Expresiile algebrice ale schemelor logice se pot constitui într-un program care trebuie executat de circuitul de comandă. Acest program poate fi păstrat într-o memorie electronică de unde este apelat și executat folosind posibilitățile oferite de microprocesoare și circuitele lor anexe. Având în vedere faptul că funcțiile pe care le execută echipamentul sunt stabilite prin programarea și la nevoie reprogramarea (chiar repetată) a memoriei electronice, aceste echipamente de comandă sunt denumite echipamente cu logică programată.
Părțile principale ale unui echipament cu logică programată sunt:
Interfețele de intrare/ieșire
Unitatea centrală conținând memoria
[NUME_REDACTAT] de tact
[NUME_REDACTAT] de temporizare
Echipamentul de programare
Fig.4.1. Schema bloc a unui echipament cu logică cablată
Fig.4.2. Schema bloc pentru comanda unui motor pas cu pas bipolar
Astfel, primul element, Controller-ul, este în esență un microprocesor care este capabil să genereze impulsuri pentru pășire în secvența necesară driver-ului pentru a alimenta bobinele motorului. Și controller-ele pot fi împărțite în trei categorii: controller-e de nivel inferior (low level controller), care au doar funcțiile de bază în conducerea sistemelor de acționare cu motoare pas cu pas, controller-e de nivel mediu (mid level controller) care au și funcții speciale cum ar fi modul de pășire “jumătate de pas” și micropășirea și controller-e de nivel înalt(high level controller), care pe lângă modul de pășire “jumătate pas cu pas” și micropășire cu diferite rapoarte 1/8, 1/32 și cele mai performante 1/256, au și posibilitatea de a interacționa cu diferite elemente de control encoder-e, traductoare sau senzori. În ultimul timp, progresul tehnologic a dus la scăderea prețurilor pentru microcontrollere programabile, care datorită posibilităților aproape nelimitate de programare au început să preia rolul controller-ului în unele aplicații speciale cu scară mică de integrare, totuși nu este justificat faptul de a înlocui toate controller-ele clasice cu microcontoller-e deoarece costul unui microcontroller este totuși mai mare ca al unui controller de clasă medie. De asemenea, un microcontroller poate înlocui cu succes un ansamblu PC sau PLC și controller, el preluând funcțiile acestor echipamente datorită posibilităților sale de comunicare serială datorită și posibilității de stocare a programului control.
Al doilea element este driver-ul sau amplificatorul. Se folosește denumirea de driver pentru că este termenul utilizat în documentația de specialitate, care are rolul de a converti semnalele primite de la controller în semnale (curent și tensiune) pentru energizarea bobinelor motorului. Astfel, este nevoie de un puls energetic de la amplificator pentru ca motorul se execute un pas fizic, o deplasare a rotorului cu un pas unghiular. Performanțele motorului, viteza sau momentul sunt direct dependente de amplificator (pentru a obține cupluri maxime sau viteze mari este nevoie de curenți mari, totuși nu peste limita maximă admisibilă a motorului). Există mai multe tipuri de amplificatoare cu diferite rapoarte de amplificare a semnalului în funcție de motorul comandat. De precizat că motorul pas cu pas, în funcție de tipul său necesită un anumit tip de driver (amplificator), în caz contrar neputând funcționa corect (de exemplu motorul pas cu pas bipolar are nevoie de circuite speciale care permit schimbarea polarității la bornele de acces ale unei bobine a motorului pentru a permite schimbarea direcției de deplasare. Driver-ul sau circuitul de amplificare are de îndeplinit două roluri importante:
Să schimbe direcția curentului și fluxului în bobinele motorului;
Să poată genera prin bobine curentul necesar și să aibă un timp de comutație mic între momentele de alimentare a bobinelor pentru o bună performanță în obținerea accelerației și/sau vitezei dorite.
Există mai multe tipuri de driver-e, cum este menționat și mai sus, pentru fiecare tip de motor: unipolar sau bipolar. Realizarea pășirii la motoarele pas cu pas necesită o schimbare a direcției fluxului independent în fiecare fază. Schimbarea sensului fluxului se realizează prin schimbarea sensului curentului și poate fi realizat în două moduri: bipolar sau unipolar. Modul de conducere bipolar se bazează pe principiul că schimbarea direcției curentului printr-o bobină se realizează prin schimbarea polarității la bornele bobinei. Pentru schimbarea polarității la bornele bobinei este nevoie de o punte H formată din patru întrerupătoare. Metoda de conducere bipolară necesită o bobină pe fază. De exemplu un motor cu 2 faze va avea două bobine și deci 4 borne de acces.
Al treilea element este motorul pas cu pas care este prezentat în capitolele anterioare aici menționând doar faptul că acesta este un dispozitiv electromecanic care transformă impulsurile electrice primite de la amplificator în mișcare mecanică de rotație a arborelui (rotorul motorului).
Deși și PC-ul poate fi numit controller, cu soft-ul adecvat el putând comanda cu ajutorul unui driver orice tip de motor pas cu pas, ne vom referi cu denumirea de controller, doar la circuitele integrate specializate care generează semnalele necesare pentru a face un motor pas cu pas să realizeze o mișcare, bineînțeles cu ajutorul driver-ului.
Alimentarea motoarelor pas cu pas
Motoare cu magnet permanent și cele hibride se împart în două subcategorii:
Motoare unipolare
Motoare bipolare
Aceste două subcategorii sunt determinate de modul în care capetele fiecărei faze sunt scoase în afara motorului.
În figura 4.3.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 4.3.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.
Fig.4.3 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 4.4.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 4.4.b.). Din nou, curentul circulă prin jumătate din înfășurare și polii corespunzători ai statorului sunt polarizați, iar rotorul se învârte corespunzător.
În figurile 4.4c și 4.4d sunt reprezentați urmatorii doi pași pentru ca rotorul să facă o rotație completă.
Fig.4.4. 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 4.4.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 4.4.b.
În figurile 4.4.c. și 4.4.d. sunt reprezentați urmatorii doi pași pentru ca rotorul să facă o rotație completă.
Fig.4.5. Funcționarea unui motor 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.
Principal, fazele MPP se alimentează cu impulsuri de curent de amplitudine constantă, care se comută de pe o fază pe alta, în ritmul unui semnal de tact de comandă. Există mai multe modalități de alimentare a fazelor MPP:
comandă potențială sau prin impulsuri;
comandă monopolară sau bipolară;
comandă simetrică (simplă sau dublă) sau nesimetrică (mixtă).
Un circuit concret de alimentare a fazelor unui MPP asigură realizarea simultană a 3 – câte una de tip 1, una de tip 2 și una de tip 3 – dintre cele șase modalități de comandă prezentate mai sus. Comanda potențială se referă la durata alimentării unei faze, în raport cu durata între cele două tacturi de comandă 1/f, fiind frecvența de comandă a MPP. Dacă durata alimentării unei faze este cel puțin egală cu 1/f, atunci comanda este potențială. În acest caz, durata aplicării tensiunii pe o faza variază invers proporțional cu frecvența. Dacă durata alimentării este constantă și întotdeauna mai mică decât 1/f, atunci este vorba de o comandă prin impulsuri. Deși majoritatea schemelor de comutație a fazelor MPP sunt cu comandă potențială, s-a consacrat denumirea de comandă prin impulsuri, probabil datorită formei de variație în timp a tensiunilor de alimentare. Comanda monopolară asigură un singur sens al curentului prin fiecare înfășurare a motorului, în tot timpul funționării. Comanda bipolară determină ca, pe parcursul unui ciclu complet de comenzi aplicate înfășurărilor, sensul curentului prin fiecare înfășurare să se schimbe succesiv.
MPP efectuează un pas in momentul în care se schimbă sensul curentului, înversându-se sensul fluxului.
În general, comanda unui MPP se face printr-un dispotitiv electronic de putere care alimentează secvențial înfășurările fazelor motorului. Sensul de distribuție a alimentării, tipul secvenței, precum și frecvența de comutare a înfășurărilor sunt realizate prin prelucrare logică secvențială cu circuite integrate digitale, în timp ce forma curentului în fazele motorului se realizează printr-un etaj de comutație statică forțată. Rolul acestui dispozitiv este de a prelua semnale logice de comandă de obicei TTL sau CMOS a le distribui secvențial într-un număr de combinații egal cu numărul fazelor motorului pas cu pas, a le amplifica și apoi de a le aplica fazelor motorului.[1]
Comanda cu circuitul integrat L297
Circuitele integrate dedicate simplifică mult comanda și alimentarea unui motor pas cu pas. Comanda acestuia cere mai multe semnale digitale de comandă separate. În 95% din aplicații, aceste comenzi digitale se generează cu sisteme cu microprocesor. În cel mai simplu caz, o secvență de control cu pas întreg consta din numai două semnale dreptunghiulare în cuadratură. Situația se complicată în cazul comenzii pe jumătate de pas sau în micropășire. Deoarece toate semnalele de comandă, în fiecare mod de operare sunt în relații de interdependență, le putem genera de la un mod de operare la altul cît mai simplu și eficient, implementarea poate fi scumpă și voluminoasă, de aceea în zilele de azi, soluția este utilzarea circuitelor integrate dedicate (specializate)[1][2].
Un circuit tipic care satisface aceste cerințe este controllerul L297 (SGS-Thomson).
Deoarece în aplicația practică ce însoțește această lucrare am folosit controller-ul de
clasă medie L297 , în continuare sunt prezentate caracteristicile acestui controller, care de altfel se întâlnesc la majoritatea controller-elor de clasă medie.De ce un controller? Pentru că permite conducerea motorului în modul de pășire normal, în modul de pășire “jumătate de pas”, permite schimbarea direcție de rotire (în sens orar și în sens antiorar),
reglarea curentului prin comutație, necesită puține componente externe. Acestea sunt câteva motive esențiale în alegerea unui controller pentru a conduce o acționare cu motor pas cu pas. L297 este un controller construit pentru a se utiliza împreună cu L298N sau L293E pentru a comanda un motor pas cu pas bipolar, sau cu 4 tranzistoare darlington pentru a comanda un motor pas cu pas unipolar. Primește semnalele de intrare de la un PC sau un microcontroller de sistem și în funcție de semnalele primite la intrare generează semnalele de conducere la ieșire necesare motorului să execute mișcarea dorită. Adițional include și două circuite PWM care au rolul de a regla curentul prin bobine. L297 poate comanda două motoare bipolare cu două faze, un motor unipolar cu patru faze sau un motor cu reluctanță variabilă cu patru faze. Există două versiuni de L297, cea standard, folosită și în aplicația practică și o ediție specială numită L297A, acesta din urmă fiind construit special pentru aplicațiile de poziționare a capului de citire la floppy-disk-uri. Avantajele oferite de o combinație formată dintr-un controller L297 și un driver sunt evidente: sunt necesare foarte puține componente, deci și costurile de producție sunt reduse, de asemenea spațiul necesar este mic, software-ul necesar este ușor de realizat și de implementat folosind în cazul microcontroller-elor puțină memorie. Circuitul L297 generează semnale de comandă pentru un motor bipolar cu două faze sau unipolar cu patru faze. Motorul poate fi comandat cu secvență simplă, dublă sau mixtă. El are încorporat două choppere PWM, care permit controlul curentului în înfășurările motorului. Avantajul utlizării acestui circuit este că necesită din exterior numai semnalele de TACT, SENS și MOD. Deoarece semnalele de comandă ale fazelor motorului sunt generate intern, sarcina microprocesorului și a programatorului este mult ușurată. Montat într-o capsulă de plastic cu 20 de pini, poate fi utilizat în configurații cu etaje de putere, în general în circuite monolitice de comandă în punte H ca L298N; L293E; L6201; L6202; L6203 sau tranzistoare discrete (asigură 20mA în acest scop la ieșire). Combinația L297 + driver conferă câteva avantaje : sunt necesare foarte puține componente externe (astfel costul de asamblare este mic), fiabilitate ridicată, spațiul mic ocupat, softul utilizat pentru comandă mai simplificat. În figura 4.6 este prezentată capsula circuitului L297, iar semnificația pinilor este urmatoarea:
Fig.4.6. Capsula controlerului L297
SYNC – ieșirea oscilatorului chopper intern. Pentru a sincroniza toate circuitele L297 din schemă pinii SYNC se leagă împreună, iar componentele externe ale oscilatorului se montează numai pentru un circuit. Dacă se utilizează un generator de tact extern, semnalul de tact extern se aplică la acest pin;
GND – pin de masă;
HOME – ieșire open collector care indică starea inițială (ABCD=0101);
A – semnal de comandă a fazei A pentru etajul de putere;
INH1 – semnal de inhibare a fazelor A și B;
B – semnal de comandă a fazei B pentru etajul de putere;
C – semnal de comandă a fazei C pentru etajul de putere;
INH2 – semnal de inhibare a fazelor C și D;
D – semnal de comandă a fazei D pentru etajul de putere;
ENABLE – validare circuit. Când este zero INH1, INH2, A, B, C, D sunt puse la zero;
CONTROL – intrare care stabilește acțiunea chopperului. Când este în zero se choppează INH1, INH2, când este în unu se choppează pe liniile A, B, C, D;
Vs – pin de alimentare +5V;
SENS2 – intrare pentru sesizarea curentului din fazele C și D de la etajul de putere;
SENS1 – intrare pentru sesizarea curentului din fazele A și B de la etajul de putere;
Vref – tensiune de referință pentru circuitul chopper. Tensiunea aplicată pe acest terminal determină curentul de vârf;
OSC – o rețea RC (R la Vcc, C la masă) conectată la acest terminal determină frecvența de choppare. În cazul in care avem mai multe circuite L297 se utilizează terminalul de la un singur circuit, restul se pun la masă. Frecvența circuitului oscilant se calculează cu relația: f=1/(0,69RC), R>10KΩ;
CW/CCW – selecție sens de rotație (CW – orar, CCW – antiorar). Sensul fizic de rotație depinde și de modul de conectare a înfășurărilor. Sensul poate fi schimbat și din mers deoarece este sincronizat intern;
CLOCK (Ceas) – semnal de tact. La trecerea acestui semnal din zero în unu (frontul crescător) motorul va avansa un increment;
HALF/FULL (Pas întreg/jumătate de pas) – selecție secvență de comandă. Pentru „1” avem secvență mixtă (de semipas); pentru „0” putem avea secvență simplă sau dublă (de pas întreg), depinzând de starea circuitului translator (generatorului de secvență). Pentru secvența simplă translatorul trebuie să fie la număr impar. Pentru secvență dublă translatorul trebuie să fie la număr par;
RESET – intrare de resetare, „0” aplicat la această intrare readuce translatorul în starea inițială.
Schema bloc a controlerului L297 se prezintă în figura 4.7
Fig.4.7. Schema bloc a controlerului L297.
Structura internă cuprinde următoarele blocuri interne: translatorul – generează secvența fazelor și asupra lui acționează intrările care selectează modul de pășire, direcția, viteza (dată de frecvența ceasului) și de o funcție specială acasă (HOME) , blocul de ieșire– care generează semnale de ieșire pe pinii A, B, C, D, INH1 și INH2 și asupra căruia acționează translatorul, precum și pinii de Validare și Control, un oscilator intern sau unul extern (după caz), precum și intrările Sens1 și Sens2 care “simt” curentul prin bobine și generează emnalele de întrerupere necesare secvenței de pășire (întreruperea și/sau schimbarea sensului curentului prin bobinele motorului/motoarelor)
Inima schemei bloc a controlerului L297N, este blocul denumit TRANSLATOR, care generează trei secvențe corespunzătoare de comandă:
secvență simpă (4S) – WAVE DRIVE MODE „1 phase on”;
secvență dublă (4D) – NORMAL FULL STEP DRIVE „2 phases on”;
secvență mixtă (8M) – HALF STEP MODE „1&2 phases on”.
Acest bloc este controlat de semnalele de intrare SENS (CW-CCW), MOD DE LUCRU (HALF/FULL) (SEMI.PAS/PAS.ÎINTREG) și un semnal de TACT (CLOCK). Translatorul are patru ieșiri, care sunt prelucrate în blocul logic de ieșire, care implementează funcțiile de inhibare și chopper. Intern translatorul conține un numărător pe 3 biți, plus câteva circuite combinaționale care generează o secvență de bază de 8 pași cod Gray.
Toate cele trei tipuri de secvențe de comandă pot fi generate ușor din secvența de bază. Această secvență corespunde direct cu modul de comandă semipas (secvență mixtă), selectat de un nivel logic „1” (high) la intrarea HALF/FULL. Reprezentarea formelor de undă pentru această secvență se prezintă în figura 4.8 [1] [4]
Fig.4.8. Secvență de comandă mixtă.
Modurile de comandă pentru „pas întreg” (secvență simplă și secvență dublă), sunt ambele obținute din secvența de bază, omițând (sărind) stările alternante în secvența de 8 pași. Rezultă că tactul trece peste primul etaj din numărătorul de 3 biți din translator. Cel mai puțin semnificativ bit din numărător nu este afectat, astfel că secvența generată depinde de starea translatorului când este selectat modul de lucru „pas întreg” (HALF/FULL)=„0”.
Dacă modul „pas întreg” este selectat când translatorul este în oricare din stările impare, se va selecta o secvență de comandă cu „pas întreg” cu 2 faze comandate, așa cum se prezintă în figura 4.9.
Fig.4.9. Secvență de comandă dublă.
Dacă se selectează modul „pas întreg” când translatorul este într-o stare pară, se obține comanda cu „pas întreg” cu o singură fază comandată, așa cum se prezintă în următoarea figură:
Fig.4.10. Secvență de comandă simplă.
În concluzie, circuitul conține un distribuitor de impulsuri care poate genera cele 3 secvențe uzuale de comandă: simplă, dublă și mixtă. Modul de comanda se impune prin intermediul intrării HALF/FULL:
comanda în secvență mixtă (semipas) , HALF/FULL = “1” logic;
comanda în secvență simplă (pas intreg) se obține impunând HALF/FULL = “0” logic cand distribuitorul de impulsuri (TRANSLATOR) este în una dintre stările: (ABCD) = (0001), (0010), (0100) sau (1000);
comanda în secventă dublă se obține impunând HALF/FULL = “0” logic cand distribuitorul de impulsuri (TRANSLATOR) este în una dintre stările: (ABCD) = (0101), (1001), (1010) sau (0110).
L297 asigură controlul curentului de sarcină sub forma a două choppere PWM, câte unul pentru fiecare fază a unui motor bipolar sau unul pentru fiecare pereche de înfășurări, pentru un motor unipolar. Într-un motor unipolar înfășurările A și B nu sunt niciodată energizate – alimentate – împreună, astfel că pot utiliza același chopper, același lucru se aplică la C și D.
Fiecare chopper constă dintr-un comparator, un bistabil și un rezistor extern ca traductor de curent. Un oscilator comun de pe chip furnizează impulsuri la frecvența de choppare aleasă (cu componente externe RC). În fiecare chopper (figura 4.11a), bistabilul este setat la fiecare impuls de la oscilatorul chopper, validând ieșirea și permițând creșterea curentului de sarcină. [2]
Fig.4.11a. Principiul funționării chopperului.
Fig.4.11b Principiul funcționării choperului
Pe masură ce crește curentul, crește și tensiunea pe rezistorul Rs și când aceasta ajunge la Vref, bistabilul este resetat, invalidând ieșirea până la sosirea următorului impuls de la oscilator. Ieșirea Q a bistabilului este astfel un semnal PWM de rată constantă. De remarcat că Vref determină curentul de vârf de sarcină.
Chopperul poate acționa fie asupra liniilor de ieșire A, B, C, D (figura 4.12a), fie asupra liniilor de inhibare INH1 și INH2 (figura 4.12b). O intrare numită CONTROL, decide tipul choppării.
Fig.4.12a. Principiul choppării pe fază
Fig. 4.12b. Principiul choppării liniilor INH1 și INH2
Comanda cu circuitul specializat L297/L298N
Controlerul L297 poate fi utilizat împreună cu ”punți H” monolitice, cu arii de tranzistoare Darlington sau alte dispozitive discrete de putere. Circuitele L297 (controler programabil), L298N (driver de medie putere, 2A/fază) și un număr foarte mic de componente externe alcătuiesc o interfață excelentă între microprocesor si motorul pas cu pas. Circuitul L298N conține două “punți H” fiind capabil să alimenteze concomitent două faze ale unui MPP, fiecare fiind controlată de două intrări logice (compatibile TTL) INPUT (I1, I2, I3, I4) și o intrare intrare logică (compatibilă TTL) de validare ENABLE (EnA, En2). [1]
Elementul principal este controlerul programabil L297 care generează semnalele de comandă necesare motoarelor bipolare bifazate sau a celor unipolare tetrafazate. Împreună cu driverul L298 reprezintă soluția optimă pentru comanda MPP folosind calculatorul. Dintre facilitățile oferite de L297 amintim:
– generează semnale de comandă corespunzătoare secvențelor uzuale de lucru: simplă, dublă (pas întreg) și mixtă (semipas), modul de funcționare se selectează cu ajutorul intrării HALF/FULL;
– conține două choppere PWM (frecvența de choppare se impune printr-un grup RT, CT extern) necesare forțării pantei curenților în faze; în plus circuitul generează două semnale de inhibare (INH1; INH2) destinate driverului pentru a înlesni descreșterea rapidă a curentului în faza deconectată.
Fig.4.13 Schema bloc a circuitului integrat L298
Fig.4.14 Modul de conectare L297 + L298
Comanda cu circuitele specializate L293E și L297
Exceptând puterile mari, distribuitoarele și driverele pentru motare pas cu pas, sunt astăzi aproape toate integrate. Circuitul asigură o comandă directă, simplă a motorului pas cu pas bifazat hibrid, etajul său fiind capabil să furnizeze curenți în faze de maxim 1A. Din acest motiv aplicația conține un motor pas cu pas hibrid (DSM4234H-x4040), având următoarele caracteristici:
inductanța bobinei 32 mH
numărul de faze: 2;
tensiunea de alimentare: 12Vcc;
rezistență unei faze: 30Ω;
curentul nominal în fază: 400mA;
unghiul de pas: 1,8°;
cuplul maxim sincronizat: 0,25Nm;
inerția rotorului: 2,4*10-6Kg*m2.
Pentru comanda motoarelor pas cu pas s-au utilizat echipamentele de comandă ce au la bază ansamblul de circuite integrate specializate L297+L293E, produse de firma SGS – Thomson.
Circuitul integrat L293E este un driver care se folosește în controlul sarcinilor inductive cum ar fi relee, selenoizi, motoare de curent continuu sau motoare pas cu pas. Driverul conține 2 punți H. Puntea “H” este un circuit electronic ce permite aplicarea unei tensiuni pe o sarcină în orice sens. Aceste circuite sunt adesea folosite în robotică și alte aplicații pentru a permite motoarelor de curent continuu să ruleze înainte și înapoi. Punțile H sunt disponibile ca circuite integrate sau pot fi construite din componente discrete, tranzistoare bipolare sau MOS.
Puntea H are numele derivat de la modul obișnuit de desenare a circuitului. Aceasta este singura cale de tip solid state de a comanda motorul în ambele direcții.[11]
L293 este conceput pentru a oferi curenți de acționare bidirecționali de până la 1 A la tensiuni de la 4,5 V la 36 V.
L293, L298 și L293E conțin fiecare câte patru drivere de putere de tip push-pull, care pot fi utilizate independent sau mai frecvent, ca două punți complete. Fiecare driver este controlat de o intrare de nivel logic-TTL și fiecare pereche de drivere este echipat cu o intrare care permite controlul întregii punți. Toate cele trei dispozitive sunt dotate cu o intrare separată de alimentare logică.
O ieșire de tip push-pull este un tip de circuit electronic care utilizează o pereche de dispozitive active care având rolul de a furniza sau de a absorbi curent de la o sarcină conectată. [NUME_REDACTAT]-pull sunt prezente în TTL și în circuitele logice digitale CMOS și în unele tipuri de amplificatoare. Sunt de obicei realizate ca o pereche complementară de tranzistoare; o pereche absoarbe curent de la sarcină iar cealaltă furnizează curent sarcinii de la o sursă de alimentare pozitivă.
Controlul unui MPP cu un asemenea circuit integrat necesită și un generator de succesiune ale fazelor, adică un controler. Cel mai des pentru a comanda motorului pas cu pas, L293E se utilizează împreuna cu controlerul L297 care dispune în componența sa de un bloc capabil sa genereze succesiune de faze adică de un translator.
În figura 4.15 este prezentată schema de comanda a motoarului pas cu pas bifazat cu circuitului integrat L293E.
Fig.4.15. Control motor pas cu pas cu circuitul integrat L293E
Driverele monolitice care conțin punți “H” sunt extrem de utile pentru controlul motoarelor pas cu pas, deoarece acestea simplifica mult modul de utilizarea ale motoarelor bipolare. Acesta este un punct important, deoarece un motor pas cu pas bipolar costă mai puțin decât un motor unipolar echivalent (are mai putine înfășurări) și oferă un cuplu mai mare pe unitatea de volum.
Comanda cu circuitele specializate L297 și L6210/L6203
Circuitul integrat L6203 conține o singură punte H cu patru tranzistoare de putere realizate în tehnologie DMOS având atașate și patru diode supresoare. Puntea H de putere poate funcționa pâna la o tensiune de alimentare de 48V, curent maxim de ieșire de 4A și frecvență maximă de comutație de 100kHz. Tehnologia în care este realizat acest modul de putere care include în aceiași capsulă tranzistorii de putere DMOS, circuite bipolare și circuite de tip CMOS face posibilă comanda cu semnale de tip TTL, CMOS sau cu semnale de la calculator, respectiv sistem cu microprocesoare.
Intrările I1 și I2 comandă cele patru tranzistoare de putere care alcătuiesc puntea, iar semnalul EN validează blocarea sau deblocarea funcționării punții. Schema bloc este reprezentată în următoarea figură :
Fig.4.16 Schema bloc a circuitului L6203
Se prezintă două scheme electronice de comandă a motoarelor pas cu pas realizate cu circuitele integrate L297, L298, L6203 și L6210.
Primul modul utilizează circuitele integrate L297, L298N și L2610. Curentul maxim prin înfășurări în cazul driverului L298N este de 2A pe fază.
Al doilea modul este format din controlerul L297 și două integrate L6203. Ambele scheme au fost concepute astfel încat să permită comandă atât locala cât și de la calculator.
Fig.4.17 Schema electronică de comandă cu circuitele L297+L298+L6210
Fig.4.18 Modul de conectare a echipamentului de comandă MPPH
cu L297 + L6203 la modulul de interfață.
STANDUL DIDACTIC LUCAS NUELLE
Prezentarea standului [NUME_REDACTAT]
Pentru a sintetiza și a putea întelege practic modul de funționare al motorului pas cu pas hibrid bifazat și ceea ce s-a scris în capitolul 3 se folosește ca exemplificare la ceea ce înseamna comanda și alimentarea motorului pas cu pas, un stand experimental.
Standul didactic care prezintă funcționarea unui motor pas cu pas hibrid bifazat este un produs al firmei [NUME_REDACTAT] care fabrică si comercializează de mai bine de 40 de ani echipamente didactice pentru cei pasionați de domeniul ingineresc. Sistemul UniTrain-I este un curs de formare bazat pe calculator pentru formarea in învățământul profesional și în domeniile de inginerie electrică și electronică de bază și avansate.
Standul este format din 3 componente: așa zisa interfață Unitrain-I, un suport de conectare a echipamentului (experimentator) pe care este montat motorul pas cu pas hibrid și echipamentul pe care il studiem adică motorul pas cu pas hibird.
[NUME_REDACTAT]-I este unitatea centrală a sistemului oferind intrari, ieșiri, relee și echipamentele necesare de măsură pentru experimente. Aceasta interfața conține propriul procesor și un cip de memorie pentru datele măsurate. Interfața USB este pentru conectarea experimentului hardwere la calculator și pentru a se putea face transferul datelor măsurate de calculator si ajustarea lor de catre această interfață. Este de asemenea posibil de a actualiza firmwere-ul (sistemul de operare al interfeței) în orice moment prin portul USB. Funcționarea si reglarea standului experimental care conține motorul pas cu pas in timp real sunt efectuate folosind instrumente virtuale (VI) afișate pe un monitor de calculator. Controalele "virtuale" de pe echipamentele de laborator fac posibilă punerea în aplicare a procedurilor de laborator "clasice". Instrumentele virtuale (VI) sunt prevăzute cu pachetul VI-starter sau software-ul LabSoft opțional.
Software-ul LabSoft este programul pe care îl utilizăm, acesta este inclus în cursul care însoțește componentele standului experimental. Cu ajutorul acestui program efectuăm toate experimentele necesare pentru a întelege cum funcționează motorul pas cu pas. Programul ne pune la dispoziție o mică documentație despre motarele pas cu pas având posibilitatea de a stoca datele măsurate în urma experimentelor. De aici rezultă că acest stand experimental cuprinde tot ceea ce este nevoie pentru a putea intelege funcționarea, făcând-o să arate ca o platformă puternică de experimentare pentru experimente autonome sau ghidate.
Interfață UniTrain-I a fost concepută pentru conectarea la unul sau mai multe standuri experimentale de același tip UniTrain-I. Suportul de conectare UniTrain-I permite alimentarea cu tensiuni variabile sau fixe, în funcție de experimentul dorit. Interfața, suportul pe care este montat echipamentul și echipamentul în sine sunt conectate între ele printr-un conector cu 96-pini. Pe această platformă pot fi realizate foarte multe experimente nu doar controlul unui motor pas cu pas datorită suportului standardizat pentru plăcile experimentale; există o gamă largă de experimente care se pot studia cum ar fi:
Studiul legii lui [NUME_REDACTAT] in domeniul achiziției datelor
Experimente în domeniul electronicii de putere
Experimente în tehnologia controlului automat
Pentru a putea instala softwere-ul Labsoft este necesar sa ai un computer pe care rulează un sistem de operare [NUME_REDACTAT] XP, Microsoft 2000 sau [NUME_REDACTAT] iar ca spațiu de stocare aproximativ 15 MB.
Înainte de a conecta echipamentele între ele trebuie să ne asigurăm că sunt plasate pe o suprafață solidă ,de exemplu o masă apoi ne asigurăm ca interfața si celelalte echipamente nu sunt inclinate atunci când acestea sunt unite între ele pentru a evita îndoirea celor 96 de pini.
Fig.5.1 Modul de conectare a echipamentelor
Fig.5.2 Echipamentele standului didactic [NUME_REDACTAT]
1. Laptop;
2-[NUME_REDACTAT]-I;
3-Experimentator;
4-Statie de andocare pentru multimetre pentru comunicarea intre multimetrul real si cel virtual;
Va voi prezenta acum fiecare echipament in parte pentru a putea identifica cu ușurința elementele din care este compus standul didactic.
În figura următoare este prezentată interfața Unitrain-I.
[NUME_REDACTAT]-I SO4203-2A
Fig.5.3 [NUME_REDACTAT]-I
Releu – poate fi folosit la sarcini generale de comutare, de exemplu pentru descărcarea unui condensator.Din totalul de 8 relee, primele 4 sunt conectate astfel incat pentru expermiente să fie cablate manual.
Ieșiri digitale de la D0 la D7 ; din totalul de 16 ieșiri digitale primele 8 sunt de asemenea conectate astfel incât să poată fi cablate manual.Pamântarea iesirilor digitale se regasește pe suportul de experimante.
Intrări digitale de la D0 la D7 ; din totalul de 16 ieșiri digitale primele 8 sunt de asemenea conectate astfel incât să poată fi cablate manual.Pamântarea iesirilor digitale se regasește pe suportul de experimante.
Banda cu cei 96 de pini.
Amplificator diferențial pentru intrările analogice A+ și A-
Amplificator diferențial pentru intrările analogice B+ și B-
Iesire analogică , soclu BNC
Led ; acesta afișeajă starea echipamentului atunci cand este pus sub tensiune
Conectarea la sursa de alimentare
Conectarea la sursa de alimentare principală ; interfața trebuie conectata neaparat din acest loc.
Comutator oprit/pornit care deconectează interfața de sursa de alimentare
Conectarea la portul USB
[NUME_REDACTAT]-I SO4203-2B
Fig.5.4 [NUME_REDACTAT]-I
Boton de ieșire a plăcii experimentale
Borne 96 de pini pentru conectarea plăcii experimentale
Borne 96-pini pentru conectarea la interfața
Support ajutoator pentru a putea conecta corect placa experimentală
Calea pe care trebuie sa o parcurgă placa de experiment pentru a o putea utiliza in mod corespunzător ;
Trei iesiri de tensiune variabilă : V1, V2 și V3. Această sursă de alimentare este absolut izolată față de restul sistemului. Pentru a optimiza eficiența, tensiunile de ieșire sunt atinse folosind o unitate de alimentare în comutație. Pentru a realiza acest lucru, tensiunile de ieșire sunt operate în modul de comutare la frecvență înaltă și lățimii impulsului modulat în conformitate cu forma de undă și frecvența dorită. Filtru LC cu trei faze reconstituie tensiunea de ieșire dorită de joasă frecvență și suprima modularea de înaltă frecvență sau frecvență de ceas.
Borne 96 de pini pentru conectarea altor experimentatoare
Ieșiri de tensiune fixe
Canal (locaș) pentru multimetru
Interfață infraroșu cu transmițător și receptor diode
Led pentru afișarea stării
Conexiunea la sursa standard de alimentare
Placa pentru experiment (SO4204-7W)
Fig.5.5 Placa pentru experiment
Prezentare generală a aplicației
Aplicația își propune sa controleze automat un motoar pas cu pas folosind calculatorul personal, având o interfață grafică modernă.
Pentru a realiza comanda în circuit deschis a unui sistem de acționare electrică cu motor pas cu pas hibrid, se utilizează standul didactic [NUME_REDACTAT] , prezentat în acest capitol . Placa pentru experiment conține echipamentul electronic de comandă și alimentare a motorului pas cu pas realizat cu controlerul L297 si driverul L293E.
[NUME_REDACTAT] oferă posibilitatea prescrierii parametrilor de comandă (frecvență, număr de pași, caracteristicile profilului), a sensului de acționare (orar, antiorar), a secvenței de comandă (simplă, dublă, mixtă), a modului de choppare.
Acțiuni specifice utilizatorului:
Comandă mpp: Comanda motorului pas cu pas bifazat se poate realiza prin: frecvență constantă sau cu profil impus de viteză (liniar sau exponențial);
Sens: Sensul fizic de rotație depinde și de modul de conectare a înfășurărilor. Sensul poate fi schimbat și din mers deoarece este sincronizat intern. Dacă vrem un sens de rotatie invers trigonometric se alege sensul orar, iar dacă dorim o rotație trigonometrică vom alege sens antiorar;
Secvență de lucru: Inima schemei bloc a controlerului L297N, este blocul denumit TRANSLATOR, care generează trei secvențe corespunzătoare de comandă: 1. Secvența mixtă ce presupune alternarea alimentării unei faze cu alimentarea unei faze succesive: una din cele două faze este cea care a fost alimentată individual la momentul anterior. Distingem urmatoarele cazuri: sensul orar (S=1) determină succesiunea: A, AB, B, BC, C, CD, D, DA, A, …; iar sensul antiorar (S=0) determină succesiunea: A, AD, D, CD, C, BC, B, AB, A, … 2. Secvența dublă prin care se alimentează două faze simultan. Deosebim astfel situațiile: sensul orar (S=1) determină succesiunea: AB, BC, CD, DA, AB, …; iar sensul antiorar (S=0) determină succesiunea: AB, AD, CD, BC, AB, … 3. Secvența simplă în care la un moment dat este alimentată o singură fază. Sensul orar (S=1) determină succesiunea: A, B, C, D, A, …; iar sensul antiorar (S=0) determină succesiunea: A, D, C, B, A, …;
Mod de choppare: comanda tip chopper este soluția cea mai bună pentru controlul curentului. Această metodă asigură creșterea și inversarea rapidă a curentului. Utilizează o sursă de tensiune de alimentare de câteva ori mai mare decât tensiunea nominală de alimentare a motorului. Astfel viteza de creștere a curentului se mărește substanțial. Comanda chopper asigură o tensiune și un curent mediu egal cu tensiunea și curentul nominal al motorului. Putem alege chopparea liniilor de ieșire, însă scăderea curentului prin această cale este destul de lentă din cauza tensiunii de pe înfășurare, care este mai mică. Prin alegerea choppării liniilor de inhibare INH1,INH2, obținem o cale asigurată de descresșterea mult mai rapidă a curentului;
Frecvența de comandă: pentru comanda cu frecvență constantă se introduce frecvența care poate fi de minim 1 Hz și maxim 3000 Hz.
Parametrii profil de viteză: pentru comanda cu profil impus se pot introduce mai mulți parametrii: Fmax: frecvență maximă, Fstart: frecvență de pornire-oprire, Ta: timpul de accelerare, Tb: timpul de mers la viteză constantă, Tc: timpul de decelerare, Liniară:
Operarea interfeței
Imediat după rularea programului va aparea o interfață cu mai multe ferestre si opțiuni. În continuare se vor prezenta posibilitățile de operare, semnificațiile lor precum și utilitățile interfeței programului.
Fereastra de start
Înainte de a accesa meniul principal, apare o fereastră în care se introduce limba dorita, o fereastră de logare și apoi o fereastră de unde putem selecta la ce port să conectăm interfața. Se alege limba dorita, ne logam cu un nume si o parolă și se selectează portul de conectare, portul USB ca apoi să apăsăm butonul de rulare a programului principal (run program in simulation mode)
Fig.5.7 Fereastra de alagere a limbii dorite
Fig.5.8 Fereastra de logare
Fig.5.9 Fereastra de selectare a portului
Meniul principal
După efectuarea demersurilor de mai sus ,se va deschide o noua fereastră a programului de comandă a motorului pas cu pas hibrid. Aceasta fereastră de meniu principal conține o serie de opțiuni ce pot fi accesate foarte ușor.
Fig. 5.10 Meniul principal.
În chenarul din dreapta se afișează ferestrele accesate din meniul tip arbore împreună cu opțiunile lor. Mai este prevăzut un chenar care ne oferă posibilitatea de a vedea noțiunile de bază despre motoarele pas cu pas si indicațile referitoare la montajele pe care le vom face cât si mici întrebari de evaluare a cunostințelor în urma realizării experimentelor.
Din meniul de tip arbore se accesează ferestrele de comandă a motorului pas cu pas. De aici se vor executa procesele principale introduse de utilizator.
Pentru inceput sunt prezentate obiectivele acestui experiment, echipamentul folosit, un scurt istoric despre motoarele pas cu pas și unde sunt folosite aceste tipuri de motoare. Tot aici sunt prezentate tipurile de motoare pas cu pas, principiul de funcționare al acestora, avantajele și dezavantajele lor.
Fig.5.11 Utilizarea motoarelor pas cu pas
Tipurile de motoare pas cu pas au fost prezentate in capitolul 1 aici amintesc doar ca există motoare pas cu pas cu reluctanța variabilă, motoare pas cu pas cu magnet permanent și motoare pas cu pas hibride, acestea din urma fiind o combinație a primelor doua tipuri de motoare.
Controlul motoarelor pas cu pas
În acest submeniu ne este prezentat cele doua tipuri de motoare pas cu pas și anume: motorul unipolar și motorul bipolar.
Motorul unipolar este utilizat în special in aplicații în care este necesară cunoasterea exactă a numarului de pași pe care ii face motorul ca să execute o rotație completă. Acastă proprietate a motoarelor pas cu pas este foarte eficientă in aplicațiile cu mișcari exacte. Ca exemplu punând un motor la o bandă rulantă, putem afla cu exactitate distanța parcursă de un obiect ce se află pe acea bandă.
Fig.5.12 Motor pas cu pas unipolar
Comanda acestui tip de motor se face cu controlere mai puțin specializate decat la motoarele pas cu pas bipolare. Are un design simplu dar nu este prea eficient.
Fig.5.13 Actuator electronic pentru controlul unui motor pas cu pas unuipolar
Cele patru înfășurări statorice sunt alimentate de cei patru tranzistori de putere, Demagnetizarea se realizează prin intermediul unor circuite cu efect inerțial , fiecare constând dintr-o diodă și o diodă Zener conectate în serie .
O mai bună eficiență se obține dacă în locul motorului unipolar folosim un motor pas cu pas bipolar. Cu toate acestea trebuie să precizez că o configurație bipolară necesită de două ori mai mulți tranzistori pentru a putea controla un motor pas cu pas. Controlul motorului este mai complicat deoarece potențialul emițătorilor tranzistoarelor depinde de starea de comutare a perechilor de punți
Fig.5.14 Motor pas cu pas bipolar
Fig.5.15 Dispozitiv electronic de comandă a motorului pas cu pas bipolar
Deoarece curentul poate fi aplicat la înfășurările statorice în moduri diferite , se face o distincție între controlul echipamentului
[NUME_REDACTAT] (cu pas intreg)
[NUME_REDACTAT] (cu jumatete de pas
Comanda cu pas întreg (full step)
Determinarea unghiului de pas
Pentru început ca prim experiment este de a determina unghiul de pas al motorului. Știind că motorul efectuează 200 de pași într-o rotație completă este foarte simplu de aflat unghiul de pas.
Relația care ne ajută să determinăm acest lucru este :
(5.1)
Np-numar de pasi
Așadar pentru a putea determina cu exactitate numărul de pași se va realiza următorul montaj prezentat in figura urmatoare;
Fig.5.16. Montaj pentru determinarea unghiului de pas
Se deschide apoi din submeniul de instrumente (Instruments) unitatea de control ([NUME_REDACTAT] Control) a motorului pas cu pas configurând-o ca în exemplul de mai jos.
Fig.5.17. Interfața cu parametrii introduși pentru relizarea experimentului
Setam frecvența maximă la valoarea de 300 Hz, frecvența de start (FSTART) este de 100 Hz la fel ca și cea de stop (FSTOP). Nu ramane acum decât să se introducă numărul de pași doriți pe care vrem sa îi execute motorul . Se dau valori din 5 în 5 pași pâna când motorul va executa o mișcare completă de revoluție (rotație) și se va observa că motorul va face un total de 200 de pași. Se folosește relația (26) pentru a determina unghiul de pas.
Accesând acest instrument virtual avem posibilitatea de a comanda motorul pas cu pas prin introducerea valorilor dorite de utilizator.
Detreminarea frecvenței maxime de funcționare a motorului pas cu pas
Ca și in cazul primului experiment este necesar de această dată să se determine care este frecvența maximă la care motorul funcționează corect efectuând fiecare pas cu certidudine adică fără pierdere de pași. Frecvența maximă este determinată si de sarcină, asta însemnând că, cuplul aplicat devine mai mare iar frecvența maximă v-a scadea. Se va efectua din nou același montaj dar de data aceasta se deschide un alt instrument din sub-meniul de instrumente. Instrumentul folosit este [NUME_REDACTAT] de unde avem posibilitatea de a seta mai multi parametrii cum ar fi: modul de lucru, (HALF/FULL) frecvența, sensul de rotire, adică în sensul orar-clockwise (CW) sau antiorar-counter clockwise (CCW ), choparea (Control). Instrumentul mai este prevăzut cu un buton de pornire/oprire.
Fig.5.18 Caracteristica cuplu viteză a motorului pas cu pas
Fig.5.19 Instrumentul virtual Speed control
Se selectează frecvența pentru început 1 Hz continuând să o creștem până când rotorul își va ieși din modul normal de lucru. Valoarea frecvenței se va nota într-un chenar afișat in program. Dupa realizarea experimentului se va vedea că motorul funcționează corect pana la valoarea de 500 Hz.
Determinarea frecvenței maxime de start a motorului pas cu pas
Frecvența de pornire al unui motor pas cu pas indică viteza maximă la care un motor poate fi activat inițial fără a pierde poziții. Acesta frecvența depinde și de sarcină. Se realizează din nou același montaj ca și in primele două experimente, deschizându-se apoi instrumentul [NUME_REDACTAT].
Fig.5.20 Montaj pentru determinarea frecvenței maxime de start a motorului
Fig.5.21 [NUME_REDACTAT] Control cu valorile setate pentru determinarea frecvenței de start
Se setează frecvența 300 de Hz, modul de lucru – FULL si pornim de la butonul power instrumentul virtual. Dacă motorul la punerea lui în funcțiune se rotește vom opri instrumentul virtual urmând să creștem din nou frecvența. Toata aceasta acțiune o vom repeta până când motorul nu va mai efectua nici o rotație. Astfel am determinat frecvența maximă de start la care motorul funcționeaza corect. În urma experimentului rezultă ca valoarea frecvenței de pornire a motorului fără a ieși din sincronism sau să piardă pași este de 440 Hz.
Controlul semnalelor în modul FULL (pas întreg)
Observarea semnalelor de comandă atunci când este inversat sensul de rotație al motorului. În scopul de a obține semnalele dorite nu se vor mai monta călareții pe rezistențe astfel ele vor fi in serie cu bobinele motorului.
În acest experiment ne propunem sa anlizăm cu ajutorul osciloscopului semnalele de tensiune și frecvența. Pentru acest lucru avem nevoie de două instrumente virtuale; avem nevoie de un osciloscop, de instrumentul [NUME_REDACTAT] și bineînțeles de montajele aferente experimentului.
Se va realiza următorul montaj:
Fig.5.22 Montaj pentru controlul semnalelor
Vom conecta faza A- cu intrarea analogică A- faza A+ cu intrearea analogică A+ faza B- cu intrarea analogică B- respecticv B+ cu B- .Acest montaj este pentru a se putea folosii osciloscopul. [NUME_REDACTAT] Control și setam parametrii ca în urmatoarea figură:
Fig.5.23 Instrumentul virtual [NUME_REDACTAT] setat cu parametrii necesati experimentului
Selectăm apoi din meniul Instrumente osciloscpul pe care il vom seta la următorii parametrii:
Timp/diviziune 20ms
Trigger: Canalul A
Canalul A: 10 volți/diviziune cuplaj DC
Canalul B: 10 volți/diviziune cuplaj DC
Shiftăm axa zero pâna când ambele semnale sunt vizibile
Fig.5. 24 [NUME_REDACTAT] măsoară tensiunile aplicate înfășurărilor motorului pas cu pas iar semnalele obținute se introduc într-un grafic obținându-se:
Fig.5.25 Graficul rezultat în urma experimentului cu sensul de rotație orar
Din urma graficului obținut putem observa că semnalele sunt defazate între ele cu un unghi de 90° iar frecvența de ieșire este de 25 de Hz. Dacă vom schimba sensul de rotație al motorului de la butonul CW/CCW se va observa că defazajul dintre cele două semnale diferă.
Fig.5.26 Graficul rezultat in urma experimentului cu sensul motorului ales ca fiind sensul antiorar
Controlul semnalelor în modul HALF (jumătate de pas)
Urmatoarea imagine este caracteristica de curent când folosim motorul in modul HALF (jumătate de pas). Utilizarea acestui mod permite o rezoluție mai fină decât în modul FULL. Dezavantajul acestui mod de folosire este faptul că, câmpul statoric nu este constant.
Fig.5.27 Caracteristica curentului in modul cu jumătate de pas ([NUME_REDACTAT])
Fig.5.28 Principiul funcționării motorului pas cu pas cu pas înjumătațit
Se realizează urmatorul montaj:
Fig.5.30 Montajul pentru determinarea funcționării motorului pas cu pas în modul HALF (cu jumătate de pas)
Se realizează experimentul precedent, doar ca de data asta selectăm de la instrumentul [NUME_REDACTAT] modul half-step. Se observă pe osciloscop semnalele și apoi se realizează graficul următor:
Fig.5.31 Graficul rezultat atunci cand motorul pas cu pas este in modul half-step
Facând o comparație între modul half-step si modul full-step se observă că în modul HALF există câte 8 sau 4 combinații diferite de ieșire a semnalelor și de asemenea curentul se poate furniza doar de la o singură înfașurare.
Controlui curentului (Chopper)
Chopperele sunt convertoare alimentate de la o rețea de tensiune continuă sunt utilizate pentru alimentarea sarcinii cu curent continuu, sub tensiune reglabilă. În prezent chopperele se realizează cu comutatoare cu tirisoare sau cu tranzistoare în regim de comutație. Dacă aceste variatoare se relizează cu tiristoare, spunem că tirisoarele au o comutație forțată deoarece trebuie utilizat pentru blocarea lor un circuit auxiliar special pentru stingere. Avantajele chopperelor în raport cu alte tehnici de reglaj ale tensiunii continue sunt: randament ridicat, inerție redusă și absența contactelor electrice. Chopperele se construiesc pentru puteri cuprinse între zeci si milioane de watt, uzual frecvența de comutație este cuprinsă între 100 Hz și 1 kHz.
O caracteristică a chopperelor este aceea că pot furniza la ieșire o tensiunea a cărei valoare medie poate fi reglată în conformitate cu cerințele aplicației în care sunt utilizate. Una dintre cele mai des întâlnite aplicații a chopperelor de putere este acționarea motoarelor de curent continuu prin modificarea tensiunii lor de alimentare.
Pentru a întelege principiul chopperului se realizează urmatorul montaj:
Fig.5.32 Montajul relizat pentru principiul chopperului
La fel ca și în cazul celorlalte experimente se vor deschide instrumentele necesare și se vor adauga parametrii necesari. Din instrumentul [NUME_REDACTAT] selectăm modul de lucru Full adică cu pas întreg, frecvența 1 Hz și Control (butonul care selectează tipul (choppării). Cu ajutorul acestui buton “Control” selectăm tipul choppării; Control- off indică faptul că se face o choppare inhibită, Control-on indică o choppare pe fază. Se deshide din submeniul Instruments un osciloscop pe care îl folosi pentru analiza semnalelor obținute. Selectăm parametrii osciloscopului după cum urmează:
Timp/diviziune 100uc
Trigger: –-
Canalul A: 10 volți/diviziune cuplaj DC
Canalul B: 10 volți/diviziune cuplaj DC
Shiftăm axa zero pâna când ambele semnale sunt vizibile
Ca urmare a lucrării efectuate rezultă următoarele două grafice:
Fig.5.33 Grafic rezultat în urma choppării pe linile INH1 și INH2
Fig 5.34 Choppare pe fază
Comanda cu profil impus
Comanda unui motor pas cu pas pentru deplasări mari, necesită utilizarea de legi complexe, pentru a împiedica pierderea de pași. În buclă deschisă aceasta înseamnă pornirea motorului de la o frecvență scăzută a tactului de intrare, după care frecvența aceluiași tact crește în mod gradat până ce este atinsă viteza de rotație dorită (viteza de mers). Pentru oprire, motorul trebuie decelerat la o viteză din domeniul său de viteze pornire – oprire (domeniu în care el poate fi oprit direct prin suprimarea tactului, fără pierdere de pași). Pentru alegerea opțiunii cu profil impus există mai multe comenzi pentru motor. (Fig.5.35). Dacă dorim ca motorul să treacă printr-o mulțime de poziții cât mai repede , frecvența de pas poate fi ridicată treptat, printr-o funcție numita rampă.([NUME_REDACTAT]). Motorul pas cu pas utilizează un control simplu în buclă deschisă, fără nici un feedback cu privire la poziția rotorului . Acest lucru înseamnă că rotorul trebuie să fie în măsură să urmărească alinierea fluxului statoric direct . Dacă acest lucru nu este posibil, motorul nu va mai funcționa corect (iși iese din pași) . Cu alte cuvinte , acesta pierde poziții sau sare poziții . Imaginea arată o secvență tipică de mișcări . Motorul pas cu pas începe să se miște de la frecvența de start . Atunci când este selectată frecvența de start , drive-ul este capabil să-l urmeze cu precizie . Apoi motorul este accelerat în conformitate cu o rampă până când acesta atinge frecvență de pas constant . După aceea motorul încetinește în funcție de un alt regim de rampă . După ce frecvența de oprire s-a atins ,frecvența de pas poate fi redusă la zero , fără pierdere de pași
Rampa liniară este cel mai adesea utilizată deoarece acestea sunt cel mai ușor de generat utilizând spații de memorie mici fiind suficiente pentru majoritatea aplicaților. Rampa ideală are forma unei funcții sinus sau a unei funcții exponențiale
Fig.5.35 Tahograma liniară – Comanda cu profil impus
Pentru tahograma prescrisă, subprogramul stabilește într-o manieră conversațională cu ajutorul unei interfețe grafice prietenoase, parametrii de lucru prescriși de utilizator: fMax (frecvență maximă), fStart (frecvența de pornire/oprire), Up (timpul de accelerare), timpul de mers cu viteză maximă, Down (timpul de decelerare).
Controlul poziției motorului pas cu pas
Datorită design-ului și controlului simplu în buclă deschisă, motoarele pas cu pas sunt foarte potrivite pentru funcții simple de poziționare. Pentru acest experiment avem nevoie de un montaj, montaj care a fost realizat și in primul experiment (Fig.4.16), de unitatea de control a motorului pas cu pas (stepper control unit) pe care o găsim în sub-meniul de instrumente și de încă un instrument care ne permite să prescriem valorile dorite ale pașilor pe care vrem sa le efectueze motorul.
Fig.5.36 Comanda cu profil impus
Se selectează parametrii exact ca în figura de mai sus dupa care introducem nr de pași pe care vrem sa îi execute motorul.
Fig.5.37 Instrumentul virtual pentru comanda poziției motorului pas cu pas
Pentru a adauga valori prescrise motorului dăm click pe butonul add, se va deschide o fereastră de unde putem să introducem valoarea dorită cât și tipul de poziționare utilizat deoarece există două tipuri de poziționări: poziționare absolută și poziționare relativă. Valorile absolute pleacă de la un reper fix iar poziționarea relativă folosește poziționarea anterioară și adaugă paramatrul de poziționare specificat.
Fig.5.38. Fereastra pentru prescrierea parametrilor de poziționare
CONCLUZII
Obiectivul principal urmărit în elaborarea prezentei lucrări a fost: studiul comenzii și alimentării motoarelor pas cu pas bifazate în buclă deschisă. Se abordează tehnica implementării pe calculatoare personale în scopul optimizării sistemului din punct de vedere constructiv și funcțional.
Conceperea și realizarea practică a unor astfel de sisteme de acționare moderne reprezintă o sarcină dificilă, deoarece presupune cunoștințe din mai multe domenii distincte (cercetare teoretică, operații matematice complexe, acționări electrice, mașini electrice, electronică digitală și industrială, controlul sistemelor, sisteme numerice – hardware și software, programare Visual C++). Lucrarea abordează în mod unitar comanda și alimentarea motoarelor pas cu pas pentru că, de fapt, aceste domenii sunt inseparabile.
Prezenta lucrare poate fi folosita cu succes ca lucrare de laborator pentru generațile viitoare.
BIBLIOGRAFIE
[NUME_REDACTAT] – Echipamente de comandă a motoarelor pas cu pas implementate pe calculatoare personale; [NUME_REDACTAT] „[NUME_REDACTAT]” Târgu – Mureș 2002
[NUME_REDACTAT] – Comanda inteligentă a acționărilor electrice cu motoare pas cu pas; [NUME_REDACTAT] Cluj-Napoca 2007.
Kelemen A., Crivii M. – Motoare electrice pas cu pas; [NUME_REDACTAT], București 1982.
http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/
http://www.slideshare.net/CostelGxa/cap1-16249807
http://laurfb.site40.net/index_files/09%20-%20Cap%206%20-%20Motorul%20Pas%20cu%20Pas.swf
http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_13/5.html
http://ro.scribd.com/doc/56742332/1/INTRODUCERE-IN-INSTRUMENTA%C5%A2IA-VIRTUAL%C4%82
http://tcremel.free.fr/Image18.jpg
http://cs.engineering.upm.ro/Aquila/stud/Profesor/Oltean/Mod_sim/labor13.pdf
http://www.electronicstefan.ro/2012/01/ce-este-puntea-h/
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiul Comenzii Si Alimentarii Motorului Pas cu Pas Hibrid Bifazat (ID: 2135)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.