Comanda Unei Actionari cu Motor de Curent Continuu cu Pic16f628a

Cuprins

Introducere

Considerații privind motorul de curent continuu

Generalități.

Ecuațiile mașinii de curent continuu

Elemente constructive

Statorul

Rotorul

Caracteristicile motoarelor de curent continuu

Caracteristicile de pornire

Caracteristicile de funcționare

Caracteristicile de reglare a vitezei

Caracteristicile de frânare

Tipuri de motoare de curent continuu

Cu magnet permanent

Cu excitație paralelă

Cu excitație serie

Cu excitație mixtă

Funcționarea motorului de curent continuu

Microcontrolerul

Generalități

Tipuri de arhitecturi

PIC-ul

Modelarea și simularea în MATLAB

Prezentare generală

Structura MATLAB

Mediul de dezvoltare

Biblioteca de funcții matematice

Limbajul MATLAB

Grafica

Application Program Interface (API

Simulink

Prezentarea temei

Motorul de curent continuu cu perii

Microcontrolerul PIC16F628

Desfășurarea lucrării

Alegerea motorului

Calculul tensiunii de alimentare a montajului electronic de putere

Calculul tensiunii de alimentare a montajului electronic de comandă

Calculul transformatorului de alimentare

Calculul montajului electronic de comandă

Funcționarea sistemului

Modelare și simulare în Matlab Simulink

Anexa 1. Schema de comandă cu PIC16F628 a unui motor de curent continuu

Anexa 2.Cod sursă

Concluzii

Bibliografie

Introducere

Mașina de curent continuu este mașina electrică la care schimbul principal de energie cu o rețea se face în curent continuu.

Se caracterizează prin faptul că în circuitul exterior trece curent continuu, iar tensiunile electromotoare se induc numai prin mișcare.

Ele pot fi cu colector (redresor mecanic) sau cu inele (mașini unipolare).

Mașina de curent continuu este utilizată atât în regim de motor cât și în regim de generator, regimul de frână fiind întâlnit numai întâmplător în funcționarea mașinii de curent continuu.

Există câteva tipuri de motoare ce pot fi utilizate în sistemele de comandă prevăzute cu diferite echipamente electronice, fiecare dintre ele putând fi comandate altfel. Elementele de comandă (hardware și software) ale motoarelor folosite în sistemele electrice de putere ale autoturismelor vor fi diferite față de elementele de comandă și control ale motoarelor folosite pentru sistemul de ventilație din interiorul unui laptop.

Sunt eficiente din punct de vedere al consumului de energie și pot fi alimentate folosind baterii sau celule solare.

Foarte multe aplicații din domeniul microcontrolerelor au sarcina acționării unor motoare.

Exemple de aplicații: – auto(motoarele de la geamurile electrice, motoarele indicatoarelor de

bord etc.)

– din domeniul echipamentelor periferice (imprimantă, hard disc etc.)

– industriale (acționări de vane, robinete etc.)

– controlul roboților mobili (controlul brațelor robotice folosite în procesele industriale de fabricație)

Motoarele de curent continuu sunt mai des întâlnite în aplicațiile cu microcontroler.

Un motor poate fi comandat de către un microcontroler atât în mod direct, cât și prin intermediul unor interfețe programabile specializate.

Considerații privind motorul de curent continuu

Generalități.

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme. Acesta a conectat un generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel a observat că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu este un sistem de conversie electromecanică a energiei, care prin intermediul câmpului electromagnetic, transformă energia mecanică în energie electrică de curent continuu sau invers.

Puterea maximă a acestor motoare este limitată la circa 10 MW, deoarece toată puterea transmisă rotorului trece prin contactele glisante perii-colector. Tensiunea nominală nu depășește, în mod obișnuit, 1,5 kV, din cauza dificultății asigurării unei tensiuni maxime de 20 V între două lamele de colector învecinate, pentru a se evita apariția cercului de foc la colector. Aceasta se manifestă prin apariția scânteilor la contactul dintre perii si colector care determină o supraîncălzire si colorare in brun închis a colectorului.

Motoarele de curent continuu se utilizează în numeroase acționări electrice datorită modului simplu și economic de modificare a turației prin tensiunea de alimentare și prin dispariția câmpului.

La pornirea motorului, tensiunea electromotoare indusă este nulă, iar curentul are o valoare limitată de rezistența înfășurării indusului și de rezistența de trecere la perii.

Ip = U/Ra (1.1)

Schimbarea sensului de rotație a motorului de curent continuu se poate face prin schimbarea sensului curentului în înfășurarea de excitație sau prin schimbarea sensului curentului, inversând legăturile la perii sau schimbând polaritatea tensiunii de alimentare a indusului. Prima metodă are avantajul utilizării unor contactoare de mică intensitate, dar prezintă o inerție mare datorită inductivităților mari din circuitul de excitație. Mărirea sau micșorarea vitezei se face prin modificarea tensiunii de alimentare, a curentului de excitație sau prin introducerea de rezistențe în circuitul rotorului.

 Ecuațiile mașinii de curent continuu

Înfășurarea din indus are o rezistență mică, de ordinul ohmilor, care se modifică prin rotirea rotorului. Înfășurarea de excitație serie are o rezistență mică de același ordin de mărime ca și la indus și este fixă în raport cu modificarea rotorului,iar pentru înfășurarea de excitație derivație avem o rezistență mare, de ordinul sutelor de ohmi.

Identificarea și măsurarea rezistențele din înfășurările mașinii de curent continuu se vor face cu ajutorul unui aparat numit ohmmetru.

În regim dinamic, pe lângă rezistențele din excitație și indus, mai apar inductivitatea excitației LE și inductivitatea indusului Li.

Ecuațiile regimului tranzitoriu pentru motorul de curent continuu, în cazul general, sunt:

(1.2)

(1.3)

(1.4)

unde: ; ; (1.5)

p – numărul perechilor de poli;

a – numărul căilor de înfășurare;

N – numărul spirelor din înfășurare.

Determinarea inductivităților LE și Li se face prin alimentarea separată a celor circuitelor cu tensiuni alternative, citind curentul și tensiunea din care rezultă:

(1.6)

(1.7)

La mașinile de curent continuu cu excitație separată sau derivație, tensiunea electromotoare indusă în rotor are următoarea formă:

(1.8)

Prin urmare, sistemul de ecuații devine:

(1.9)

în care i și Ω sunt necunoscutele.

Elemente constructive (Figura 1.1)

Figura 1.1. Elementele componente ale unui motor de c.c.

Motorul de curent continuu este construit din două părți componente: stator și rotor.

Statorul (figura 1.2) este partea fixă a mașinii, fiind alcătuită din:

circuit magnetic (miez feromagnetic);

sistem de înfășurări;

carcasă.

Figura 1.2. Elementele componente ale statorului

Carcasa de formă cilindrică, se execută din tablă de oțel îndoită și sudată (la mașinile de puteri mici), respectiv din oțel sau fontă turnată (la mașinile de puteri mari). De obicei, carcasa constituie jugul inductorului, prin care se închide fluxul magnetic al mașinii. Tălpile de fixare a mașinii de fundație sunt sudate de carcasă sau se toarnă împreună cu aceasta.

La mașinile de putere mică, precum și la cele alimentate prin convertoare statice, circuitul magnetic al inductorului se realizează în întregime din tole. Înfășurarea de excitație și cea de comutație se execută din sârmă sau bare de cupru izolate (sub formă de bobine), care se dispun pe poli. Bobinele ce aparțin aceleiași înfășurări se conectează astfel încât între ele, atunci când sunt parcurse de curent, să determine o polaritate alternativă N – S – N – S a polilor respectivi. Capetele înfășurărilor sunt conectate la bornele din cutia de borne, care este fixată de carcasă.

Rotorul (figura 1.3) este partea mobilă a mașinii, fiind alcătuită din:

circuit magnetic (miez feromagnetic);

sistem de înfășurări;

arbore;

sistem colector.

Figura 1.3. Elementele componente ale rotorului

Miezul rotoric este confecționat din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime și este fixat pe arbore fie direct, fie prin intermediul unui butuc. Înfășurarea rotorului este o înfășurare repartizată în două straturi, fiind plasată în crestăturile echidistante practicate pe marginea exterioară a miezului. Bobinele acestei înfășurări sunt executate din conductoare de cupru izolate. Consolidarea bobinelor în lungul crestăturilor se realizează cu pene din material izolant, iar la capete cu bandaje din sârmă de oțel, fibre poliesterice etc. Capetele bobinelor se racordează ( prin lipire ) la lamelele comutatorului.

Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier folosită pentru a putea transfera câmpul magnetic din circuitul magnetic către exterior, sau pentru a limita valoarea maximă a câmpului magnetic. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.

Caracteristicile motoarelor de curent continuu

Caracteristicile de pornire se referă la variația în timp a curentului în procesul de pornire, evaluarea raportului dintre valoarea maximă a curentului si curentul nominal, a timpului de pornire, variația în timp a cuplului si a raportului dintre cuplul maxim si cuplul nominal. Extinderea acestora se referă la metodele de reducere a șocului de curent si de cuplu în procesul de pornire.

Dacă se neglijează căderea de tensiune la perii, ecuația în regim permanent a circuitului rotoric alimentat cu tensiunea Ub este:

(1.10)

Considerând cazul motorului cu excitație independentă sau derivație, în care înfășurarea de excitație a mai fost alimentată anterior conectării circuitului rotoric, fluxul magnetic Ф poate fi considerat a fi o mărime constantă, independentă de timp. În acest caz ecuația de regim tranzitoriu a circuitului rotoric devine:

(1.11)

unde LA este inductivitatea circuitului rotoric, iar iA(t), n(t) valorile instantanee ale curentului rotoric si a turației.

Cuplul electromagnetic instantaneu fiind,

 , (1.12)

ecuatia dinamicii rotorului este :

, (1.13)

unde Mr este cuplul rezistent ce trebuie învins de către cuplul electromagnetic, iar  J este momentul de inerție al ansamblului în mișcare.

În primele momente ale pornirii, când este valabilă inegalitatea

,  (1.14)

variația curentului rotoric este aproximată de ecuația:

  , (1.15)

a cărei soluție satisface condiția inițială,  iA(0) = 0. Soluția iA(t) demonstrează creșterea exponențială a curentului de la valoarea zero la valoarea stabilizată IAmax = Ub/RA, caracterizată de constanta de timp electromagnetic;

 A= LA/RA (1.16)

Viteza de variație a curentului descrește în timp, iar turația crește, așa că ulterior primelor momente ale pornirii se poate admite aproximația:

  (1.17)

Înlocuind expresia curentului:

, (1.18)

rezultă o ecuație ce aproximează variația turației în condițiile precizate:

(1.19)

Următoarea ecuație oferă expresia constantei de timp a regimului mecanic tranzitoriu:

(1.20)

Deoarece această constantă de timp are valori mult superioare constantei de timp  electromagnetice A , cele doua regimuri tranzitorii (electromagnetic si mecanic) pot fi considerate ca fiind succesive, astfel, variația curentului în indus în intervalul de pornire, figura 1.4 este:

    – inițial, rezultatul regimului electromagnetic tranzitoriu, în care curentul creste de la zero la o valoare maximă:

(1.21)

– ulterior, rezultatul regimului mecanic tranzitoriu, în care curentul:

, (1.22)

scade, datorită creșterii exponențiale a turației n(t).

Figura 1.4. Caracteristicile de pornire

Caracteristicile de funcționare  sunt relații între mărimile principale care caracterizează funcționarea motorului, cuplul M, turația n, curentul I, puterea utilă P2 si randamentul h,  în condițiile menținerii constante a tensiunii de alimentare, de regulă la valoarea nominală, Ub= Ubn. În principal este vorba despre:

–         caracteristicile de funcționare propriu-zise: n, M, h = f(P2); (1.23)

–         caracteristica de viteză, n(I), sau n(Ie);

–         caracteristica mecanică, n (M).

Cele două tipuri principale de motoare de curent continuu, cu excitație derivație si cu excitație serie au unele caracteristici de funcționare în sarcină diferite, motiv pentru care se vor analiza separat.

Motorul derivație

Caracteristica vitezei în funcție de curentul de excitație, n(Ie), pentru Ub = constant și Mr = 0, denumită si caracteristica vitezei la mersul în gol, indică posibilitatea de reglaj al turației acestui tip de motor prin modificarea fluxului inductor. Variația rezistenței reostatului de câmp Rc (figura 1.5.a) de la valoarea zero către o valoare maximă admisibilă, impusă de turația maximă admisibilă a mașinii sau a instalației, face ca turația să crească conform relației:

(1.24)

b)
          

Figura 1.5 Variația rezistenței reostatului de câmp

Variația n(Ie) ( figura 1.5 b) este hiperbolică atâta timp cât circuitul magnetic este nesaturat si fluxul este proporțional cu curentul de excitație

 F = kFIe (1.25)

            b) Caracteristica vitezei la mersul în sarcină, n(I), (figura 1.6) pentru Ub = constant si   Ie = constant, are expresia matematica data de relația:

   (1.26)

Figura 1.6. Caracteristica vitezei la mersul în sarcină

         S-a ținut cont în suita de egalități de mai sus de faptul că curentul de excitație este chiar și la funcționarea în gol mult mai mic decât curentul în indus. Dacă mașina este necompensată din punctul de vedere al reacției indusului, considerată a fi demagnetizantă, fluxul magnetic Ф scade în raport cu fluxul magnetic inductor pentru valori importante ale curentului I si caracteristica  n(I) are aspectul reprezentat cu linie întreruptă în figura 1.6.

            c) Caracteristica mecanică este dependentă turației în funcție de cuplul rezistent de la ax, n(Mr), pentru Ub = constant si Ie = constant. Din expresiile:

      (1.27)

 și

           , (1.28)

rezultă:

 , (1.29)

unde s-a notat cu n0 turația de mers în gol, pentru cuplu rezistent nul.

Cuplul de pornire, pentru n = 0, are expresia:

(1.30)

În funcție de acesta, caracteristica mecanică are expresia:

               (1.31)

Cuplul de pornire, care este proporțional cu curentul de pornire, este de 5..6 ori cuplul nominal. Prin urmare, panta caracteristicii mecanice n(Mr), (figura 1.7) este redusă. Aceasta înseamnă ca turația motorului derivație scade relativ puțin în sarcina în raport cu valoarea de funcționare    în    gol;    se   afirma   ca   motorul derivație are  o  caracteristica      mecanica rigida

Figura 1.7. Caracteristica mecanică la mersul în sarcină

            Pentru diferite valori ale curentului de excitatie se obtin o familie de caracteristici mecanice, caracterizate de turatii de mers în gol cu atât mai mari cu cât curentul de excitatie este mai mic.

            d) Caracteristicile de funcționare propriu-zise reprezintă dependențele turației n, ale cuplului M la ax si a randamentului în funcție de puterea utilă P2, pentru tensiunea la borne Ub si curentul de excitație Ie constante.

Figura 1.8. Caracteristicile de funcționare propriu-zise 

            Caracteristica n(P2) are aspectul caracteristicii n(I), deoarece P1= UbI este puterea absorbită, care în sarcină diferă relativ puțin de puterea utilă P2.

Pentru P2 = 0 turația are valoarea: 

         n0 = Ub / keФ , întrucât  RAIA << Ub. (1.32)

            Dependența M(P2) este de fapt o dreaptă, deoarece M = P2/α= 60P2/2πn și turația n este puțin dependentă de P2.

Caracteristica   η (P2) are aspectul din figura 1.8.                                                            

B. Motorul cu excitație serie

            Curentul de excitație, curentul prin indus si curentul absorbit (figura 1.9.a) au aceeași valoare:

(1.33)

a) Caracteristicile vitezei la mersul în sarcină , n(I),  pentru Ub = constant are expresia matematică dată de relațiile:

     (1.34)

a) b)

Figura 1.9. Caracteristicile vitezei la mersul în sarcină 

Pentru valori mai mici ale sarcinii, dependența Ф(I) este liniara,  

Ф = kФ I, (1.35)

rezultând: (1.36)

Aceasta înseamnă o variație hiperbolică a turației în funcție de curentul absorbit (figura 1.9.b) Datorită saturării circuitului magnetic, la sarcinile importante fluxul crește puțin la creșterea curentului. Scăderea turației devine practic liniară, cu o pantă redusă, dată de rezistența totală (RA+ Re).

            b) Caracteristica mecanică, n(M), pentru Ub = constant, rezultă pe baza expresiilor:

(1.37)

(1.38)

Rezultă:

, (1.39)

dependența care are alura grafică din figura 1.10. Spre deosebire de motorul derivație, a cărui turație variază nesemnificativ în funcție de cuplul de sarcină, motorul serie are o caracteristică mecanică elastică, suplă. Această adaptabilitate naturală a turației în raport cu sarcina, în sensul scăderii turației pe măsura creșterii sarcinii, este favorabilă utilizării motorului în tracțiunea electrică.

Figura 1.10. Caracteristica mecanică la mersul în sarcină 

 Se remarcă însa că regimul de mers în gol, când Mr → 0,  trebuie tratat ca un regim de avarie, ca urmare a creșterii turației. Motorul se  poate  ambala peste  valoarea  admisibilă  nmax  a  turației,  impusă de construcția sa   sau de instalația  acționată.

Caracteristicile de reglare a vitezei vizează metodele de reglare a vitezei, domeniul de reglare a vitezei (nmin , nmax) și aprecierea economicității acestor metode.

În cazul general, în care indusul este înseriat cu un reostat de rezistenta reglabilă Rs , ecuațiile de funcționare conduc la expresia turației:

(1.40)

Aceasta expresie pune în evidență următoarele posibilități de reglare a turației la un cuplu de sarcină Mr dat:

–         variatia rezistentei reostatului de reglaj Rs;

–         modificarea fluxului magnetic F;

–         variația tensiunii de alimentare Ub.

Reglajul turației prin creșterea rezistenței în circuitul indusului.

În cazul motorului derivație compensat, al cărui flux magnetic F este independent de curentul de sarcină, expresia:

(1.41)

Arată creșterea pantei caracteristicii mecanice n(Mr) odată cu creșterea rezistenței Rs. Aceasta este o posibilitate de reducere a turației, cu atât mai substanțială cu cât regimul de sarcină este mai important (figura 1.11 a).

În cazul motorului serie, IA = Ie = I. (1.42)

Dacă sarcina este suficient de mică pentru a considera fluxul F proporțional cu curentul IA , respectiv că motorul este nesaturat, , atunci expresia caracteristicii mecanice în prezența reostatului de reglaj Rs este:

(1.43)

Dacă la sarcini mari, motorul se saturează atât de mult încât fluxul magnetic poate fi considerat independent de sarcina F = constant, atunci variația n(Mr) este liniară, ca si în cazul motorului derivație.

La un cuplu de sarcină dat, turația se reduce pe măsura creșterii rezistenței Rs ( figura 1.11 b).

Deoarece puterea utilă scade odată cu scăderea turației, randamentul în acționare scade, puterea dezvoltată în reostatul Rs , reprezentând o parte din pierderile bilanțului conversiei electromecanice a energiei.

Reglajul turației prin modificarea fluxului inductor.

Modificarea fluxului inductor presupune modificarea curentului de excitație. Metoda aceasta este prin excelență o metodă de creștere a turației prin slăbirea fluxului inductor.

În general se folosește pentru creșterea turației până la de doua ori valoarea nominală. Peste aceasta limită, epuizarea câmpului magnetic inductor poate avea efecte adverse negative asupra stabilității si comutației.

Reostatul de câmp Rc, la acționarea căruia se modifică fluxul inductor, respectiv curentul de excitație Ie , este un reostat în serie cu înfășurarea de excitație în cazul motorului derivație (figura 1.12), respectiv în paralel cu înfășurarea de excitație la motorul serie (figura 1.13).

Figura 1.12. Reostat în serie cu înfășurarea Figura 1.13. Reostat în paralel cu înfășurarea de de excitație la motorului derivație excitație la motorul serie

Reglajul turației prin modificarea tensiunii de alimentare, are ca exemplu tipic acționarea Ward – Leonard, respectiv grupul motor asincron – generator de curent continuu – motor de curent continuu (figura 1.14).

Turația ansamblului motor asincron    M3~ – generator – excitație E este practic independentă de regimul de sarcină, respectiv de cuplul rezistent la axul motorului care antrenează instalația de acționat M.

                           Figura 1.14. Acționarea Ward – Leonard

Modificarea turației motorului M doar prin modificarea tensiunii la bornele indusului său are loc prin reglajul reostatului de câmp Rcg, care modifică de fapt curentul de excitație al generatorului G si prin urmare, tensiunea indusă. Turația n a grupului se poate regla si prin schimbare fluxului inductor al motorului M, respectiv acționând asupra reostatului Rcm.

Acționarea este reversibilă, sensul de rotație putând fi inversat prin schimbarea poziției oricăruia dintre cele doua inversoare k1și k2 din figura 1.14.

Conectarea alimentării motorului atunci când Rs = Rs2, urmată de reducerea valorii rezistenței Rs corespunde regimului de pornire al instalației, reprezentată în figura 1.21 prin succesiunea de stări A→B→C. Încetinirea ridicării sarcinii în vederea opririi la punct fix presupune creșterea rezistenței Rs de la valoarea zero la Rs2 , regim în care se asigură frânarea instalației, respectiv succesiunea de stări C→B→A (figura 1.16). În punctul A, când turația este nulă, energia electrică absorbită de mașină se transformă în totalitate în căldură.

Pentru coborârea sarcinii, respectiv pentru inversarea sensului de rotație al mașinii, se crește rezistența reostatului Rs peste valoarea Rs2, la o valoare Rs3 , care coincide vitezei dorite. Mașina funcționează ca frână a instalației, cuplul electromagnetic având sensul invers turației.

Trecerea de la regimul de funcționare ca motor la regimul de frânare prin inversarea polarității tensiunii de alimentare a indusului, sau a sensului curentului de excitație este specifică acționărilor reversibile, în care instalația acționată trebuie frânată rapid si apoi antrenată în sens invers.

Figura 1.17. Trecerea de la regimul de funcționare ca motor la regimul de frânare 

prin inversarea polarității tensiunii de alimentare a indusului

Să presupunem că în condițiile alimentării cu tensiunea Ubm si valoarea nulă a rezistenței Rs înseriată în circuitul indusului mașina funcționează în regim de motor, la parametrii corespunzători punctului A (figura1.17). Inversarea bruscă a polarității tensiunii de alimentare, respectiv a sensului curentului prin indus, cu stabilirea concomitentă a valorii reostatului Rs la o valoare dorită, nenula, face ca punctul de funcționare să se mute din A în B. Punctul B se află pe caracteristica mecanică n(M) corespunzătoare rezistenței Rs≠0 si sensului invers de rotație al mașinii în raport cu cel inițial. În această stare cuplul electromagnetic are sens invers turației, ceea ce face ca mașina să acționeze în sensul reducerii  turației. Într-un anumit interval de timp turația scade la zero, B→C, mașina transformând energia electrică absorbită si cea cinetică a instalației frânate în căldură.

Frânarea  cu utilizare a mașinii în regim de generator cu recuperarea energiei, care asigură de fapt împiedicarea tendinței de creștere a vitezei, este specifică tracțiunii electrice.

Atâta timp cât vehiculul aflat în mișcare asigură un cuplu rezistent la ax diferit de zero, ceea ce corespunde unui traseu în pantă ascendentă sau orizontal, cuplul electromagnetic, care este opus cuplului rezistent, are sensul turației. Dacă însă cuplul dat de vehicul la axul mașinii schimbă sensul, ceea ce corespunde coborârii unei pante, respectiv succesiunii de stări A→B→C, ca în figura 1.18,  atunci turația are tendința să crească. Prin urmare, tensiunea electromotoare indusă devine mai mare decât tensiunea la borne, sensul curentului în indus se inversează, iar mașina trece din regimul de motor în regimul de generator de energie electrică, recuperând sub formă de energie electrică, energia potențială a vehiculului în coborâre.

Figura 1.18. Frânarea  cu utilizare a mașinii în regim de generator cu recuperarea energiei

         În cazul mașinilor cu excitație serie acest tip de  frânare  este  posibil  doar  dacă  mașina are si o excitație suplimentară, derivație sau independentă.

Frânarea în regim de generator fără recuperare sau fără frânarea dinamică este regimul ce urmează trecerii comutatorului k, ca în figura 1.19, din poziția (a) în poziția (b), fără întreruperea alimentării excitației.

Mașina devine generator, sensul curentului prin indus fiind sensul tensiunii electromotoare Ue; sensul cuplului  electromagnetic este opus turației. Pe fondul reducerii turației, energia cinetică a instalației se transformă mai întâi în energie electrică si apoi în căldură pe rezistența de sarcină R. Decelerația este dependentă de valoarea  rezistenței R, cu  cât R are o valoare mai mică, cu atât frânarea este mai rapidă.

Figura 1.19. Frânarea în regim de generator fără recuperare sau fără frânarea dinamică                    

Tipuri de motoare de curent continuu

Cu magnet permanent

Motorul cu magnet permanent este cel mai utilizat tip de motor de curent continuu din lume. Aceste motoare folosesc magneți permanenți pentru a produce câmpul magnetic al statorului. Motoarele PMDC sunt în general folosite în aplicațiile de putere mică deoarece în acest caz magneții permanenți sunt mai ieftini decât electromagneții. Dezavantajul acestui tip de motor este că în timp magneții își pierd proprietățile magnetice. Unele motoare cu magneți permanenți au înfășurări speciale care previn pierderea proprietăților magnetice. Curbă de performanță (tensiune-viteza) este foarte liniara în cazul motoarelor de curent continuu cu magneți permanenți. De asemenea consumul de curent variază liniar cu cuplul. Aceste motoare răspund foarte rapid la modificarea tensiunii deoarece câmpul magnetic al statorului este întotdeauna constant.

Figura 1.20. Motorul de curent continuu cu magnet permanent

Cu excitație paralelă

Motoarele de curent continuu cu câmp magnetic de excitație paralel au bobină de excitație în paralel cu rotorul. Curentul din bobina și cel din rotor sunt independenți. Astfel aceste motoare au un control foarte bun al turației. Acest tip de motor este folosit în aplicații de putere mai mare decât cele cu magneți permanenți. Spre deosebire de motoarele cu magneți permanenți, pierderea proprietăților magnetice nu mai este o problemă la acest tip de motor.

Figura 1.21. Motorul de curent continuu cu excitație paralelă

Cu excitație serie

Motoarele de curent continuu cu perii cu câmp magnetic de excitație serie au bobină de excitație în serie cu înfășurarea rotorica. Aceste motoare sunt ideale pentru aplicațiile care necesită cuplu ridicat deoarece curenții din stator și rotor cresc odată cu creșterea sarcinii. Un dezavantaj al acestui tip de motor este că spre deosebire de motoarele cu magneți permanenți și cele cu excitație paralelă, nu permite controlul precis al vitezei.

Figura 1.22. Motorul de curent continuu cu excitație serie

Cu excitație mixtă.

Motoarele cu excitație mixtă reprezintă o combinație a motoarelor cu excitație serie și a celor cu excitație paralelă. După cum se observă în Figura, aceste motoare au atât o înfășurare de excitație serie cât și una paralelă. Motoarele cu excitație mixtă au cuplu mai mare decât cele motoarele cu excitație paralelă și permit un control al vitezei mai exact decât în cazul motoarelor cu excitație serie

Figura 1.23. Motorul de curent continuu cu excitație mixtă.

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face cu diminuarea cuplului dezvoltat de motor. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație.

M = Km *Ø *Ia (1.44)

La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

Funcționarea motorului de curent continuu ( figura 1.24)

Când înfășurarea rotorului este alimentată, în jurul lui se generează un câmp magnetic (poziție relativă a polilor magnetici, de la stânga spre dreapta: N-NS-S). Polul nord al rotorului e respins de polul nord al statorului spre dreapta și e atras de polul sud al statorului (din dreapta), producând un cuplu mecanic motor care întreține mișcarea de rotație.

Rotorul continuă rotația.

Când rotorul este (ajunge) în poziție orizontală (poziție relativă a polilor N-SN-S), colectorul electric de comutare al sensului curentului continuu inversează sensul curentului prin înfășurarea rotorului, inversând polii câmpului magnetic produs de rotor, se ajunge astfel la poziția relativă a polilor magnetici "N-NS-S" și procesul continuă conform figurii (și explicației de sub figură) din stânga paginii.

Procesul se reia.

Figura 1.24. Functionarea motorului de curent continuu.

Controlul pornirii-opririi și a direcției unui motor

Partea de comandă operează cu nivele de tensiuni de 5V și puteri mici iar partea de execuție cu tensiuni și puteri mai mari. Interfața dintre cele două parți ale sistemului se face prin circuit de amplificare care are frecvent și rolul de separare galvanică între cele două sisteme.

Datorită tensiunii si curentului de valori foarte mici furnizate la ieșirea microcontrolerelor, este nevoie de circuite de amplificare pentru acționarea motoarelor de curent continuu. O schemă simplă si eficientă pentru comanda acestor motoare este reprezentată de “puntea H” (în engleză H-bridge).

Figura 1.25. Schema electrică a unei punți H

Schema de acționare electrică de mai sus (figura 1.25) este realizată pe baza unor întrerupătoare de tip transistor, GTO etc. Puntea este construită din patru întrerupătoare, acționate pe diagonală. 

Când întrerupătoarele S1 si S4 sunt închise, iar S2 si S3 sunt deschise (figura 1.26), o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S1 si S4 si închiderea lui S2 si S3, această tensiune este inversată, făcând posibilă rotirea motorului în sensul opus.

Rotire dreapta b) Rotire stânga Figura 1.26. Inversarea sensului prin punte H

Aranjarea de tip punte H este în general folosită pentru a inversa polaritatea motorului, însă poate fi folosită și pentru frânarea acestuia (motorul se opreste brusc datorită scurtcircuitării terminalelor sale) sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber până la oprire.

Tabelul 1.1. Funcțiile întrerupătoarelor

În funcție de puterea cerută pe sarcină, punțile H pot fi construite din componente electronice sau se găsesc într-un singur circuit integrat. Dacă puterea cerută pe sarcină este mare, peste ordinal Amperilor, se vor folosi dispozitive semiconductoare de execuție: tranzistoare, GTO, eventual tiristoare. De cele mai multe ori aceste dispozitive nu se pot lega direct la ieșirile microcontrolerului, prin rezistențe, ca în circuitul de ma jos, ci au nevoie de amplificatoare de putere.

Figura 1.27. Comanda unui motor prin punte H

Microcontrolerul

Generalități

Un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Figura 2.1. Structura unui microcontroler

Componente:

unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern pentru ceasul de sistem

memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH și eventual una de tip RAM

un sistem de întreruperi I/O – intrări/ieșiri numerice (de tip port paralel)

un port serial de tip asincron și/sau sincron, programabil

un sistem de timere-temporizatoare/numărătoare programabile

Este posibil ca la acestea să fie adăugate, la un preț de cost avantajos, caracteristici

specifice sarcinii de control care trebuie îndeplinite: un sistem de conversie analog numerică(una sau mai multe intrări analogice).

un sistem de conversie numeric analogic și/sau ieșiri PWM (cu modulare în durată)

un comparator analogic

memorie de date nevolatilă de tip EEPROM

facilități suplimentare pentru sistemul de temporizare/numărare (captare și

comparare)

un ceas de gardă (timer de tip watchdog)

facilități pentru optimizarea consumului propriu

Un microcontroler tipic mai are, la nivelul unității centrale, facilități de prelucrare a

informației la nivel de bit, de acces direct și ușor la intrări/ieșiri și un mecanism de prelucrare a întreruperilor rapid si eficient.

Tipuri de arhitecturi

Arhitecturi de tip "von Neumann"

Cele mai multe microcontrolere sunt realizate pe baza acestei arhitecturi de sistem. Microcontrolerele bazate pe această arhitectură au o unitate centrală (CPU) caracterizată de existența unui singur spațiu de memorie utilizat pentru memorarea atât a codului instrucțiunilor cât și a datelor ce fac obiectul prelucrării.

Arhitecturi de tip "Harvard"

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date. Este arhitectura standard pentru procesoarele numerice de semnal (DSP).

CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate. De obicei multe din aceste instrucțiuni sunt foarte diferite între ele: unele operează numai cu anumite spații de adrese sau registre, altele permit numai anumite moduri de adresare, etc.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

Figura 1.2. Comparație între arhitecturile Harvard și von-Neuman

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa

ziselor sisteme încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existența unui sistem de

calcul incorporat este (aproape) transparentă pentru utilizator.

PIC (Microchip- www.microchip.com )

Primul microcontroler din această familie (PIC1650) a apărut acum mai bine de 20 de

ani pe vremea când firma era proprietatea General Instruments. Este o familie de

microcontrolere care, în ultimii ani, a cunoscut o dezvoltare explozivă. Sunt disponibile

actualmente sub forma a 6 serii: PIC10, PIC12, PIC14, PIC16, PIC17 și PIC18. In seriile

respective există variante cu memorie de program de tip OTP(C) sau FLASH(F). Au fost

primele microcontrolere de 8 biți cu arhitectură RISC: PIC16C5x avea un set de doar 33

instrucțiuni (Intel 8048 avea 90). Arhitectura este de tip Harvard și, ca o particularitate,

dimensiunea cuvântului pentru program este de 12, 14 sau 16 biți, cuvântul de date fiind tot

de 8 biți. Există foarte multe variante pentru cele șase serii, unele din ele fiind caracterizate printr-un număr mic de conexiuni exterioare (pini) și în consecință dimensiuni mici, consum

foarte mic, ideea de bază fiind costul redus.

Cronologic, ultimul produs al firmei Microchip este seria dsPIC30F, de fapt un

procesor numeric de semnal, de 16 biți, cu o periferie specifică optimizată pentru controlul

acționărilor electrice (motoare electrice).

Modelarea și simularea în MATLAB

Prezentare generală

MATLAB® (MATtrix LABoratory) este un pachet de programe de înaltă performanță, interactiv, destinat calculului matematic, științific și ingineresc.

MATLAB integrează calcul, programare și vizualizare, într-un mediu de lucru prietenos, soluționarea problemelor presupunând folosirea notațiilor matematice clasice. Utilizarea programului MATLAB include:

Matematică și calcul numeric

Programare și dezvoltare de algoritmi

Modelare și simulare

Analiză de date, exploatarea rezultatelor și vizualizare

Grafică științifică și inginerească

Dezvoltare de aplicații software, incluzând construcție de interfețe grafice cu utilizatorul (GUI)

Etc.

Structura MATLAB

Atunci când se vorbește despre MATLAB trebuiesc avute în vedere:

Mediul de dezvoltare, reprezintă un set de instrumente si facilități care îl ajută pe utilizator să folosească ușor funcțiile si fișierele MATLAB. Multe din aceste

instrumente sunt de tip GUI.

– fereastră de comandă (command window);

– fereastră de control si editare a variabilelor folosite (work space);

– fereastră de editare si de depanare a fisierelor de tip “m”

– fereastră cu istoria comenzilor unei sesiuni de lucru;

– fereastră de “help”

– etc;

Biblioteca de funcții matematice, este o largă colecție de algoritmi de la cei mai

simplii, (sum, sin, cosin, etc..) la cei mai complicați (matrix inverse, matrix

eigenvalues, Bessel functions, fast Fourier transforms, etc)

Limbajul MATLAB, este un limbaj de nivel înalt, conținând toate elementele

necesare: instrucțiuni de control, structuri de date, funcții, intrări, ieșiri si proprietăți de

programare obiectuală. Limbajul permite atât realizarea rapidă de programe mici

pentru calcule, cât si realizarea de aplicații complexe, de sine stătătoare.

Grafică. MATLAB dispune de foarte multe si diverse facilități pentru afișarea grafică

a vectorilor si matricelor, care pot fi uni, bi sau tridimensionale. Orice grafic poate fi personalizat prin notații, culori, tipul de afișare, etc.

Application Program Interface (API), este o bibliotecă ce permite crearea

de programe scrise în C sau Fortran, care să interacționeze cu MATLAB. Sunt incluse

aici facilități de a apela rutine din MATLAB (dynamic linking), apelarea MATLAB ca

și instrument de calcul, și pentru scrierea sau citirea fișierelor “.mat”

Figura 5.1. Abordarea unei probleme spre a fi rezolvată în MATLAB

Simulink

Simulink este un mediu util pentru modelarea, analiza și simularea unui mare număr de

sisteme fizice și matematice. Ca extensie opțională a pachetului de programe Matlab, Simulink oferă o interfață grafică cu utilizatorul pentru realizarea modelelor sistemelor dinamice reprezentate în schema bloc. O bibliotecă vastă, cuprinzând cele mai diferite blocuri stă la dispoziția utilizatorului. Aceasta permite modelarea rapidă și clară a sistemelor, fără a fi necesară scrierea măcar a unui rând de cod de simulare. Rezultatele simulării unui sistem pot fi urmărite chiar în timp ce se desfășoară simularea, pe un osciloscop reprezentat într-o fereastră a ecranului.

Simulink dispune de algoritmi avansați de integrare și de funcții de analiză care furnizează rezultate rapide și precise ale simulării.

Simulink este o colecție de funcții Matlab, organizate într-un așa numit toolbox al sistemului de programare menționat. Simulink aduce în plus funcționalități specifice analizei și sintezei sistemelor dinamice, păstrând în același timp toate caracteristicile și funcționalitățile sistemului Matlab.

Prezentarea temei

Motorul de curent continuu cu perii

Rotorul motorului de curent continuu cu perii are în componență o bobină alimentată la o sursă de tensiune continuă prin perii de carbon. Circuitul statorului conține un magnet permanent (PMDC motor) sau o bobină.

Dacă statorul include o bobină, aceasta poate fi conectată mai târziu cu bobina rotorului în serie sau paralel, sau pot fi excitate separat.

Pentru a comanda momentul motorului, în sistemele de mare performanță se utilizează reglajul curentului în buclă. Pentru operare bidirecțională, curentul rotorului trebuie să fie inversat pentru a respecta câmpul magnetic al statorului.

Aplicații principale: Echipamente audio/video – Aparate de ras – Unelte fără cablu de alimentare – Tracțiune – Servomecanisme – Procese de automatizare – Mașini unelte

Microcontrolerul PIC16F628

Tabelul 4.1. PIC16F628-I/P

Figura 4.1. Configurația pinilor pentru PIC16F268

Facilități speciale : reset la alimentare, întârziere la alimentarea circuitului, watchdog timer, rezistențe programabile pe ieșiri, protejarea codului, diverse tipuri de oscilator, consum redus 2mA la 4V. 

Pinii și schema bloc a microcontrolerului sunt prezentate în anexă. Arhitectura acestor microcontrolere este de tipul RISC. Memoria de date, care este pe 8 biți, este separată de memoria de instrucțiuni, care este pe 14 biți.
Registrul principal al microcontrolerului este W (acumulatorul). Majoritatea instrucțiunilor folosesc acest registru. Așa cum se observă din schema bloc, toți pinii circuitului sunt multiplexați, deci nu pot fi folosite toate facilitățile circuitului în același timp.

Pentru funcționare, trebuie urmată o secvență specială de inițializare. Funcțiile PORTA și PORTB precum și setul de instrucțiuni sunt prezentate în anexă.

Pentru comanda portului B sunt utilizate următoarele comenzi:

– output_x(0xYZ) (unde x reprezintă portul, YZ pinii doriți a se activa);

– input_x() (unde x reprezintă portul);

Pentru comanda biților portului, individual, sunt utilizate următoarele comenzi:

– output_high(PIN_XY) (unde X este numele portului, iar Y este numărul pinului) și are ca efect trecerea pinului respectiv în 1 logic;

– output_low(PIN_XY) (unde X este numele portului, iar Y este numărul pinului) și are ca efect trecerea pinului respectiv în 0 logic;

– input(PIN_XY) (unde X este numele portului, iar Y este numărul pinului) și are ca efect citirea stării logice a respectivului pin .

În cadrul aplicației, va fi utilizat portul B al microcontrolerului. Acesta este un port bidirecțional de 8 biți. Fiecare din pinii portului programat ca și ieșire poate absorbi un curent de 8,5mA și poate genera un curent de 3 mA .

Desfășurarea lucrării

Alegerea motorului

Pentru realizarea proiectului am folosit un motor de curent continuu cu perii si stator cu magneți din ferită ce acționează un ventilator centrifugal (figura 4.2), cu următorii parametrii nominali: U=6V, I=3.5A (4.1)

Figura 4.2 Motorul de curent continuu cu perii

Voi alimenta motorul cu:

UM=3V la care IM=1.5A (4.2)

Calculul tensiunii de alimentare a montajului electronic de putere

Pentru comanda în ambele sensuri de rotație a motorului: antiorar (CCW) si orar (CW) folosesc o schemă de alimentare în punte cu tranzistoare de putere de tip PNP la plusul alimentării si de tip NPN la minusul alimentării.

Pentru T2 si T6 aleg tranzistorul BD442 iar pentru T4 si T8 aleg BD441.

Tabelul 4.2. Tranzistori

Considerând o tensiune de saturție pe tranzistori de 0.3 V, rezultă o tensiune necesară pentru redresor de:

UR sar=UM+2xVCE sat=3+2×0.3=3.6 V (4.3)

Aleg un condensator de filtrare:

C=4700uF / 16V (4.4)

De unde rezultă o constantă de timp pentru circuit:

T=C*Um / Im = 9.4 ms (4.5)

La aceasă constantă de timp rezultă o tensiune de vârf necesară:

UR vf=1.2 x UR sarcina = 4.3V (4.6)

Tensiunea de vârf în sarcină a transformatorului este:

U3 vf = UR vf +2VD = 4.3+2×0.6=5.5V (4.7)

Iar tensiunea efectivă în sarcină a transformatorului este:

U3 ef = U3 vf /1.41 = 3.9V (4.8)

Pentru transformatorul de alimentare am considerat o cădere de tensiune de la mersul în gol la sarcina de 7%.

Tensiunea de mers in gol a secundarului este:

U3 0=1.07x 3.9=4.2V (4.9)

Calculul tensiunii de alimentare a montajului electronic de comandă

Pentru alimentarea microcontrolerului am nevoie de o tensiune de 5V si un curent, în configurația aleasă de circa 15mA.

Aleg un stabilizator cu protecție internă cu parametrii:

Tabelul 4.3. Stabilizatori

Am considerat o tensiune de alimentare a stabilizatorului de 7.5V.

Puterea disipată de capsulă va fi:

P=1.5V x 0.015A = 0.023W (4.10)

Temperatura joncțiunii va fi:

Tj=200 x 0.023=5 ºC (4.11)

Tensiunea de vârf în sarcină a transformatorului va fi:

U3 vf = UR vf +2VD = 7.5+2×0.6=8.7V (4.12)

Tensiunea efectivă în sarcină a transformatorului va fi:

U3 ef = U3 vf /1.41 = 6.2V (4.13)

Pentru transformatorul de alimentare consider o cădere de tensiune de la mersul în gol la sarcină de 7%.

Tensiunea de mers în gol a secundarului va fi:

U3 0=1.07x 6.2=6.6V (4.14)

Calculul transformatorului de alimentare (figura 4.3)

Figura 4.3. Transformatorul de putere

Fără a lua în considerare diferența dintre valoarea efectivă si cea medie a curentului, puterea necesară va fi:

S1= S2 + S3=4.2 x 1.5 + 6.6 x 0.015 = 6.5VA (4.15)

Secțiunea necesară a miezului transformatorului este:

Sfier = 1.9 x S10.5 = 1.6 x 2.54 = 4.08 cm2 (4.16)

Aleg un pachet de tole: E+I10 cu grosimea pachetului de 2 cm.

Secțiunea miezului este:

Smiez = 2 x2 = 4 cm2 (4.17)

Calculul numarului de spire pe volt:

Nsp/V = 45 / B x Smiez, (4.18)

unde B este valoarea de vîrf a inducției magnetice. Aleg B=1T

Rezultă:

Nsp/V = 45 / B x Smiez =45 /1.1 x 4 = 10.25 sp/V (4.19)

Calculul numărului de spire necesar în primar:

W1 = Nsp/V x U1 = 10.25 x 220 = 2255 sp. (4.20)

Curentul de sarcină în primar este:

I1 = S1 / U1 = 6.5 / 220 = 0.03 A (4.21)

Secțiunea ferestrei pachetului de tole este:

Sfereastra = 1 x 3 = 3 cm2 (4.22)

Aleg ca înfășurarea primară să acupe un procent de 25 % din secțiunea ferestrei:

Sinf.1 = 0.25 x Sfereastra = 0.75 cm2 (4.23)

Am folosit un conductor de bobinaj care are un factor de umplere de:

2255 sp / 0.75 cm2 = 3066 sp/cm2 (4.24)

Am ales un conductor cu diametru de 0.14 mm, cu secțiunea:

Scu 1 = 0.0154 mm2 (4.25)

Densitatea curentului în primar este:

j1 = I1 / Scu 1 = 0.03 / 0.0154 = 1.95 A/mm2 (4.26)

Numarul de spire necesar in secundarul de forță cu U3:

W3 = Nsp/V x U3 = 10.25 x 4.2 = 43 sp. (4.27)

Aleg un conductor cu diametru de 0.9 mm și secțiunea de Scu 3 = 0.636 mm2

Densitatea curentului în secundar este:

j3 = I3 / Scu 3 = 1.5 / 0.636 = 2.36 A/mm2 (4.28)

Numarul de spire necesar in secundarul de comanda cu U2:

W2 = Nsp/V x U2 = 10.25 x 6.6 = 67 sp. (4.29)

Deoarece curentul in aceasta infasurare este foarte mic, din considerente tehnice aleg un conductor cu diametru de 0.5 mm.

Calculul montajului electronic de comandă

Deoarece schema de alimentare a motorului este în oglindă, voi face calculul numai pentru partea stângă. (figura 4.4)

Figura 4.4. Placa de dezvoltare

Pentru conectarea motorului la plusul tensiunii de alimentare, folosesc o combinație formată din un tanzistor de forță tip PNP si un tranzistor de comandă de tip NPN. Prin această combinație motorul se conectează la plusul alimentării atunci când microcontrolerul dă semnalul ‘1’ logic.

Pentru anularea curentului ICB0 al tranzistorului T2 am montat rezistența R3 de 360 Ω.

Curentul prin rezistenta R3 va fi:

IR3 = VBE / R3 = 0.6 / 360 = 0.0016 A (4.30)

Curentul de bază a tranzistorului T2 considerând hFE = 20:

IB = IM / hFE = 1.5 / 20 = 0.075 A (4.31)

Am ales un curent în conducție prin tranzistorul T1 mai mare decât curentul de bază a lui T2:

IC T1 = 0.090 A

În conducție, tensiunea pe rezistență R2 a T1 va fi:

UR2 = UR sarcina – VBE T2 – VCE T1 = 3.6 – 0.6 – 0.3 = 2.7 V (4.32)

Valoarea rezistenței R2 trebuie să fie:

R2 = UR2 / IC T1 = 2.7 / 0.090 = 30 R (4.33)

Aleg valoarea: R2 = 33 Ω

Pentru tranzistorul T1 aleg, similar cu BC107.

Tabelul 4.4. Tranzistor T1

Curentul de bază al tranzistorului T1 trabuie să fie de minimum:

IB T1 min = IC T1 / hFE = 0.09 / 120 = 0.00075 A = 0.75 mA (4.34)

Aleg pentru rezistența R1 valoarea de 1 kΩ si obținem un curent de bază:

IB T1 =VOUT PIC – VBE T1 / R1 = 4.4 mA , (4.35)

valoare suficientă pentru saturarea tranzistorului.

Pentru conectarea motorului la minusul tensiunii de alimentare am folosit o configurație Darlington, formată dintr- un tanzistor de forță tip NPN, BD441 si un tranzistor de comandă de tip NPN, BC546.

Factorii de câstig în curent sunt similari cu cei prezentați mai sus și se obțin valori identice pentru R4 și R5.

Funcționarea sistemului

Acționarea manuală

La acționarea manuală se acționează butonul de start ON pentru pornirea motorului într-o direcție.

Pentru funcționarea în sensul opus, se acționează butonul OFF pentru oprirea circuitului, iar apoi se acționează butonul CW pentru plecarea motorului în celălalt sens.

Acționarea automată

Pentru a acționa automat motorul de curent continuu se acționează butonul AUT ( automat) pentru pornirea motorului într-o direcție, care după un timp prestabilit în microcontroler se oprește motorul și pornește în cealaltă direcție.

Figura 4.5. Macheta proiect licență

Modelare și simulare în Matlab Simulink

În figura 5.2 este prezentată un model de simulare în ambele sensuri a unei acționări.

Acest lucru se poate face fie automat prin apăsarea butonului automat B3, fie manual prin închiderea butonului automat B2 și apăsarea butonului manual B1 (stânga) și a limitatorului de cursă LL1, care va fi conectat la memoria aferentă, după deconectarea generatorului de semnal (LL1).

Procesul se repetă și la acționarea butonului B2 (dreapta), pentru pornirea spre stânga. Acest lucru nu se poate face decât după oprirea funcționării în acel sens sau după terminarea timpului prestabilit prin apăsarea butonului B1.

Funcționarea corectă a circuitului se poate observa prin cele două displayuri aferente fiecărui sens (verde pentru stânga si roșu pentru dreapta), iar rezultatul poate fi văzut la osciloscop (figura 5.3).

Figura 4.2. Model de simulare a unui proces în dublu sens

Figura 4.3. Variația tensiunii dreptunghiulare pentru cele două sensuri

( mov – stânga; galben – dreapta)

Anexe

Anexa 1. Schema de comandă cu PIC16F628 a unui motor de curent continuu

Anexa 2. Codul sursă realizat în MPLAB

unsigned int i;

unsigned char system_state;

void switch_off_mode (void);

void switch_on_mode (void);

void switch_aut_mode (void);

void switch_ccw_mode (void);

void switch_off_mode (void)

{

if((SWITCH_OFF == 0)&&(SWITCH_ON == 0)&&(SWITCH_AUT == 0)&&(SWITCH_CCW == 0))

{

MOTOR_CW = 0;

MOTOR_CCW = 0;

}

if(SWITCH_ON == 1)

system_state = SWITCH_ON_MODE;

if(SWITCH_AUT == 1)

system_state = SWITCH_AUT_MODE;

if(SWITCH_CCW == 1)

system_state = SWITCH_CW_MODE;

}

void switch_on_mode (void)

{

MOTOR_CW = 1;

MOTOR_CCW = 0;

if(SWITCH_ON == 0)

system_state = SWITCH_OFF_MODE;

}

void switch_aut_mode (void)

{

MOTOR_CW = 1;

MOTOR_CCW = 0;

for (i=1;i<=10000;i++);

MOTOR_CW = 0;

MOTOR_CCW = 1;

for (i=1;i<=10000;i++);

MOTOR_CW = 0;

MOTOR_CCW = 0;

system_state = SWITCH_OFF_MODE;

}

void switch_ccw_mode (void)

{

MOTOR_CW = 0;

MOTOR_CCW= 1;

if(SWITCH_CCW == 0)

system_state = SWITCH_OFF_MODE;

}

void main()

{

unsigned char *CONFIG3H;

CONFIG3H = (unsigned char*)0x300005;

*CONFIG3H &= 0b11111101;

ADCON1bits.PCFG0 = 1;

ADCON1bits.PCFG1 = 0;

ADCON1bits.PCFG2 = 1;

ADCON1bits.PCFG3 = 0;

SWITCH_OFF_TRISB0 = 1;

SWITCH_ON_TRISB1 = 1;

SWITCH_AUT_TRISB2 = 1;

SWITCH_CCW_TRISB3 = 1;

MOTOR_CCW_TRISB7 = 0;

MOTOR_CW_TRISB6 = 0;

while(1)

{

switch (system_state)

{

case SWITCH_OFF_MODE:

{

switch_off_mode();

}

case SWITCH_ON_MODE:

{

switch_on_mode();

}

case SWITCH_AUT_MODE:

{

switch_aut_mode();

}

case SWITCH_CCW_MODE:

{

switch_ccw_mode();

}

default:

{

system_state = SWITCH_OFF_MODE;

}

}

}

}

Concluzii

Acționările cu motoare de curent continuu sunt tot mai utilizate în majoritatea domeniilor electrice și fiind din ce în ce mai importante în acționarea mecanismelor existente.

Există nenumărate soluții de comandă a motoarelor pentru sistemele utilizate în acest moment. Sistemele simple sau complexe folosesc tot mai mult microcontrolere, iar sistemele cu un grad ridicat de complexitate utilizează arhitecturi DSP. În general, arhitectura hibridă reprezintă o bună soluție atât timp cât sunt utilizate doar câteva componente (deoarece mai puține componente înseamnă o sursă mai mică de posibile defecte), proiectarea software se realizează simplu și rapid, iar costul întregului sistem se scade semnificativ.

Prin această lucrare am demonstrat funcționarea unui motor de curent continuu cu perii în ambele sensuri, atât manual prin apăsarea unor butoane, cât și în mod automat, comandat cu un microcontroler PIC.

Bibliografie

[1] Haba C.G., Sisteme de comandă a mașinilor electrice, Ed. Gh.Asachi, Iași

[2] Vasile Surducan, Microcontrolere pt. toti, Editura Risoprint, Cluj, 2004

[3] Dr. Ing. Valentin Muller, Mașini Electrice, Ed. Politehnica Timișoara, 2005

[4] John Iovine, PIC Microcontroler Project Book, Ed. Mc Graham Hill

[5] Mașini Electrice, Marian Pearsică, Mădălina Petrescu, Ed. A.F.A.”H. Coandă”, Brașov 2007

[6].http://facultate.regielive.ro/licente/energetica/actionarea-electrica-cu-motorul-de-curent-continuu-a-mecanismelor-unei-macarale-portuare-217915.html

[7]. http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa2/Rus_Ana_Maria/site/motor2.png

[8]. http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/CARACTERISTICILE-MOTOARELOR-DE95197.php

[9]. http://www.scribd.com/doc/52500987/ACTIONARI-ELECTRICE-Final

[10]. http://facultate.regielive.ro/proiecte/electronica/simularea-unei-actionari-cu-motor-de-curent-continuu-cu-excitatie-derivatie-109337.html

[11]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric#Motorul_de_curent_continuu

[12]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric_de_curent_continuu

[13]. http://www.scribd.com/doc/62893209/Dobre-Alexandru-Marius

[14]. http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/

[15]. http://www.electronica-azi.ro/articol/1772

[16]. http://facultate.regielive.ro/proiecte/electronica/aprinderea-led-urilor-utilizand-pic16f628-299966.html

[17]. http://facultate.regielive.ro/cursuri/limbaje-de-programare/matlab-7827.html?s=matlab

[18].http://xa.yimg.com/kq/groups/24386162/1333363013/name/MATLAB_Drum_scurt_spre_performanta_2010-02-05.pdf

[19]. http://facultate.regielive.ro/licente/electrotehnica/motorul-sincron-cu-magneti-permanenti-mecanica-273726.html?s=simul%20matlab%20unu%20motor%20curent%20continuu