SPECIALIZAREA: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ [307098]

[anonimizat], [anonimizat]: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

Îndrumător științific:

Prof. univ. dr. ing. ALEXANDRU MORAR

Absolvent: [anonimizat]

2019

INTRODUCERE

Din cele mai vechi timpuri oamenii au căutat să își ușureze munca prin inventarea unor unelte cu ajutorul cărora să poată realiza lucruri imposibil de realizat doar cu forța umană. Acest proces de descoperiri a început odată cu inventarea roții și a culminat cu roboții.

În prezent roboții reprezintă cea mai înaltă treaptă a [anonimizat].

[anonimizat], electonică, [anonimizat].

Roboții au apărut ca urmare a unui mariaj dintre domeniul teleoperării și cel al controlului mașinilor unelte. [anonimizat], poluante, radioactive. Iar în perioada imediat următoare când era nevoie de o reconstrucție rapidă acești manipulatori robotici au fost adaptați astfel încât să poată fi integrați în diferite ramuri industriale. Revoluția în domeniul roboticii este în strânsă corelație cu evoluția din domeniul calculatoarelor și a [anonimizat] a SMD-urilor (Surface Mounted Devices) fiind de neconceput fără roboți.

Manipulatorii robotici constituie o [anonimizat].

[anonimizat]. Lucrarea are ca finalitate realizarea unui sistem de poziționare cu 3 axe (X-Y-Z) utilizând motoare pas cu pas hibride.

CAPITOLUL I

STUDIUL FUNCȚIONĂRII MOTOARELOR PAS CU PAS

1.1 Generalități

Motorul pas cu pas (MPP) [anonimizat] – analogic, [anonimizat] – [anonimizat]-o [anonimizat].

[anonimizat], reprezintă unghiul de pas al motorului (p). La fiecare impuls de comandă rotorul execută un pas unghiular p, apoi se oprește până la sosirea următorului impuls de comandă. [anonimizat]. [anonimizat]. Dacă este comandat corect ajunge și rămâne în sincronism cu impulsurile de comandă. [anonimizat], hidraulice sau pneumatice de amortizare.

[anonimizat], de numărul dinților rotorici precum și de numărul dinților de pe fiecare pol statoric. Numărul pașilor efectuați trebuie să corespundă, în cazul unei funcționări corecte, cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului. Majoritatea motoarelor pas cu pas sunt bidirecționale și permit o accelerare, oprire și reversare rapidă, fără pierdere de pași, dacă sunt comandate cu impulsuri a căror frecvență de repetiție este inferioară frecvenței limită, corespunzătoare unui cuplu rezistent și unui moment de inerție dat. Motoarele pas cu pas permit o funcționare în regim de viteză constantă sau variabilă. Pentru extinderea funcționării MPP la viteze mai mari decât viteza corespunzătoare frecvenței limită, este necesară o accelerare prin creșterea treptată a frecvenței impulsurilor de comandă. Motoarele pas cu pas permit deci deplasarea unui mecanism într-o poziție anumită, cu viteza și direcția dorită în funcție de numărul de impulsuri de comandă, frecvență și sensul de rotație. Deoarece fiecare impuls de comandă rotește axul într-o poziție cunoscută singura eroare de poziționare depinde numai de precizia unui pas unghiular. Aceasta este în mod obișnuit de aproximativ 5% din valoarea unghiului de pas. Numărul de pași pentru o rotație completă diferă de la motor la motor. Se întâlnesc curent valori de 400, 200, 180, 144, 72, 48, 24 și 12 pași pe rotație, corespunzând la 0.9o, 1.8o, 2o, 2.5o, 5o, 7.5o, 15o și respectiv 30o.

Motoarele pas cu pas sunt utilizate, în special, în aplicațiile unde se dorește realizarea unei mișcări incrementale, fiind relativ ușor de interfațat cu sistemele numerice. Prin înlocuirea servomotorului de curent continuu cu excitație cu magneți permanenți funcționând în circuit închis cu motoare pas cu pas comandate în circuit deschis se elimină necesitatea unor convertoare D/A, amplificatoare de putere cu coeficient ridicat de liniaritate, traductoare numerice de poziție și viteză.

Utilizarea MPP conferă, în principiu, următoarele avantaje:

asigură univocitatea conversiei impuls-deplasare, putându-se utiliza cu succes în circuit deschis (lipsa traductorului numeric de poziție face ca sistemele de comandă în circuit deschis a MPP să fie în prezent cele mai ieftine sisteme de poziționare);

admit gamă largă de frecvență de comandă;

precizie de poziționare și rezoluție (număr de pași pe rotație) mărite, ceea ce simplifică lanțul cinematic motor-sarcină;

memorează poziția;

permit porniri, opriri și reversări fără pierdere de pași;

dezvoltă cuplu relativ mare la viteze relativ mici;

comanda lor este simplă, fără regulatoare;

sunt compatibile cu sistemele de comandă numerice.

Dezavantajele utilizării MPP sunt:

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

viteză de rotație relativ scăzută;

putere dezvoltată la arbore de valoare redusă;

schema de comandă trebuie adaptată tipului constructiv al motorului;

În cazul utilizării motorului pas cu pas hibrid (MPPH) cu magnet permanent în rotor există câteva avantaje specifice:

dezvoltă un cuplu de fixare a rotorului, chiar cu fazele nealimentate;

are un randament bun, datorită energiei înmagazinate în magnetul permanent din rotor;

poate funcționa cu o frecvență mare de comandă.

Dezavantajele principale ale acestui tip de motor sunt:

inerția mare a rotorului;

performanțele motorului sunt afectate în timp, de schimbarea caracteristicilor magnetului permanent prin îmbătrânire;

tensiunea electromotoare indusă în fazele motorului este mare.

Principiul MPP este cunoscut încă din anii ’30. Totuși, doar dezvoltarea vertiginoasă a microelectronicii a pus cu adevărat în valoare calitățile deosebite ale acestui motor. Preocupările de ultimă oră privesc, atât controlerul cât și driverul, denumite în mod curent “electronica asociată”, cât și motorul însuși, toate în continuă perfecționare. Acestor progrese importante li se adaugă dezvoltările de soft specific, produse inteligente ale unui domeniu în mare efervescență. Proprietatea deosebită de conversie univocă a impulsului electric în pas unghiular permite realizarea celor mai simple sisteme de poziționare în circuit deschis, fără utilizarea unui traductor de reacție. Păstrarea proprietății de conversie amintite într-un domeniu cât mai larg de condiții de funcționare apare ca o condiție absolut necesară. MPP hibride, MPP cu reluctanță variabilă și MPP cu magnet permanent sunt frecvent folosite în servosistemele de poziționare. Exemple clasice sunt: poziționările de antene, de lasere, scule și dispozitive ale mașinilor unelte, poziționări la viteze extrem de mici (de pildă în astronomie), poziționarea meselor rotative, a camerelor de luat vederi, poziționări în două sau trei coordonate a dispozitivelor de roluit (wrapping), a dispozitivelor de antrenare și focalizare a unor lentile, acționarea axelor miniroboților, etc.

Domenii de aplicații prin excelență sunt perifericele utilizate în tehnica de calcul (unități de discuri, plottere, imprimante, perforatoarele de cartele și bandă, cititoarele de cartelă și bandă, linii de fabricație a circuitelor integrate), industria aviatică, tehnica spațială, industria automobilului, domeniul militar, etc.

Există încă multe posibilități constructive pentru îmbunătățirea performanțelor motoarelor pas cu pas. O posibilitate este perfecționarea construcției mecanice prin optimizarea circuitului magnetic al motorului. Metodele de studiu și simulările numerice recente din domeniul teoriei câmpului electromagnetic aduc contribuții semnificative în acest sens. De asemenea performanțele MPPH pot fi îmbunătățite substanțial prin folosirea unor magneți permanenți de calitate superioară (utilizarea pământurilor rare), realizându-se astfel creșterea fluxului magnetic și implicit a cuplului electromagnetic dezvoltat de motor, procedee de mare ingeniozitate și eficiență, care tind să devină clasice.

Este deosebit de important în stabilirea caracteristicilor și performanțelor motoarelor pas cu pas alegerea numărului de faze ale acestuia. De obicei cele mai răspândite MPP sunt cele tetrafazate sau bifazate, dar există MPP trifazate sau pentafazate. Fiecare dintre acestea au anumite particularități constructive și funcționale de care depind în bună parte și caracteristicile electrice ale motorului. Numărul de faze al MPP determină de asemenea și alegerea tipului convertorului electronic și a modului de alimentare a motorului.

Cele mai recente tendințe din domeniul fabricării motoarelor pas cu pas sunt orientate spre realizarea unor MPP modularizate. O categorie de astfel de motoare o reprezintă cele ce încorporează atât traductorul incremental de poziție cât și un reductor de turație. Altă categorie de motoare pas cu pas modularizate sunt cele care includ în aceeași carcasă motorul propriu-zis și convertorul electronic de putere cu semnalele de comandă adecvate. În acest sens, sunt bine cunoscute motoarele modularizate de tip “rucksac” fabricate de firma Colibri Gmbh din Germania. Gradul de modularizare a acestui tip de motor pas cu pas fiind ridicat, la conectorul de pe carcasa motorului, pentru funcționarea acestuia este necesară doar alimentarea, semnalul TACT și semnalul SENS. Această construcție permite conectarea simplă și directă a motorului la diferite sisteme de comandă, cu o mare flexibilitate, iar pachetul software livrat de firmă asigură comanda motorului pas cu pas pentru cele mai variate regimuri de funcționare. Motoarele pas cu pas modularizate se remarcă prin fiabilitate și robustețe în exploatare, integrarea lor într-o gamă largă de aplicații industriale fiind deosebit de ușoară.

1.2 Construcția și funcționarea motoarelor pas cu pas

Motoarele electrice pas cu pas (MPP) reprezintă un caz particular al mașinii sincrone (sunt motoare sincrone speciale) adaptate funcționării discrete, incrementale și au față de acesta anumite particularități constructive și de funcționare. Înfășurările fazelor sunt concentrate pe poli aparenți și sunt alimentate cu impulsuri de curent. Acesta produce un câmp magnetic învârtitor a cărui axă ocupă numai anumite poziții, fapt care determină rotorul să ocupe la rândul lui poziții discrete. Trecerea de la o poziție la alta, ceea ce reprezintă pasul motorului, se face direct sub influența schimbării repartiției discrete a câmpului magnetic, adică motorul pas cu pas convertește impulsul primit sub formă de treaptă într-o deplasare unghiulară discretă, precis determinată. De aici rezultă un prim mod de definire a motorului pas cu pas – acela de convertor discret impuls / deplasare. Caracterul de motor sincron se păstrează, deoarece viteza de deplasare a rotorului exprimată prin numărul de pași efectuați în unitatea de timp, depinde direct de frecvența impulsurilor de comandă.

O caracteristică proprie numai motorului pas cu pas este că deplasarea unghiulară totală, fiind constituită dintr-un număr bine determinat de pași, reprezintă univoc numărul de impulsuri de comandă aplicat pe fazele motorului. Prin aceasta, motorul pas cu pas se poate defini și ca element integrator numeric, caracterizat printr-o constantă de integrare egală cu inversul frecvenței de comandă. Poziția finală a rotorului corespunde ultimului impuls de comandă aplicat și această poziție se păstrează, este “memorată” până la apariția unui nou impuls de comandă. Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri / deplasare, asociată cu aceea de memorare a poziției, fac din motorul pas cu pas un excelent element de execuție adecvat sistemelor de reglare incrementală a poziției.

Încă o proprietate a MPP este aceea că, spre deosebire de motoarele sincrone, motoarele pas cu pas pot intra în sincronism din starea de repaus fără alunecare, iar frânarea se poate realiza fără ieșirea din sincronism. Datorită acestui fapt ele asigură, în domeniul de lucru, porniri, opriri și reversări bruște fără pierderea informației, adică fără pierdere de pași. Cele arătate până aici identifică motorul pas cu pas ca un element de execuție specific poziționărilor incrementale, definit prin conversia dublă:

a informației numerice (impuls) în deplasare determinată (unghi);

a energiei electrice în energie mecanică

Motoarele pas cu pas se clasifică în funcție de numărul înfășurărilor de comandă și de construcția circuitului magnetic.

Se disting în general trei mari categorii de motoare pas cu pas, clasificarea făcându-se după principiul lor de funcționare:

motoare pas cu pas cu magnet permanent în rotor (rotor cilindric și disc)

motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă (rotor cilindric dințat din tole)

motoare pas cu pas hibride (cu magnet permanent și reluctanță variabilă)

Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă mai poartă și denumirea de motor pas cu pas de tip reactiv, iar motorul pas cu pas cu magnet permanent, respectiv motorul pas cu pas hibrid sunt denumite motoare pas cu pas de tip activ. Toate tipurile pot fi realizate cu un singur stator (monostatorice) sau cu mai multe statoare (polistatorice), înfășurările de comandă pot fi concentrate sau distribuite. În continuare se ilustrează principiul de funcționare al motorului pas cu pas.

1.2.1 Motorul pas cu pas cu magnet permanent

Acest motor pas cu pas este unul de tip activ, având rezoluție scăzută, cu unghiuri de pas cuprinse între 7,5° și 15°, cu posibilitatea de a executa 24-48 pași /rotație.

În figura 1.1a este prezentată o secțiune transversală printr-un motor pas cu pas de tip activ monostatoric cu magnet permanent în rotor, în secvențăde comandă bipolară simplă. Statorul are opt poli aparenți, pe care sunt dispuse patru înfășurări de comandă și un rotor, cu magnet permanent, având doi poli. Fiecare înfășurare de comandă este dispusă pe doi poli statorici diametrali opuși.

Fiind alimentată faza A-A' cu polaritatea indicată în figură, rotorul se va orienta astfel încât direcția axei polilor să coincidă cu direcția axei înfășurării. În această poziție atracția între polii statorici și rotorici este maximă.

Prin întreruperea alimentării înfășurării A-A' și alimentarea celei de a doua înfășurări B-B', rotorul își va modifica poziția pentru a se reorienta după axa noii înfășurări, descriind un unghi numit unghi de pas (θp), astfel încât polii statorici și rotorici de nume contrare vor fi față în față.

Unghiul de pas θp este dat de relația:

θp = 360o/2·pr·m = 360o/2·1·4 =45o

în care:

pr = numărul de perechi de poli rotorici;

m = numărul de faze ale MPP;

Luând ca referință axa înfășurării A-A', după m = 4 impulsuri de comandă, trebuie inversată polaritatea tensiunii pe faza A-A' pentru ca rotorul să-și mențină sensul de rotație(figura 1.1b).

Fig.1.1 Secțiune transversală a MPP cu magnet permanent în rotor , comandat în secvență simplă

În figura 1.2a este prezentată o secțiune transversală printr-un motor pas cu pas de tip activ monostatoric cu magnet permanent în rotor, în secvență de comandă bipolară mixtă, la care fazele motorului sunt alimentate pe câte una sau două faze, alternativ. Axa rotorică va trece de la o axă a unei faze alimentate la bisectoarea unghiului format de axa acesteia cu axa fazei următoare, rezultând, de aici, un unghi de pas redus la jumătate, adică θp/2 = 22.5o (funcționare cu jumătate de pas).

Rezultă că, unghiul de pas nu reprezintă o valoare pur constructivă, ci depinde și de tipul secvenței de alimentare.

Formele de undă corespunzătoare alimentării bipolare în secvență mixtă a MPP cu magnet permanent sunt prezentate în figura 1.2b.

Fig.1.2. Secțiune transversală a MPP cu magnet permanent în rotor, comandat în secvență mixtă de alimentare

Avantajele motorului pas cu pas cu magnet permanent sunt:

– dezvoltă un cuplu de fixare a rotorului, chiar cu fazele nealimentate;

– energia introdusă din exterior prin dispozitivul de comandă este mai mică;

– din cauza prezenței magnetului permanent, rotația arborelui de ieșire, la fiecare pas are un caracter amortizat.

Dezavantajele motorului pas cu pas cu magnet permanent sunt:

– performanțele motorului sunt afectate de schimbările caracteristicilor magneților permanenți;

– tensiunea electromotoare indusă în fazele de comandă este mare.

1.2.2 Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă

Motoarele pas cu pas de tip reactiv (cu reluctanță variabilă), se caracterizează prin faptul că rotoarele lor cu poli aparenți sau dinți nu conțin magneți permanenți. Constructiv, statorul MPP de tip reactiv este același ca și al MPP de tip activ, dar numărul minim al înfășurărilor de comandă este de trei.

La aceste tipuri statorul și rotorul au o configurație periferică dentară, cu respectarea condiției ca:

Zs = Zr ± 2

Zs și Zr fiind numărul dinților statorici, respectiv rotorici. Această diferență determină o asimetrie a rotorului față de stator, care face ca reluctanța magnetică să fie maximă pe o anumită axă și minimă pe altă axă. Mișcarea rotorului se face, deci, sub acțiunea principiului reluctanței minime.

Pentru MPP cu reluctanță variabilă secvențele de alimentare sunt similare celor de la MPP cu magnet permanent, cu deosebirea că, în acest caz, polaritatea tensiunii de alimentare a fazei motorului nu mai trebuie inversată (comandă unipolară). Ca urmare, există secvențele unipolare: simplă, dublă și mixtă.

În figura 1.3a este prezentată o secțiune transversală printr-un MPP monostatoric cu reluctanță variabilă care are m = 4 înfășurări de comandă (faze). Se observă că statorul are opt dinți (un dinte pe pol) în timp ce rotorul are numai șase dinți. Fiecare înfășurare de comandă este dispusă pe o pereche de poli statorici diametrali opuși. La alimentarea succesivă a înfășurărilor de comandă cu impulsuri de aceeași polaritate (secvență unipolară simplă), rotorul va căuta să ocupe o poziție corespunzătoare reluctanței minime a circuitului magnetic, rotindu-se cu un unghi de pas θp dat de relația:

θp = 360o / Zr · m = 360o / 6 · 4 = 15o

Fig. 1.3 Secțiune transversală a MPP cu reluctanță variabilă, comandat în secvență simplă

Atât timp cât faza A e alimentată dinții statorici corespunzători fazei A și cei rotorici vor fi aliniați, astfel încât circuitul magnetic să prezinte reluctanță magnetică minimă, în momentul comutării alimentării pe faza B rotorul se va roti cu 15° și astfel s-a efectuat un pas.

Acest tip de motor pas cu pas este utilizat cu precădere în aplicații care nu necesită un cuplu puternic. Alimentarea unipolară în secvență simplă a motorului pas cu pas cu reluctanță variabilă este prezentată în figura 1.3b.

În figura 1.4 este reprezentată secvența unipolară dublă pentru același MPP cu reluctanță variabilă cu patru faze.

Fig.1.4. Secțiune transversală a MPP cu reluctanță variabilă, comandat în secvență dublă

În figura 1.5 este reprezentată secvența unipolară mixtă pentru același MPP de tip reactiv tetrafazat. Se poate constata că și cu reluctanță variabilă, prin comanda în secvență mixtă, este posibilă înjumătățirea pasului (θp/2 = 7.5o).

Fig 1.5. Secțiune transversală a MPP cu reluctanță variabilă, comandat în secvență mixtă

Avantajele motorului pas cu pas cu reluctanță variabilă:

– construcție mecanică simplă;

– poate fi realizat pentru o gamă largă de unghiuri de pas;

– este bidirecțional.

Dezavantajele motorului pas cu pas cu reluctanță variabilă sunt:

– nu memorează poziția și nu dezvoltă cuplu electromagnetic în lipsa curentului de comandă din fazele statorice;

– în cazul alimentării în secvență simplă (o singură fază alimentată la un moment dat) și în lipsa unui cuplu de frecare, rotorul efectuează unghiul de pas cu oscilații importante.

1.2.3 Motorul pas cu pas hibrid

Motorul pas cu pas hibrid combină avantajele motoarelor pas cu pas cu magnet permanent și al celor cu reluctanță variabilă dar are o rezoluție pe pas mult superioară, și de asemenea cuplu și viteză mai ridicate. Și acesta este un motor pas cu pas de tip activ. Unghiurile tipice de pășire pentru acest motor sunt cuprinse între 0,9° și 3,6° la 100-400 pași/rotație.

În figura 1.6 se reprezintă o secțiune transversală printr-un astfel de MPP cu reluctanță variabilă, având pasul egal cu θp = 1.8o . Rotorul are 50 de dinți, iar statorul are opt poli aparenți, fiecare pol având cinci dinți. Înfășurările unei faze sunt dispuse pe doi poli diametrali opuși, iar sensurile de bobinaj sunt astfel încât liniile de flux se închid între 2 poli alăturați pe calea cea mai scurtă.

.

Fig.1.6. Secțiune transversală a MPP cu reluctanță variabilă, cu unghi de pas de 1.8o

Statorul se aseamană cu cel al motorului cu reluctanță varabilă diferența constând în faptul că motorul hibrid are înfășurările a două faze diferite plasate pe același pol statoric spre deosebire de motorul cu reluctanță variabilă care are doar una din cele două înfășurări ale unei faze plasate pe un singur pol, iar rotorul este dublu și se compune din două secțiuni dințate decalate una față de celaltă cu jumătate de pas dentar, acestea fiind montate pe un magnet permanent magnetizat axial. Dinții rotorici asigură o mai bună cale de ghidare a fluxului magnetic către golurile de aer dintre dinții statorici, ceea ce duce la o îmbunătățire a caracteristicilor dinamice ale cuplului în comparație cu motoarele pas cu pas cu magnet permanent și cu reluctanță variabilă.

În cazul în care este necesar un cuplu motor mai puternic se pot întări polii magnetici statorici (adăugând mai multe înfășurări, crescând curentul sau mărindu-le diametrul) sau se pot întări polii magnetici ai rotorului (utilizând magneți mai puternici sau cu un diametru mai mare).

În figura 1.7 se reprezintă un MPP hibrid cu două semirotoare în care semirotoarele au un număr de cinci crestături (reprezentate prin linie continuă sau întreruptă), sunt decalate radial cu o crestătură și sunt distanțate axial printr-un magnet permanent cilindric magnetizat axial. Pentru acest motor, pasul unghiular al crestăturilor rotorice este de 72o în timp ce pasul unghiular al polilor statorici este de 90o .

Fig.1.7. Secțiune transversală a MPP hibrid cu două semirotoare

Pentru ușurarea studiului motorului pas cu pas hibrid în figura 1.8 se prezintă un motor echivalent care are numai șase dinți rotorici și patru circuite electrice dispuse pe cei opt poli statorici.

Fig.1.8. Circuitele electrice ale statorului motorului pas cu pas hibirid

Atunci când o fază este străbătută de curent, există patru poli excitați, dar numai fluxul unei perechi de poli interacționează cu fluxul magnetic permanent, ceea ce face ca rotorul să ocupe o poziție ce corespunde reluctanței minime a circuitului magnetic.

Pentru lucrul în regimul pas cu pas este necesară o secvență de patru tacți, care reprezintă o perioadă electrică. În primul tact, atunci când prima faza 1-1’ este alimentată, cei patru poli excitați sunt 1 și 5 nord, respectiv 3 și 7 sud. Circuitele 11’ și 33’ sunt alcătuite fiecare din câte patru bobine situate pe polii 1-3-5-7, iar circuitele 22’ și 44’ tot din patru bobine plasate pe polii 2-4-6-8.

Operația de pășire este obținută în modul cel mai simplu prin alimentare succesivă a circuitelor de mai sus prezentate. Din acest punct de vedere, cele patru circuite pot fi definite ca faze ale motorului.

Cele patru faze electrice pot fi conectate și alimentate în mai multe moduri distincte, așa cum se prezintă în figura 1.9.

Fig. 1.9. Modalități de conectare a fazelor motorului pas cu pas hibrid.

Când numai o singură fază este alimentată, (Figura 1.9a) inductanțele mutuale se pot neglija, fiecare fază având o rezistență R și o inductivitate L, secvența de alimentare fiind în acest caz monopolară. În cazul în care două faze se alimentează simultan (Figura 1.9b), inductanțele mutuale ale fazelor 1 și 3 respectiv 2 și 4, nu pot fi neglijate, deoarece se dublează.

În ambele situații, dacă câte o fază este alimentată independent, motorul se poate identifica cu cele 4 faze bobinate, fiecare fază fiind asociată la o axă geometrică, fiind două câte două cuplate magnetic. Alimentarea bipolară a două faze se poate realiza practic prin legarea în serie (Figura 1.9c) respectiv în paralel a fazelor (Figura 1.9d). În ambele cazuri constanta de timp electrică și respectiv mecanică se dublează, astfel că rotorul se identifică direct cu o mașină bifazată pentru care există 2 poli excitați în același timp într-o secțiune rotorică și alți 2 în cealaltă secțiune.

Avantajele motorului pas cu pas hibrid:

– în absența alimentării fazelor prezintă un cuplu de fixare a rotorului;

– are un randament bun, datorită energiei înmagazinate în magnetul permanent din stator sau rotor;

– poate funcționa cu o frecvență mare de comandă.

Dezavantajele motorului pas cu pas hibrid:

– inerția mare a rotorului;

– performanțele motorului sunt afectate de schimbarea caracteristicilor magnetului permanent.

a) alimentare unipolară, secvență simplă;

b) alimentare unipolară, secvență dublă;

c) alimentare bipolară (legare serie);

d) alimentare bipolară (legare paralel);

Acest tip de motor are un preț de fabricație mult mai ridicat decat cel cu magnet permanent, și se recomandă a fi utilizat în aplicațiile industriale datorită cuplului static și dinamic superior.

În figura 1.10 se prezintă o fotografie a unui motor pas cu pas hibrid dezansamblat

Fig. 1.10. Fotografia unui motor pas cu pas hibrid dezansablat

Fig.1.11. Secțiune transversală și longitudinală prin motorul pas cu pas hibrid

În fig. 1.11 se prezintă o ecțiune transversală și longitudinală prin motorul pas cu pas hibrid.

Cele mai utilizate motoare pas cu pas sunt cele cu magnet permanent și hibride, mai există însă și alte tipuri constructive, cum ar fi: motorul pas cu pas cu rotor disc.

1.2.4 Motorul pas cu pas cu rotor disc

Acest tip de motor are următoarele avantaje: inerție scăzută și câmpuri magnetice optimizate fără cuplaj magnetic între cele 2 înfășurări statorice, pierderi prin putere disipată mult mai mici, toate acestea conducând la o eficiență ridicată. Eficiența este o preocupare primordială în ramuri industriale cum este robotica, deoarece o eficiență ridicată determină motorul să funcționeze mult mai silențios dezvoltând un cuplu motor mai puternic și viteze mai mari. Aceste motoare cu rotorul sub forma unui disc subțire sunt capabile să producă un număr de pași/secundă dublu față de cele convenționale.

Fig.1.12. Motorul pas cu pas cu rotor disc

1.3 Mărimi caracteristice ale motoarelor pas cu pas

Definirea celor mai importante mărimi caracteristice, mecanice și electrice, ale motoarelor pas cu pas :

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

Frecvența maximă de start-stop în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă, la care motorul poate porni, opri sau reversa fără pierderi de pași (fAom – Figura 1.13)

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 (fAm – Figura 1.13).

Cuplul limită de pornire reprezintă cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP poate porni, la o frecvență și un moment de inerție date, fără pierderi de pași (ML* – Figura 1.13).

Caracteristica limită de pornire definește domeniul cuplu-frecvență de comandă limită, în care MPP poate poni fără pierderi de pași (curba Start-Stop pentru pornire în gol – JL = 0, respectiv curba cu linie întreruptă pentru pornire în sarcină – JL 0).

Frecvența maximă de mers în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă pe care o poate urmări motorul, fără pierderea sincronismului (fBom – Figura 1.13).

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

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

Caracteristica de mers definește domeniul cuplu limită de mers-frecvență limită de mers (curba Betriebsgrenzmoment MBm – Figura 1.13), în care MPP poate funcționa în sincronism, fără pierderi de pași.

Viteza unghiulară () poate fi calculată ca produs dintre unghiul de pas și 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 menținereeste egal cu cuplul rezistent maxim, care poate fi aplicat la arborele motorului cu fazele nealimentate, fără ca să provoace rotirea continuă a rotorului.

Fig. 1.13. Curbe și mărimi caracteristice ale motoarelor pas cu pas.

CAPITOLUL II

COMANDA ȘI ALIMENTAREA MOTOARELOR PAS CU PAS

2.1 Comanda motoarelor pas cu pas

Orice sistem de poziționare cu motor pas cu pas conține două blocuri distincte, acestea sunt: unitatea de comandă (blocuri digitale, micro controller, calculator) și electronica de putere (contactoare statice, tranzistori și diode, circuite integrate specializate)

Fig. 2.1. Schema bloc pentru comanda motoarelor pas cu pas

În fig. 2.1. se prezintă schema bloc pentru comanda motoarelor pas cu pas

Principalele moduri de comandă a fazelor motorului pas cu pas hibrid bifazat sunt:

Comandă în secvență simplă de alimentare (4S, o singură fază alimentată).

Comandă în secvență dublă dealimentare (4D,tot timpul două faze alimentate simultan).

Comandă în secvență mixtă de alimentare(8M, o fază alimentată-2 faze alimentate s.a.m.d).

Comandă in regim de micropășire(unghiulde pas uzual divizat prin ,n=uzual între 1-8o)

Dintr-un alt punct de vedere, respectiv dupa modul cum circulă curentul în infășurările motorului se disting două moduri de comandă:

1. Comandă unipolară(curentul circulă numai într-un singur sens prin înfășurare)

2. Comandă bipolară(curentul circulă în ambele sensuri prin înfășurare)

2.1.1 Comandă unipolară

În general, comanda unipolară a unui motor pas cu pas se face printr-un dispozitiv electronic de putere care alimentează secvențial înfășurările fazelor motorului. Sensul de distribuție al alimentării, ca și tipul secvenței (simetrică, asimetrică) precum și frecvența de comandă a înfășurărilor, sunt realizate prin prelucrare logică secvențială cu circuite integrate, în timp ce forma curentului în fazele motorului se realizează printr-un etaj de comutație statică forțată.

Rolul acestui dispozitiv este de a prelua semnalele de comandă, de obicei standard TTL, CMOS (impulsuri de comandă, sens, tip secvență), a le distribui secvențial într-un număr de combinații egal cu numărul fazelor motorului, a le amplifica și apoi a le aplica fazelor motorului.

Pentru comanda și alimentarea unipolară a unui motor pas cu pas, în circuit deschis, sunt necesare elementele din figura 2.2 (comandă unipolară în tensiune).

Fig. 2.2. Schema bloc de comandă și alimentare unipolară a MPP cu 4 faze

Distribuitoarele de impulsuri sunt blocuri ce preiau trenul de impulsuri de comandă (compatibile TTL sau CMOS), împreună cu comenzile de sens și furnizează la ieșire m impulsuri decalate unele față de altele cu unghiul 2/m (pasul electric). În principiu, orice distribuitor are o parte secvențială constând în general dintr-un numărător și o parte combinațională ce realizează decodificarea (secvența de lucru), uneori și sensul de deplasare (atunci când se folosește un numărător sincron sau un registru de deplasare).

Variantele realizate cu circuite basculante sunt printre cele mai simple distribuitoare de impulsuri. Prin folosirea circuitelor basculante bistabile sincrone se elimină fenomenele de concurs între semnale.

În figura 2.3 se prezintă o secțiune transversală printr-un motor pas cu pas comandat unipolar având un unghi de 30°/pas.

Acest tip de motor are două faze fiecare având câte o priză mediană, firele provenind de la această priză mediană sunt fie scoase fiecare separat afara carcasei, fie sunt conectate impreună în interiorul motorului și din astfel încât acest motor poate avea 5 sau 6 fire. Indiferent de numărul de fire comanda acestor motoare se realizează în același fel. Prezența acestei prize mediene face ca doar jumătate din volumul de cupru al înfășurării să fie utilizat. Sensul fluxului și al curentului prin înfășurări se poate inversa comutând tensiunea de pe o jumătate a înfășurării de fază pe cealaltă jumătate a înfășurării de fază.

Fig.2.3. Comanda unipolară a motorului pas cu pas.

Fig. 2.4. Driver pentru comanda unipolară

2.1.2 Comandă bipolară

Metoda de comandă bipolară mai este cunoscută și sub denumirea de comandă cu choppare, aceasta este mai complexă și mai costisitoare decât cea unipolară însă produce un cuplu motor mai puternic. Chopperele bipolare, folosind tranzistori în comutație elimină nevoia utilizării a două surse de alimentare.

Comanda biploară a motoarelor pas cu pas diferă de cea unipolară prin faptul că nu este utilizată priza mediană a motoarelor, astfel curentul va parcurge întreaga înfășurare nu doar jumătate din ea ca în cazul comenzii unipolare, cuplul motor produs fiind superior celui obținut prin comanda unipolară. Partea electronică de comandă este mult mai complicată fiind necesară inversarea polarității fiecărei perechi de poli. Aceasta necesită o punte în H care oferă posibilitatea comandării independente a polarității fiecărei faze.

O punte în H este prezentată în figura 2.6 și constă din 4 tranzistori, 4 diode de recirculare a curentului și o rezistență externă.

Fig.2.5. Comanda bipolară a motorului pas cu pas

Fig. 2.6. Driver pentru comanda bipolară

Diodele legate în paralel cu fiecare tranzistor au menirea de a proteja tranzistoarele de vârfurile de tensiune care pot apărea.

2.2 Alimentarea motorului pas cu pas

Semnalele generate de distribuitorul de impulsuri trebuiesc amplificate pentru a transmite puterea adecvată motorului.La puteri mici și chiar mijlocii tranzistoarele bipolare de putere rămân cele mai utilizate.

Problema principală a contactoarelor statice o constituie polaritatea tensiunii aplicate fazelor motorului. Din acest punct de vedere se deosebesc drivere pentru alimentarea unipolară și pentru alimentarea bipolară.

Deoarece la curenți mari tranzistoarele bipolare de putere au factor deamplificare în curent relativ scăzut, montajele Darlington sunt foarte frecvent folosite (Fig. 2.7).

Fig. 2.7. Structuri Darlington utilizate la comanda MPP

Principala problemă care apare la creșterea frecvenței de comandă constă în aceea că la întreruperea sau conectarea curentului, inductanța Lm a înfășurării generează supratensiuni care se opun schimbării valorii curentului. Dacă se utilizează schema din Fig. 2.8, se observă că la frecvențe mici curentul este limitat numai de rezistența Rm a înfășurării. Din acest motiv, tensiunea de alimentare +U=+Un trebuie aleasă în așa fel încât să nu depășească curentul admis prin înfășurări și contactoarele statice, deci relativ mică. Totodată, valorile limită ale tensiunii de străpungere și puterii disipate nu trebuie depășite în nici un mod de funcționare.

La stabilirea curentului prin fazele motorului, acesta va crește după legea:

unde:

Te=Lm/Rmeste constanta electromagnetică de timp a fazei motorului;

Lmși Rmsunt inductivitatea proprie respectiv rezistența fazei motorului;

Un este tensiunea continuă nominală de alimentare.

Fig. 2.8. Structură Darlington cu ramură de descărcare utilizată la comanda MPP.

Pentru ca MPP să răspundă la frecvențe de comandă cât mai mari, este necesar ca timpul t1=[4÷5]-Tede stabilire a curentului la valoarea [0.98÷0.99]% din valoarea de regim staționar In=Un/Rmsă fie cât mai mic. Cum constanta electromagnetică de timp Te este în general destul de mare (constante de ordinul 3ms sunt uzuale),frecvența de comandă fmax = 1/t1 înseamnă [67÷84] Hz, ceea ce reprezintă destul de puțin.

La încercarea de întrerupere a curentului, inductanța Lm va genera o tensiune dt care tinde să mențină curentul în faza motorului. Tranzistorul fiind blocat, această tensiune va crește suficient de mult ca energia înmagazinată în câmp să fie preluată de capacitatea parazită :

Deoarece capacitatea parazită este mică, această tensiune va fi foarte mare, în special la curenți și inductanțe mari. Presupunând că tranzistorul final rezistă (la fel izolațiile), vor avea loc oscilații în circuitul , , până la epuizarea prin disipare termică pe rezistența a energiei.

Procedeele care asigură creșterea mai rapidă a curentului se numesc de forțare iar cele care asigură o cale de continuare și scădere rapidă a curentului de întrerupere pentru suprimarea supratensiunilor, se numesc de supresare.

Reducerea timpului de creștere a curentului în faze se realizează prin următoarele tehnici:

Forțarea prin rezistență serie;

Forțarea prin tensiune(alimentare cu două tensiuni)

Forțarea tip "chopper"

2.2.1 Forțarea prin rezistență serie

Este cea mai simplă metodă și constă în conectarea unei rezistențe, R, în serie cu înfășurarea de fază a motorului pas cu pas.

În fig.2.9 este prezentat principiul forțării cu rezistență serie, în care Lm,Rm sunt parametri fazei MPP, R este rezistentă adițională de forțare,T este trasnzistorul cu rol de întrerupător static,iar dioda D este dioda supresoare pentru atenuarea supratensiunilor pe tranzistor,la blocarea acestuia. Astfel, constanta de timp se reduce de la Lm/Rm la Lm/(Rm+R), dar tensiunea de alimentare crește de la la valoarea U1=(R+Rm), unde este curentul nominal al fazei motorului pas cu pas.

Diagrama este reprezentată în timp forma curentului prin faza motorului având pantele,la conectare(circuitulR,Lm,Rm,T) respectiv deconectare(circuitul R,Lm,Rm,D),devalorile Te1=Te2=Lm/(Rm+R). În concluzie, se poate arăta că forțarea prin rezistență oferă performanțe superioare față de situația nefortarii, însă, prezintă dezavantajul randamentului slab(surplusul de putere disipată pe rezistenta adițională R).

Fig. 2.9. Principiul forțării cu rezistență serie

Există mai multe variante de scheme de alimentare cu forțare prin rezistență (fig.2.10 ).O schemă des utilizată este aceeaîn care numărul rezistoarelor se reduce la unul singur (R) plasat între punctul comun al fazelor și sursa de alimentare.Un singur rezistor se poate plasa și pe calea de supresare,unind catozii diodelor supresoare.Acesta permite economisirea rezistoarelor,în schimb mărește puterea disipată pe rezistorul comun.Ambele sunt valabile pentru comanda unipolara MPP.

Fig.2.10.Forțarea cu rezistența în cazul MPP cu patru faze:

(a)cu rezistența pe fiecare fază,(b)cu rezistența comună

2.2.2 Forțarea prin tensiune ( alimentarea cu două tensiuni)

Alimentarea cu două tensiuni este o metodă de forțare, care constă în aplicarea pe faza MPP a unei tensiuni înalte U1 pe durata creșterii curentului până la valoarea nominală In, după care alimentarea este comutată la o tensiune scăzută U2 , care va menține curentul la valoarea nominală.

Schema de principiu a forțării cu două tensiuni este prezentată în Fig. 2.11a.

Fig.2.11. Forțarea prin alimentarea cu două tensiuni.

Inițial sunt deschise ambele tranzistoare: T1 prin impulsul de comandă de durată T=1/f de la distribuitorul de impulsuri iar T2 printr-un impuls foarte scurt obținut de la monostabilul I1 comandat de frontul activ al semnalului de tact. Saturarea tranzistorului T2 determină intrarea în conducție și a tranzistorului T3. Rezistenta Rm fiind mică, iar tensiunea destul de mare, curentul tinde să crească la o valoare mare /, cu aceeași constantă de timp =/(fig.2.11b,curba 1):

Când curentul ajunge la valoarea nominală:

tranzistoarele T2și T3 sunt blocate, iar alimentarea este comutată pe sursa de tensiune joasă U2 prin deschiderea diodei D. Tensiunea U2 menține curentul la valoarea nominală până la blocarea tranzistorului T1, după care curentul scade exponențial prin Ds cu aceeași constanta electromagnetică de timp Te.

Rezultă că, plecând de la zero, pentru a atinge curentul nominal este necesar timpul de stabilire t1:

unde U1/Un=Kf>1 este factorul de forțarecare poate lua valori Kf=[5÷30].Se observă că timpul de stabilire t1 scade cu mărirea tensiunii înalte U1.

Tehnica forțării prin alimentare cu două tensiuni este avantajoasă sub aspectul frecventei maxime și a randamentului.Calculând valoarea medie a tensiunii aplicate motorului,rezultă:

în care T=1/f reprezintă perioada de comandă,de unde se poate concluziona că,prin această tehnică de forțare se obține un reglaj de viteză de tip U/f=constant,întâlnit la reglarea prin frecvență a motoarelor electrice de curent alternativ.

Tehnica descrisă prezintă dezavantajele legate de complicarea schemei de comandă, necesitatea a două surse de alimentare a unui număr mare de tranzistoare de putere cu valori UCEmax ridicate.

2.2.3 Forțarea tip “chopper”

Alimentarea tip "chopper" se bazează pe utilizarea unei singure tensiuni de alimentare U1 de valoare mare și un circuit cu structură trigger Schmitt care comandă deconectarea și conectarea acestei tensiuni cu o frecvență ridicată, pe durată perioadei de comandă T=1/f. Ca urmare curentul va fi obligat să oscileze în jurul valorii nominale In. În Fig. (2.12a) este prezentată schema de principiu a unui "driver" cu forțare de tip "chopper", format din tranzitorul T1, comandat cu impulsuri de durată T și tranzistorul T2 comandat prin reacție de curent, cu un circuit cu structură trigger Schmitt. Comanda triggerului se face cu ajutorul rezistenței de măsură Rs și cu circuitul de integrare R3, C1.

Tensiunea de alimentare U1, care în mod normal este de câteva ori mai mare decât valoarea nominală, cauzează o creștere rapidă a curentului, întocmai ca în cazul alimentării cu două tensiuni. În momentul când curentul atinge valoarea maximă IM, se blochează tranzistorul T2, tranzistorul T1 rămânând în continuare saturat. Curentul începe să scadă (prin circuitul de supresare), iar când ajunge la valoarea Im<In<IM, tranzistorul T2 se saturează din nou. În acest fel faza MPP este alimentată periodic cu tensiunea U1 astfel încât valoarea medie a curentului să rămână la valoarea nominală.

Frecvența de comandă T' a tranzistorului T2 este de [l÷30] KHz și depinde de parametrii fazei MPP (Lm, Rm) și de histerezisul circuitului trigger Schmitt.

Diagramele de timp pentru forțarea de tip "chopper" sunt prezentate în (Fig. 2.12b).

Fig. 2. 12. Schema de principiu a forțării de tip “chopper”

Timpul după care curentul va atinge valoarea IM, numit timp de stabilire,este:

în care U0=(Rm+Rs)IM este o constantă apropiată de tensiunea nominală(Fig.2.12b).

De asemenea, timpul de conectareeste:

în care este și ea o constantă.

Timpul de deconectareeste:

și poate fi modificată cu ajutorul rezistenței R3.

Din punct de vedere al frecvenței maxime, această tehnică de forțare aduce aceeași performanță ca în cazul forțării prin alimentarea cu două tensiuni.

De asemenea, valoarea medie a tensiunii crește cu frecvența de comandă:

deoarece:

Pentru curentul maxim IM se poate scrie relația:

din care se poate determina valoarea necesară t2, dacă se impune IMși valorile R3,C1. Atenuarea supratensiunilor la blocarea repetată a tranzistorului T2 se realizează prin circuitul cu dioda D1.

Deși această tehnică de forțare necesită o schemă mai complicată, ea oferă și posibilitatea reglării valorii curentului în faza motorului și prin urmare, a cuplului dezvoltat de motor.

2.3 Sisteme tipice de alimenatre bazate pe forțare

Până aici s-au prezentat diferite scheme de alimentare cu forțare pentru secvențe unipolare,prevăzute cu tranzistoare unipolare de putere, ținând cont că acestea sunt excelente elemente de comutație statică la puteri mici și frecvente medii,caracteristice,în general motorului pas cu pas.

În (Fig 2.13a) este prezentat un contactor bipolar în "semipunte",alimentat de la o sursă dublă de alimentare.La saturarea tranzistorului T1,curentul circula de la V+prin T1,R,Rm,Lm în sensul indicat.La blocarea lui T1, curentul de întoarcere circulă prin Rm,Lm,V-,D2.

Fenomenul este similar pentru sensul invers al curentului.Comandă se face printr-o schemă logică (Fig 2.13b) care trimite impulsul F1 de la distribuitor spre T1 sau T2,după cum impulsul anterior a comandat pe T2 respectiv T1,astfel la fiecare repetare a alimentari se face aceasta inversare.

Schema din Fig 2.13c reprezintă un montaj în "punte",care utilizează o singură sursă de alimentare.Este indicat sensul curentului la conectare(tranzistoarele T1 și T2 săturate) și la deconectare(D2și D3).Se pot remarca două lucruri:complexitatea schemelor și necesitatea unor surse care să permită curent invers.

Fig 2.13. Forțarea prin rezistența în cazul alimentării bipolare

2.4 Metode de surpresare

Când o fază a motorului este deconectată,curentul prin fază nu scade instantaneu din cauza inductivității Lm a înfășurării,Când următoarea fază a motorului este conectată,scăderea curentului în faza tocmai deconectat are un efect de frânare asupra răspunsului motorului.

Mărimea tensiunii tranzitorii va depăși valoarea limită UCEmax a oricărui tranzistor, determinându-i străpungerea. Practic, înfășurările tipice ale motorului pas cu pas pot cauza, ușor, supratensiuni tranzitorii inductive de 50100 ori mai mari decât tensiunea aplicată motorului, fiind necesară supresarea acestora în gama valorilor sigure ale tensiunilor UCE.

În consecință, etajele alimentării de putere ale celor mai multe motoare pas cu pas trebuie să conțină circuite de supresare pentru protecția tranzistoarelor de putere împotriva tensiunilor inductive tranzitorii. Metodele uzuale de protecție sunt:

– supresarea cu diodă

– supresarea cu diodă si rezistență – reduce constanta de timp a scăderii curentului

– supresarea cu diodă Zener;

– supresarea activă.

2.4.1 Supresarea cu diodă

Cea mai simplă metodă de supresare se poate realiza cu clasica diodă de descărcare pe circuitul fiecărei faze a motorului (Fig. 2.14a). La conectare, dioda DS este polarizată invers și acționează ca o impedanță foarte mare șuntând înfășurarea MPP. La deconectare, polaritatea tensiunii inductanței Lm se inversează instantaneu, dioda devine polarizată direct și oferă o cale de impedanță scăzută pentru curent.

Fig 2.14. Supresarea cu diodă

Ecuația de tensiune a circuitului la întreruperea alimentării fazei MPP este:
,

unde cu Te=Lm/Rm s-a notat constanta electromagnetica de timp a fazei MPP.
Timpul după care curentul din faza motorului pas cu pas se va anula, numit timp de supresare, este:

,

care este controlabil prin intermediul rezistenței de supresare R(în sensul reducerii, Fig. 2.14b).

Energia înmagazinată în inductanța Lm a fazei motorului se va disipa pe rezistenta Rm . Constantă de timp la scăderea curentului este Te=Lm/Rm , deci procesul de supresare este lent.Dioda supresoare fixează tensiunea UCE a tranzistorului comutator la valaorea Un+UD.

2.4.2 Supresarea cu diodă și rezistență

Când este dorită o viteză de rotație mai mare, energia din infățurarea deconectată trebuie să fie disipată în cel mai scurt timp posibil. Aceasta se poate realiza adăugând o rezistență Rîn serie cu dioda supresoare DS, pentru a reduce constanta de timp la descărcare, după cum se prezintă în Fig. 2.15a.

Fig. 2.15. Supresarea cu diodă și rezistență.

Ecuația de tensiune a circuitului la întreruperea alimentării fazei MPP este:

unde cu s-a notat noua constantă electromagnetică de timp.

Timpul de supresare are expresia:

care este controlabil prin intermediul rezistenței de supresare R (Fig. 2.15b).

Valoarea maximă a rezistenței de supresare R care poate fi folosită depinde de tensiunea UCEmax a tranzistorului comutator:

Energia înmagazinată un înfășurarea fazei MPP se va disipape rezistentele Rm și R ale circuitului de supresare.

2.4.3 Supresarea cu diodă și diodă Zener

Pentru scăderi ale curentului în faze mai rapide decât cele obținute cu schemele dioda-rezistența,se pot folosi circuite cu surpresare prin dioda Zener.Schema de principiu a acestei metode este prezentată în Fig.2.16a

Fig.2.16. Supresarea cu diodă și diodă Zener

Ecuația de tensiune a circuitului la întreruperea alimentării fazei MPP este:

Timpul de supresare are expresia:

care este cu atât mai mic cu cât tensiunea Uz a diodei Zener este mai mare (Fig. 2.16b).

Energia înmagazinată în înfășurarea fazei MPP este disipată sub formă de căldură în dioda Zener D1 și rezistența Rm.

Valoarea maximă a tensiunii tranzitorii de ieșire este în acest caz previzibilă:

.

Când tranzistorul de putere al unei faze a motorului este în conducție, energia electrică este transmisă de către sursa de putere de c. c. fazei motorului. În momentul deconectării fazei, prin circuitul de supresare, energia electrică trebuie transmisă înapoi sursei de putere (supresare activă) sau trebuie disipată (supresare pasivă). Acest transfer al energiei electrice între sursa de putere și motor, precum și valoarea relativ mare a energiei electrice care trebuie uneori disipată în rezistențe, face sistemul de alimentare ineficient.

Metodele de supresare pasivă prezintă următoarele dezavantaje:

Energia magnetică a fazei deconectate este întotdeauna disipată în rezistența echivalentă a circuitului de supresare și în rezistența înfășurării fazei.

Viteza maximă de rotație în circuit deschis a MPP este relativ scăzută.

Valoarea admisibilă a rezistenței de supresare R sau a diodei Zener D1 este limitată, în scopul de a asigura protecția tranzistoarelor de putere.

Apariția unui cuplu negativ, produs de către curentul fazei deconectate, produce un efect de frânare.

2.4.4 Metode de supresare activă

Metoda de supresare activă are următoarele avantaje:

Stabilitate îmbunătățită: motorul este capabil să atingă viteze de rotație mari chiar și în circuit deschis, fără amortizări exterioare.

Energia magnetică a fazei deconectate nu este disipată termic, ci transferată sursei de alimentare și următoarei faze care va fi conectată.

Posibilitatea comutării unor curenți mari, cu risc redus de distrugere a tranzistoarelor de putere.

Inexistența componentei negative a cuplului la deconectarea fazelor.

În Fig. 2.17 sunt reprezentate elementele circuitului de alimentare cu supresare activă, pentru o fază a MPP.

Fig. 2.17. Schemă de alimentare cu supresare activă

Când faza motorului este alimentată, tranzistoarele T1 și T2 sunt saturate, diodele D1 și D2 sunt polarizate invers iar curentul i(t) este marcat cu linie continuă. Când faza este deconectată, tranzistoarele T1 și T2 sunt blocate și tensiunea UL(t) devine negativă. Aceasta determină diodele D1 și D2să treacă în conducție până când curentul fazei devine zero. Tensiunile pe tranzistoarele T1 și T2 sunt UCE1=UCE2=U+UD. Prin urmare, la deconectare fazei motorului nici un vârf de tensiune nu va apare pe tranzistoarele T1 și T2.

În Fig.2.18este prezentată comutarea a două faze adiacente, când faza F1 este deconectată și este conectată faza F2. În acest caz energia magnetică nu este disipată în circuitul de supresare, ci transferată fazei care urmează a se conecta și sursei de alimentare (dacă permite curent invers).

Fig. 2.18. Comutarea a două faze cu supresare activă

După întreruperea alimentării fazei motorului se poate scrie (Fig. 2.17):

unde UD=UD1=UD2 sunt tensiunile pe diodele D1 și D2, în conducție.

Presupunând că pe durata alimentării fazei motorului s-a atins valoarea I, curentul va descrește după legea (Te=Lm/Rm):

Timpul după care curentul se va anula, numit timp de supresare, are expresia:

care este cu atât mai mic cu cât tensiunea U este mai mare.Se observă că procedeul de supresare activa este asemănător cu cel de supresare pasivă cu dioda Zener.

La alimentarea fazei motorului, curentul va crește după legea:

Rezultă că, plecând de la zero, curentul din faza MPP atinge valoarea I în timpul de creștere:

care scade cu creșterea tensiunii U folosite în procesul de forțare.

Cu aproximarea cunoscută și suficient de precisă:

relațiile (2.23) și (2.25) devin:

Rezultă de aici că:

tc> tS,

indiferent de valorile Rm, I, U sau Te=Lm/Rm.

Din relația (2.28) rezultă că, indiferent de frecvența de comandă f=1/T a motorului, dacă curentul a avut timp în perioada T să ajungă la o valoare oarecare I, în mod sigur în perioada următoare el va reuși să scadă la zero înaintea de sfârșitul perioadei (Fig 2.19).

Fig. 2.19. Principiul supresării active

CAPITOLUL III

SISTEME DE POZIȚIONARE

3.1 Generalități

Poziția, ca mărime de ieșire în sistemele automate, reprezintă unul dintre cei mai importanți parametrii de reglare, având în vedere că deplasarea mecanică – liniară sau rotativă se întâlnesc în marea majoritate a aplicațiilor. De altfel, din totdeauna, poziția a reprezentat prima mărime fizică care a necesitat introducerea procesului de reglare automată. Exemple de aplicații în care se reglează poziția sunt nenumărate, cele mai reprezentative fiind în:

mașini unelte;

navigație maritimă;

navigație aeronautică și astronautică;

tehnică cinematografică;

echipamente periferice pentru calculatoare (imprimante, scannere, etc.);

reglaje în diverse industrii;

telecomunicații prin lasere.

Sistemele de poziționare presupun un ansamblu de componente în principal electromecanice, care fac posibilă poziționarea în primul rând cât mai exactă și apoi cât mai rapidă a unor obiecte. Din punct de vedere al spațiului există mai multe tipuri de poziționări:

pe o singură axă (1D):

rigle de poziționare;

imprimante și scannere;

capete de citire (Hard Disc, CD ROM)

reglarea altitudinii avioanelor;

mașini unelte;

microscoape;

pe două axe (2D):

roboți de poziționare a componentelor electronice;

poziționarea camerelor de luat vederi;

orientarea platformelor de captarea a energiei solare;

orientarea telescoapelor;

mașini unelte;

plottere;

pe trei axe (3D):

roboți industriali (industria constructoare de mașini, chimică);

mașini de gravat;

mașini de copiat piese mecanice;

mașini de găurit și frezat cu comandă numerică;

sisteme de poziționare a sateliților;

echipamente de ambalare.

pe patru axe(4D)

pe cinci axe (5D)

3.2 Exemple de sisteme de poziționare

3.2.1 Sisteme de poziționare pe o axă (1D)

a. b.

Fig.3.1 Sisteme de poziționare pe o axă (1D)

În figura 3.1 sunt prezentate două tipuri sisteme de poziționare într-o singură dimensiune. Mecanismul din figura 3.1.a permite o poziționare liniară, axa putând fi orientată pe oricare dintre cele trei dimensiuni ale spațiului (X-Y-Z). Partea mobilă poate fi acționată de motor printr-un mecanism șurub-piuliță sau prin curele dințate, fiind posibilă realizarea unui reductor de rotație, dacă este nevoie. Mecanismul din figura 3.1.b arată un angrenaj melcat ce permite poziționarea foarte precisă unui obiect prin rotația lui. Un astfel de mecanism este necesar deoarece permite demultiplicarea rotației motorului obținând astfel o rezoluție mai bună a mișcării și o insensibilizare la mișcările bruște ale motorului.

Fig 3.2 Imaginea unor sisteme de poziționare pe 1 axă.

3.2.2 Sisteme de poziționare pe două axe ( 2D)

În figura 3.3 sunt prezentate patru tipuri mecanisme ce permit poziționare pe două axe. Mecanismul din figura 3.3a este orientat pe axele X-Z. Acesta poate fi folosit pentru a muta obiecte de la o înălțime la alta (de pe un raft pe altul de exemplu), pentru a poziționa lame de tăiere, etc. Figurile 3.3b și 3.3d reprezintă roboți de tip PORTAL fiind diferite doar prin greutatea maximă a obiectului poziționat pe care îl pot muta.

Fig. 3.3 Sisteme de poziționare pe două axe

Fig 3.4 Imaginea unui sistem de poziționare pe 2 axe.

3.2.3 Sisteme de poziționare pe 3 axe (3D)

În figura 3.5 sunt prezentate două tipuri de sisteme de poziționare pe 3 axe (X-Y-Z). Robotul din figura 3.5a este unul cartezian, iar cel din figura 3.5b este un robot de tip PORTAL.

Fig.3.5Sisteme de poziționare 3D

Fig 3.6 Imaginea unui sistem de poziționare pe 3 axe.

Fig. 3.7 Imaginea unui sistem de pozitionare pe 3 axe

3.2.4 Sisteme de poziționare pe 4 axe

În figura 3.8 este prezentată imaginea unui sistem de poziționare pe 4 axe, care are pe lângă cele 3 axe(X,Y,Z) liniare, și o masă rotativă care este cea de a patra axă (A).

Fig. 3.8 Imaginea unui sistem de poziționare pe 4 axe

3.2.5 Sisteme de poziționare pe 5 axe

În figură 3.9 este prezentat un sistem de poziționare pe 5 axe, respectiv axele A si B rotative care sunt plasate pe masa propriu-zisă a sistemului X Y Z liniar,care sunt angrenate de motoare pas cu pas ,la fel ca și axele X,Y,Z., liniare.

Fig. 3.9. Imaginea unui sistem de pozitionare pe 5 axe

CAPITOLUL IV

MODUL DE INTERFATA PE PORTUL USB PENTRU COMANDA A 5 MOTOARE PAS CU PAS HIBRIDE BIPOLARE

4.1 Circuitul integrat specializat TB6560AHQ

Circuitul integrat TB650AHQ este un driver de comandă a unui motor pas cu pas bipolar sub forma de circuit integrat, proiectat să comande cele 2 faze ale motorului in regim de micropășire, generând 2 forme de undă în quadratură (sinus respectiv cosinus ), cu reglarea curentului în faza motorului prin metoda PWM (chopper).

Driverul obținut cu ajutorul acestui circuit permite o funcționare lină a motorului pas cu pas, fără vibrații, funcționare la frecvențe ridicate, ce permit turații ridicate, cu porniri și opriri repetate fără pierdere de pași, deci o funcționare sigură a MPP.

Caracteristicile principale ale circuitului:

Driver pentru comanda MPP cu curenți sinusoidali respectiv cosinusoidali în quadratură, pe un singur cip cu componente minime în jurul lui.

Tensiunea de alimentare este cuprinsă între 12-34Vcc și un curent prin fazele motorului pas cu pas reglabil între 0 -3A(SW1/SW2/SW3)

Permite porniri și reversări rapide de la frecvență scăzută la frecvență ridicată

Selectarea modului de comandă pentru comanda la θp, θp/2, θp/8, θp/16

Protecție termică a circuitului

Pini de resetare și validare

Schema bloc a circuitului integrat TB6560AHQ se prezintă în figura 4.1.

Fig. 4.1 Schema bloc a circuitului integrat TB6560AHQ

Semnificația pinilor circuitului integrat TB6560AHQ se prezintă in tabelul 1.

Tabelul 1. Semnificația pinilor circuitului integrat

În tabelul 2 se indică modul de acțiune al semnalelor tact (CLK), sens (CW/CCW), reset(RESET), validare (ENABLE).

Tabelul 2. Modul de acțiune al semnalelor tact (CLK), sens (CW/CCW), reset(RESET), validare (ENABLE).

În figura 4.2 se prezintă cronogramele (diagrama temporală) de funcționare a driverului, ilustrând modul de acțiune a semnalului ENABLE și semnalele de ieșire(IA ,IB) pentru modul de funcționare la θp/2, M1=H, M2=L.

Fig. 4.2. Cronogramele pentru semnalul ENABLE și semnalul de ieșire(IA ,IB)

θp/2, M1=H, M2=L.

Fig. 4.3. Cronogramele pentru semnalul RESET și semnalul de ieșire(IA ,IB)

θp/2, M1=H, M2=L.

În figura 4.4 se prezintă cronogramele de funcționare la θp (M1=L, M2=L, CW) pentru semnalul de TACT(CLK) și curenții de ieșire(IA ,IB).

Fig. 4.4. Cronogramelepentru semnalul de TACT(CLK) și curenții de ieșire(IA ,IB)

θp (M1=L, M2=L, CW)

În figura 4.5 se prezintă cronogramele de funcționare la θp/2 (M1=H, M2=L, CW) pentru semnalul de TACT si curenții de ieșire(IA ,IB).

Fig. 4.5. Cronogramele pentru semnalul de tact si curenții de ieșire

θp/2 (M1=H, M2=L, CW).

În figura 4.6 se prezintă cronogramele de funcționare la θp/8 (M1=H, M2=H, CW) pentru semnalul de TACT și curenții de ieșire(IA ,IB).

Fig. 4.6 Cronogramele pentru semnalul TACT(CLK) și curenții de ieșire(IA ,IB)θp /8 (M1=H, M2=H, CW)

În figura 4.7 se prezintă cronogramele de funcționare pe 2 faze la θp/16 (M1=L, M2=H, CW) pentru semnalul TACT(CLK) și curenții de ieșire(IA ,IB)

Fig. 4.7 Cronogramele pentru semnalul de tact și curenții de ieșire.

θp/16 (M1=L, M2=H, CW)

Formele de undă reale din fazele motorului pas cu pas bipolar , achiziționate prin înserierea fazelor cu un modul cu traductoare de curent performante de tip modul LEM (LA55-P) se prezintă în figurile 4.8 până la fig. 4.11.

Fig. 4.8. Forma de undă a curentului in faza MPPH bifazat,c-da la pas întreg θp=1.8o.

Fig. 4.9. Forma de undă a curentului, la pas θp/2=0.9o.

Fig. 4.10. Forma de undă a curentului, la pas θp/8.

Fig. 4.11. Forma de undă a curentului, la pas θp/16

În figura 4.12 se prezintă schema electronică a unui modul de comandă a motorului pas cu pas hibrid, iar realizarea practică s-a făcut prin metoda cablajului călcat(figura 4.13) ,rezultatul final fiind cel din figura 4.14.

Fig. 4.12. Schema electronică a unui modul de comandă a motorului pas cu pas hibrid cu circuitul integrat specializat TB656

Fig. 4.13. Fotografia cablajului imprimat

Fig. 4.14. Fotografia modului de comandă a motorului pas cu pas hibrid, realizata practic

În figură 4.15 se prezintă fotografia driverului, proiectat ,realizat practic și testa experimental ,cu circuitul integrat specializat Toshiba TB6560AHQ(realizare profesională de firma specializată)

Fig. 4.15.Fotografia driverului cu circuitul integratTB6560AHQ

Modul de interconectare a modulului cu exteriorul:

semnale STEP(TACT),DIR(SENS), ENABLE(VALIDARE) se prezintă în tabelul 3

Tabelul 3

Modul de interconectare a motorului și a sursei de alimentare se prezintă în tabelul 4

semnalele de comandă logice (SW1-SW3, S1-S6), TTL se prezintă în figură 4.16.

Tabelul 4

Fig4.16Semnificația pinilorcomutatorului de tip switch

Curentul pe fazele motorului pas cu pas se pot regla, poziționând în mod corespunzător SW1,SW2 și SW3 conform tabelului 5

Tabelul 5

Driverul poate fi configurat independent pentru comanda în regim de micropășire a fiecărui motor configurând în mod corespunzător S3 si S4 conform tabelului 6 .

Tabelul6

Modul de descreștere a curentului prin fazele motorului pas cu pas poate fi selectabil independent poziționând în mod corespunzător swich-urile S1 și S2 conform tabelului 7.

Tabelul 7

În tabelul 8 este prezentat modul de selectare cu switch-urile S5 și S6 a cuplului transmis motorului.

Tabelul 8

Controlul semnalului aplicat driverului, se realizeaz prin modul de interconectare a driverului cu un sistem cu microcontroler sau PC (fig 4.17).

Fig. 4.17. Mod de interconectare a driverului cu un sistem cu microcontroler sau PC

4.2 Descrierea modulului de interfațare

Modulul electronic a fost proiectat pentru comanda a 5 motoare pas cu pas,prin intermediul portului USB.În figură 4.18 este prezentată interfața cu porturile de intrare și ieșire ,respectiv sursele de alimentare.

Fig 4.18Vedere de asamblu a interfaței de comandă a 5 axe acționate cu MPPH bifazat, pe portul USB

Principalele caracteristici ale interfaței sunt:

Modulul a fost proiectatsub forma compactăpentru a comanda unCNC cu 5 axe (X, Y, Z,A,B) ,acționate cu MPPH bifazat,ușor interfațabil cu un calculator personal, pe portul USB

Comandă 1-5 motoare pas cu pas bipolare

Suportă10 semnale de intrare (uzual folosite pentru setarea originii axelor X,Y,Z,A.B, total stop )

Interfață de intrare conține 12 porturi izolate pentru date digitale obișnuite

Suporta 3 semnale de ieșire care pot fi configurate pentru răcire sau alte periferice

Un port de ieșire de tip 0-10V pentru comanda acționări axului principal de tip sculă(convertizor de frecvență)

Compatibil cu numeroase limbaje de programare (Mach2/3, Master5, USBCNC)

În figura 4.19 se prezintă modul de interconectare a interfeței cu diferite periferice,prin intermediul conectoarelor de ieșire de pe interfața astfel:

Porturile de ieșire pentru cele 3 axe:X,Y,Z

Porturi de ieșire pentru conectarea unor relee

Port de ieșire pentru conectarea unui generator manual de impulsuri(MPG)

Terminal bloc pentru convertizorul de frecvență

Porturile de intrare pentru conectarea diferitelor butoane,switch-uri si senzori

Portul USB pentru conectarea la PC

Fig 4.19Modul de interconectare a interfeței cu diferite periferice

Pentrua comanda un driverul axei X,se vor folosi pini de pe terminalul bloc al axei X ca si in figura 4.20:

COM +(+5V)

CP-(TACT )

DIR- ( SENS )

La fel se vor conecta toate driverele pentru cele 5 axe.

Fig 4.20Conectare driver MPP la interfața

În figura 4.21 este prezentată schema electronică a etajului de ieșire pentru semnalele OUT2 respectiv OUT3 separate galvanic:

Fig4.21 Structura internă a ieșirilor OUT2,OUT3

În figura 4.22este prezentatăconectarea unui releu pe ieșirea OUT3. Alimentarea externă trebuie să corespundă specificațiilor releului deoarece optocuplorul intern nu poate absorbi mai puțin de 50 mA,în cazul în care nu ajunge la acest prag se va adăuga un amplificator de curent.

Fig 4.22Conectarea unui releupe ieșirea OUT3

Interfața are și o intrare pentru convertizorul de frecvență,compusa din 4 pini:INDS-intrare de răspuns a turației axului,VSO-ieșire de viteză reglabilă 0-10V, M3-comutator de rulare spindle, GND-ieșire la masa(figura 4.23).

Fig 4.23Conectarea convertizorului de frecvență

Porturile de intrare sunt în număr de 10 de la INP1-INP10,în care se va conecta un buton ESTOP, switch-urile capetelor de cursă și senzori de proximitate,fiecare alimentandu-se de la pini de 12V(figura 4.24)

Fig 4.24Conectare accesori periferice

4.3 Descrierea driverului de micropăsire

În figura 4.25este prezentatun driver cu micropăsire de înaltă performanță, bazat pe o tehnologie de control a curenților sinusoidali. Datorită tehnologiei de autoreglare (autoreglarea parametrilor de control al curentului), motoarele acționate pot funcționa cu zgomot redus, încălzire mai redusă a compenentelor mobile, mișcare mai ușoară și performanțe mai bune la viteze mai mari decât majoritatea driverelor de pe piața.

Fig 4.25Driver M542 pentru conducerea motoarelor pas cu pas hibridecu 2 faze și 4 faze

Principalele caracterisitici ale acestui driver sunt:

Tensiune de alimentare până la +50 Vcc

Curent de ieșire de până la 5.0A cea ce îi ofera o performanță ridicată

Tehnologie de autoreglareșide control a curenților sinusoidali

Frecvența de intrare a impulsului de până la 160 KHz

Reducerea automată a curentului de mers în gol

15 rezoluții selectabile în zecimal și binar, până la 25.600 de pași / rev

Sprijină modurile PUL / DIR și CW / CCW

Protecție la scurtcircuit, supratensiune, supratensiune

Tensiunile de funcționare a driverului:

Alimentare se face cu tensiune de minim 20Vși maxim 36V

Curentul de ieșire este cuprins intre 1A șipoate urca pana la5A

Frecventa de intrare va fi intre 0și160kHz

Driverul M542are doi conectori, conectorul P1 pentru conectarea semnalelor de control și conectorul P2 pentru conexiunile de alimentare și a motorului. Driverul are 3 intrări logice izolate optic care sunt situate pe conectorul P1 pentru a accepta semnalele de comandă. Aceste intrări sunt izolate pentru a minimiza sau a elimina zgomotele electrice cuplate pe semnalele de control al transmisiei.

Următorul tabel reprezintă scurte descrieri ale celor doiconectori:

Tabelul 9 Configurațiile conectorului P1

Selectarea modului nivelului activ și a modului de control al semnalului se face cu ceitrei jumperi J1, J2 și J3 din interiorul driverului, în mod special pentru a selecta nivelul efectiv

a impulsului și modul semnal de comandă, așa cum se arată în figura 4.26. Setarea implicită este modul PUL / DIR și marginea în creștere activă (NPN și PNP).

Fig 4.26Selectarea modului de control

Tabelul 10Configurațiile conectorului P2

În figura 4.27 se prezintă principalele modalități de conectare a diferite motoare pas cu pas având 4 terminale, 6 terminale, 8 terminale.

Fig 4.27Modalități de conectare a MPP

Acest driver utilizează un comutator DIP pe 8 biți pentru a seta micropașireape pini SW 5,6,7,8 și curentul de funcționare a motorului, după cum se arată în figura 4.28 si tabelul 11:

Fig 4.28

Tabelul 11 Setarea numarului de pași

Curentul de ieșire al driverului se seteaza în funcție de curentul de fază al motorului și de metodele de conectare,deoarece un curent mai mare de rulare va face ca motorul să producă mai mult cuplu, dar în același timp va încălzi șimotorul și driverul.

Așadar primii trei biți (SW1, 2, 3) ai comutatorului DIP (fig.4.28) sunt utilizați pentru a seta curentul dinamic,în funcție de următorul tabel:

Tabelul 12 Valori la care se poateseta curentul dinamic

În figura 4.29 este prezintată schema electrică a conexiunilor dintre controler,driver si motorul pas cu pas.

Fig 4.29

Schema generală a conexiunilor celor 5 motoare pas cu pas cu driverele aferente,alimentate lasursa de 24v, interfațate cu Pc pe portul USBeste prezentată în figură 4.30

.

Fig 4.30 Conectarea la interfața a driverelor si a MPPH

Fig 4.31 Fotografia conexiunilor dintre interfața și drivere și alimentarea acestora la sursa de curent

Fig 4.32 Fotografia sistemului de frezare și găurire pe axe:X,Y,Z

4.4 Descrierea programului Mach3

Mach3 este interfața grafică dintre ultilizator și sistemul de poziționare pe 3 axe liniare(X,Y,Z,) (figura4.33). Interpretează codul G și îl transmite în semnale prin portul usb al PC către placa de comandă a motoarelor pas cu pas unde sunt interpretate si transformate în mișcări liniare.Pentru folosirea programului sunt necesare următoarele configurări:

Setarea pinilor și a numărului de axe X,Y,Z,(figura 4.34)

Setarea pasului MPP (figura 4.35) se poate calcula după formula (1/pas șurub)x(numărul de pași al motorului x micropășire) sau există obțiune de a seta automat pasul după unele măsurători realizate fizic a deplasării axei respective (figura 4.36)

Setarea vitezei și a accelerației se obține prin încercări, la viteze prea mari MPP va începe să piardă pași (figura 4.35)

Setarea generala și configurarea codului G(figura 4.37)

Fig. 4.33. Interfața grafică de comandă a programului MACH3

Fig.4.34. Configurarea pinilor și a numărului de axe

Fig.4.35. Setarea pasului,vitezei și accelerației a MPPH

Fig. 4.36. Setarea automată a pasului si configurarea limitelor maxime

Fig.4.37. Configurarea generală

Fig 4.37 Rularea codului in Mach 3

CONCLUZII

În majoritatea poziționărilor cu motoare pas cu pas este avantajos ca motoarele să fie acționate cât mai rapid și sigur. Pentru îmbunătățirea comportamentului dinamic al motorului a fost căutată cea mai potrivită formă a curenților din faze, ajungându-se la comanda în regim de micropășire la un curent de alimentare prin fazele motorului sinusoidal (în trepte).

Preocupările de ultimă oră în domeniul sistemelor de poziționare privesc, atât controlerul și driverul, denumite în mod curent "electronica asociată", cât și motorul însuși.

Progresele spectaculoase înregistrate în domeniul microelectronicii și tehnicii de calcul au deschis noi posibilități comenzii și controlului sistemelor de acționare electrică cu motoare pas cu pas. Principala direcție a cercetărilor actuale o constituie căutarea soluțiilor de creștere a performanțelor acționărilor electrice cu motoare pas cu pas prin integrarea în cadrul acestora a unor noi funcții, inclusiv a unor funcții “inteligente”.Cele mai recente tendințe din domeniul fabricării motoarelor pas cu pas sunt orientate spre realizarea unor motoare pas cu pas modularizate, care încorporează traductorul incremental de poziție, convertorul electronic de putere cu semnalele de comandă adecvate și un reductor de turație. O altă posibilitate de îmbunătățire a motoarelor pas cu pas constă în perfecționarea construcției mecanice prin optimizarea circuitului magnetic al motorului.

Lucrarea s-a axat în întregime pe proiectarea, realizarea practică și testarea experimentală a unui sistem de comandă și alimentare în regim de micropășire a MPP hibrid bipolar ce acționează un sistem pe 5 axe (3 axe de poziționare liniară X Y Z și 2 motoare de acționare a axei A și B) interfațat cu un calculator PC pe portul usb, utilizând softul dedicat Mach3. Sistemul complex (mașină unealtă + sistem electronic de comandă ) au fost asamblate și testate experimental, ajungând la următoarele concluzii:

Modulul electronic a fost testat în diferite regimuri de micropășire, constatându-se o funcționare sigură, fără pierdere de pași atât la frecvențe joase cât și la frecvențe ridicate (100Hz-25kHz), timp de 8-10 ore în mod continuu.

Teste de anduranță în regim de frezare efectivă au dus la concluzia că setarea optimă pentru regim de micropășire este de θp/8, asigurându-se vitezele de avans optime pentru frezare, fără interferențe între axe, funcționare lină și fără rezonanțe.

Sistemul de poziționare fiind realizat din punct de vedere mecanic să asigure o precizie de poziționare de minim 0.05mm (utilizând surub cu bile + piuliță cu bile, ghidaje liniare cu bile ) permite realizarea unor componente mecanice cu pretenții industriale.

Sistemul realizat permite realizarea cu ușurință a unor componente foarte complicate, indicate ca prototipuri, urmându-se apoi lansarea în tehnologie industrial.

Sistemul realizat poate fi ușor modificat în vederea extinderii aplicaților de tipul debitării cu plasmă, laser.

Sistemul prezentat și realizat sub formă miniaturizată, excelent pentru utilizare didactică (proiectare electronică, mecanică și testarea softurilor) poate fi ușor generalizat la o utilizare pe scară industrială.

BIBLIOGRAFIE

[1] Kuo B.C., Kelemen A., Crivii M., Trifa V.,Sisteme de comandă și reglare incrementală a poziției, Editura Tehnică, București, 1981.

[4] Trifa V., Servomecanisme, Curs lito, Universitatea Tehnică Cluj Napoca, 1995.

[5] Măgureanu, R., Mașini electrice speciale pentru sisteme automate, Editura tehnică, București, 1981.

[6] Morar A., Echipamente de comandă a motoarelor pas cu pas implementate pe calculatoare personale, Editura Universității “Petru Maior” Târgu-Mureș, 2002.

[7] Morar A., Echipamente de automatizare. Îndrumător de laborator, Lito Universitatea “Petru Maior” din Târgu-Mureș, 1997.

[8] Morar A., Motorul pas cu pas în acționările electrice, Universitatea “Petru Maior” din Târgu-Mureș, 2004.

[9] NATIONAL SEMICONDUCTORS,LMD18245 3A, 55V DMOS Full-Bridge Motor Driver, 1998.

[10] Douglas W. Jones , Control of stepping motor. Tutorial.

[11] ADVANTECH Co., Ltd., PCL-838 Stepping Motor Control Card, 1993

[12] SGS-THOMSON, Microelectronics, Data on Disc, 3rd Edition, 1996.

[13] NEW JAPAN RADIO Co, Ltd, Half stepping techniques, 1997

[14] ERICSSON COMPONENTS AB., Industrial Circuits Data Book and Stepper Motor Control Handbook, 1995.

ANEXE

Anexa 1

Fotografi cu placile frezate si gaurite

Anexa 2

Codul G de frezare

(1001)

(T1 D=3.175 CR=0. – ZMIN=-4. – FLAT END MILL)

G90 G94 G91.1 G40 G49 G17

G21

G54

G0 Z0

G0 X0 Y0 A0 B0

G0 X30 Y140 A25 B2

G0 Z-137

G1 B4 Z-139 F300

G1 X31

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X32

G1 B4 Z-139 F300

G1 X33

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X33.5

G1 B4 Z-139 F300

G1 X34

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X35

G1 B4 Z-139 F300

G1 X36

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X36.5

G1 B4 Z-139 F300

G1 X37

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X38

G1 B4 Z-139 F300

G1 X39

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X39.5

G1 B4 Z-139 F300

G1 X40

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X41

G1 B4 Z-139 F300

G1 X42

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X43

G1 B4 Z-139 F300

G1 X44

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X45

G1 B4 Z-139 F300

G1 X46

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X47

G1 B4 Z-139 F300

G1 X48

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X49

G1 B4 Z-139 F300

G1 X50

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X51

G1 B4 Z-139 F300

G1 X52

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X53

G1 B4 Z-139 F300

G1 X54

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X55

G1 B4 Z-139 F300

G1 X56

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X57

G1 B4 Z-139 F300

G1 X58

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X59

G1 B4 Z-139 F300

G1 X60

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X61

G1 B4 Z-139 F300

G1 X62

G1 B0 Z-137 F1000

G1 X62.5

G1 B4 Z-139 F300

G1 X63

G1 B0 Z-137 F1800

G1 X64

G1 B4 Z-139 F300

G0 Z0

G0 X0 Y0 A0 B0

G53 G0