Comanda Unei Masini cu Trei Motoare Pas cu Pas cu Ajutorul Calculatorului

Comanda unei masini cu trei motoare pas cu pas cu ajutorul calculatorului

REZUMATUL PROIECTULUI

In principiu scopul proiectului este de a realiza o masina care poate fi controlata cu ajutorul unui calculator. Aceasta masina poate fi caracterizata ca fiind un CNC ( computer numerically controlled). Numele de CNC este legat de modul unic in care functioneaza o masina deci este vorba despre metoda controlarii miscarilor pe care le face. Pentru a isi da seama care sunt miscarile care trebuie sa le execute un CNC foloseste diversi algoritmi matematici si numeroase sisteme de coordonate. Pentru a realiza proiectul am avut nevoie sa construiesc 3 drivere pentru a putea controla motoarele pas cu pas care controleaza axele de miscare, un batiu care sustine motoarele si demonstreaza principiile de miscare ale motoarelor si o placa electronica realizata cu un microcontroler de tip PIC ( Programmable Intelligent Computer) care la randul sau controleaza driverele care controleaza motoarele.

Inceputul proiectului a pornit de la notiuni teoretice studiate in cursuri si carti de specialitate , scheme de control realizate cu microcontrolere, studierea proiectelor asemanatoare ce folosesc motoare pas cu pas, online si studierea schemelor de specialitate alcatuite cu driverele ce le voi folosi in proiect si anume L298, L298N , microcontroler din familia PIC si A3977.

Am ales acest proiect deoarece am considerat ca este un proiect interesant si ca o sa invat lucruri noi pe parcurul realizarii acestuia. In realizarea proiectului am dobandit cunostinte de programare in programe precum CVI, Mplab sau C , proiectare in layout folosind programul Eagle si PCB, cunostinte de mecanica dobandite in realizarea batiului si cunostinte in realizarea practica a unei placi deoarece driverele folosite in controlarea motoarelor nu le-am cumparat ci le-am construit. Pe parcursul realizarii tezei am intampinat si probleme de ordin mecanic si tehnic.La confectionarea batiului au existat probleme de tip mecanic cu axele acestuia care nu se miscau cum trebuie si la o viteza corespunzatoare ,insa problema s-a rezolvat atunci cand am lubrifiat cu ulei componentele in miscare ale acestuia.De asemenea dupa ce am realizat driverul format cu L297 si L298N , la testarea motoarelor cu acesta placa se incingea si la un moment dat a ars si un integrat. Pentru a rezolva problema, pe L297 am montat un racitor mai mare care sa disipe caldura. Dupa montarea acestuia driverul a functionat corespunzator.

Termenii cheie: motor pas cu pas, microcontroler PIC 18, A3977, micropasire, L297, L298N.

Cuprins

Introducere

Capitolul 1

Locul si rolul elementului de executie in structura unui sistem de reglare automata

1.1Tehnici utilizate in proiectarea SRA, structura sistemelor numerice de

reglare automata

1.2Elementul de executie

1.3Alegerea ca element de executie a motorului pas cu pas

Capitolul 2

Constructia si functionarea MPP

2.1Modelul matematic al MPPH

2.2 Principii de comanda si alimentare a MPP

Capitolul 3

Comanda MPP cu circuite integrate specializate(Drivere

3.1 Comanda cu L297+L298

3.1.1 Date tehnice L297

3.1.2 Date tehnice L298N

3.2 Comanda in regim de micropasire cu A3977

3.2.1 Micropasirea

3.2.2 Date tehnice A3977

Capitolul 4

Interfatarea driverelor la microsisteme,conducerea cu calculatorul

4.1 Conducerea prin portul USB

Capitolul 5

Rezultate experimentale si concluzii

5.1Construirea placilor de comanda a MPP cu circuite integrate specializate

5.1.1 Construirea placii formate din L297+L298N

5.1.2 Construirea placii formate din A3977

5.2 Testarea MPP

5.3Conducerea si Interfatarea prin portul USB

LISTA FIGURILOR

FIGURA 1.1 Ansamblu realizat dintr-un proces condus si echipamente ce asigura automatizarea sa-

pagina 15

FIGURA 1.2 Sistem de reglare automata – pagina 16

FIGURA 1.3 Schema bloc a unui sistem automat- pagina 17

FIGURA 1.4 Sisteme de reglare hibride, CAN-Regulator numeric-CAN, CAN-Proces-CAN- pagina 18

FIGURA 1.5 Element de executie –pagina 20

FIGURA 2.1 Motor pas cu pas cu magnet permanent in rotor- pagina 24

FIGURA 2.2 Motor pas cu pas hibrid –pagina 25

FIGURA 2.3Exemplu de infasurare a fazelor si de deplasare a rotorului- pagina 26

FIGURA 2.4 Exemplu de deplasare a motorului pas cu pas in grade- pagina 27

FIGURA 2.5 Schimbarea polilor unui motor pas cu pas cu reluctanta variabila- pagina 28

FIGURA 2.6 Functionarea la pas intreg a unui motor pas cu pas – pagina 29

FIGURA 2.7 Functionarea la cuplu maxim a unui motor pas cu pas- pagina 31

FIGURA 2.21 Functionarea la jumatate de pas a unui motor pas cu pas- pagina 32

FIGURA 2.22 Motor bipolar – pagina 34

FIGURA 2.23 Motor unipolar- pagina 34

FIGURA 2.25 a) comanda simetrica simpla in care alimentarea fazelor este comutata succesiv pe fiecare infasurare; b) doua infasurari alimentate in permanenta; c) varianta imbunatatita a variantei b- pagina 39

FIGURA 2.26 Elementele principale ce intra in componenta schemelor de comutare a semnalelor pe infasurari- pagina 39

FIGURA 2.27 Circuite distribuitoare pentru un motor cu 4 faze- pagina 40

FIGURA 2.28 Circuit numeric ce realizează controlul frecvenței prin informația numerică transmisa de la procesor- pagina 41

FIGURA 3.1 Circuitul integrat L297- pagina 44

FIGURA 3.2 Conexiunea pinilor la integratul L297- pagina 45

FIGURA 3.3 Diagrama bloc L297- pagina 46

FIGURA 3.4 Secventa de comanda dubla – pagina 49

FIGURA 3.5 Secventa de comanda mixta- pagina 49

FIGURA 3.6 Secventa de comanda simpla- pagina 50

FIGURA 3.8 L298N – pagina 52

FIGURA 3.9 Diagrama bloc L298N – pagina 53

FIGURA 3.10 L297 in componenta cu L298N- pagina 54

FIGURA 3.11 Forme de unda ideale ale curentilor pentru alimentarea fazelor unui motor pas cu pas bipolar – pagina 56

FIGURA 3.22 Schema bloc driver A3977 – pagina 57

FIGURA 3.23 Diagrama bloc driver A3977- pagina 59

FIGURA 4.8 Microcontroler PIC 18 – pagina 60

FIGURA 4.9 Diagrama bloc Microcontroler PIC 18- pagina 61

FIGURA 4.10 Schema electrica pentru placa ci PIC 18- pagina 62

FIGURA 4.11 Cablaj imprimat schema realizata cu PIC18 – pagina 62

FIGURA 4.12 Forma finala placa realizata cu PIC18 – pagina 62

FIGURA 4.13 Legatura intre motor motor MPP, placa driver si placa microcontroler PC – pagina 63

FIGURA 4.14 Program testare motoare in Mplab – pagina 64

FIGURA 4.15 Incarcarea programului in microcontroler- pagina 64

FIGURA 5.2 Schema electrica a placii formate din L297 si L298N- pagina 66

FIGURA 5.3 Schema placa realizata cu L297 si L298 in Programul Eagle faza 1- pagina 67

FIGURA 5.4 Schema placa realizata cu L297 si L298 in Programul Eagle faza 2- pagina 67

FIGURA 5.5 Layout-ul placii realizat cu L297 si L298N- pagina 68

FIGURA 5.7 Placa completa realizata cu L297 si L298N – pagina 69

FIGURA 5.15 Schema electrica pentru placa realizata cu A3977 – pagina 71

FIGURA 5.16 Cablajul care este realizat in programul Eagle – pagina 72

FIGURA 5.17 Placa realizata cu A3977 dupa prelucrare – pagina 74

FIGURA 5.19 Realizarea placii cu A3977 in diferite stadii de asamblare – pagina 75

FIGURA 5.20 Placa realizata cu A3977 in varianta finala – pagina 76

FIGURA 5.21 Placa realizata cu A3977 in varianta finala verso – pagina 77

FIGURA 5.22 Motor pas cu pas hibrid – pagina 77

FIGURA 5.23 Legatura motor-driver-controller-PC – pagina 78

FIGURA 5.24 Diagrama de activitate pentru testarea a două butoane conectate la D0 și D1 și aprinderea a două LED-uri conectate la B2, B3 – pagina 79

FIGURA 5.25 Soft CVI folosit in controlul motoarelor – pagina 84

FIGURA 5.26 Legatura Pic CU PORT USB – pagina 84

FIGURA 5.27 Reprezentare batiu – pagina 86

FIGURA 5.28 Privire in detaliu asupra ansamblului final – pagina 87

LISTA TABELE

TABEL 2.1 Tabel rezumativ al secventei pe faza la functionarea la pas intreg a unui motor pas cu pas –pagina 30

TABEL 2 .2 Alimentarea infasurarilor la functionarea la cuplu maxim a unui motor pas cu pas-pagina 32

TABEL 3.7 Caracteristici electrice ale integratului L297 – pagina 51

TABEL 5.18 Componentele ce urmeaza sa fie lipite pe placa realizata cu A3977 – pagina 74

Introducere

„Sistemele de actionare electrica cu motoare pas cu pas s-au dezvoltat din ce in ce mai mult datorita numeroaselor domenii de utilizare, dar mai ales ca urmare a progreselor inregistrate in electronica de putere si microelectronica.Domenii de aplicare prin excelenta sunt echipamentele periferice ale calculatoarelor(imprimante, plotere, cititoare de discuri de memorie), masini- unelte cu comanda numerica, robotica, mecatronica,etc. Utilizarea motoarelor pas cu pas ca elemente de executie prezinta anumite avantaje: sunt compatibile cu tehnica numerica, precizie si putere de rezolutie marite, pot fi utilizate in circuit deschis. Lipsa traductorului numeric de pozitie face ca sistemele de comanda in circuit deschis a motoareleor pas cu pas sa fie in prezent cele mai ieftine sisteme de pozitionare. Conceperea, realizarea practica si testarea experimentala a unor astfel de sisteme de actionare moderne reprezinta o sarcina dificila, deoarece presupune cunostinte din mai multe dominii distincte (cercetare teoretica, operatii matematice complexe, actionari electrice, masini electrice,electronica digitala si industriala, controlul sistemelor, sisteme numerice – hardware si software)”. In acest context, lucrarea isi propune analiza teoretica(prin modelare matematica si simulare numerica), dezvoltarea si testarea experimentala( prin realizarea de standuri experimentale) a unor sisteme electronice inteligente de comanda si alimentare a motoarelor pas cu pas , inclusiv impementate pe calculatoare personale. Prin realizarea mai multor prototipuri experimentale, lucrarea are si o contributie tehnica importanta privind realizarea sistemelor electronice actionate cu motoare pas cu pas .Lucrarea abordeaza in mod unitar comanda si alimentarea motoarelor pas cu pas pentru ca , de fapt, aceste domenii sunt inseparabile.Motorul pas cu pas poate fi considerat , dupa parerea mea , un motor de referinta, creandu-se posibilitati ca multe din rezultatele teoretice si experimentale obtinute in cazul acestuia sa fie extinse asupra altor tipuri de motoare.Motorul pas cu pas este un motor sincron special , un convertor electromecanic numeric – analogic, care realizeaza conversia unui tren de impulsuri de comanda – de obicei dreptunghiulare – aplicate fazeor motorului, intr-o miscare de rotatie ce consta din depalsari incrementate discrete, de marime egala.Sunt utilizate , in special , in aplicatiile unde se doreste realizarea unei miscari incrementale,fiind relativ usor de interfatat cu sistemele numerice . Prin inlocuirea servomotorului de curent continuu cu excitatie cu magneti permanenti functionand in circuit inchis cu motoare ps cu pas comandate in circuit deschis se elimina necesitatea unor convertoare D/A , amplificatoare de putere cu coeficient ridicat de liniaritate, traductoare numerice de pozitie si viteza.

Domeniile abordate in proiect sunt destul de complexe pentru a putea pune in aplicatie cat mai multe cunostinte teoretice sau parti practice din cadrul facultatii.

Pentru inceput e nevoie de electronica pentru a se putea concepe cateva placi cu circuite integrate : placile de driver(conducere) a motoarelor si placa pentru iesiri si intrari a microcontrolerului Pic 18f4455.Pentru comenzile date catre pic am folosit programare in asamblare prin programul mplab si programare C in programul CVI .Pentru a intelege in ansamblu sistem de functionare e nevoie de materii cum sunt: TS(teoria sistemelor) , IRA(ingineria reglarii automate),SCPC(sisteme de conducere a proceselor continuue),sisteme cu microprocesoare si EEA(echipamente electronice de automatizare).

Obiectivele proiectului au fost de a face o masinarie cu ajutorul caruia sa pot gagneti permanenti functionand in circuit inchis cu motoare ps cu pas comandate in circuit deschis se elimina necesitatea unor convertoare D/A , amplificatoare de putere cu coeficient ridicat de liniaritate, traductoare numerice de pozitie si viteza.

Domeniile abordate in proiect sunt destul de complexe pentru a putea pune in aplicatie cat mai multe cunostinte teoretice sau parti practice din cadrul facultatii.

Pentru inceput e nevoie de electronica pentru a se putea concepe cateva placi cu circuite integrate : placile de driver(conducere) a motoarelor si placa pentru iesiri si intrari a microcontrolerului Pic 18f4455.Pentru comenzile date catre pic am folosit programare in asamblare prin programul mplab si programare C in programul CVI .Pentru a intelege in ansamblu sistem de functionare e nevoie de materii cum sunt: TS(teoria sistemelor) , IRA(ingineria reglarii automate),SCPC(sisteme de conducere a proceselor continuue),sisteme cu microprocesoare si EEA(echipamente electronice de automatizare).

Obiectivele proiectului au fost de a face o masinarie cu ajutorul caruia sa pot gauri, taia,grava, desena anumite forme sau scrisuri date de la calculator in diferite materiale cum sunt: lemn ,marmura, fier etc.., in functie de scula care este fixata pe axa z.Construirea ei pe 3 axe pare cea mai utila pentru ca se poate controla bine chiar si axa de adancire in material pe verticala adica axa z iar x si y sunt axele laterale pe plan orizontal pe care trebuie sa se deplaseze masinaria.Pentru a controla aceste 3 axe avem nevoie de 3 motoare pas cu pas iar pentru a genera anumiti curenti pe fazele motorului avem nevoie de 1 driver (o placa cu circuite integrate) pentru fiecare axa. Pentru controlul driverului(pentru generarea impulsurilor si timpul necesar de oprire sau schimbare al directiei de invartire al motoarelor ) avem nevoie de un microcontroler cu iesiri si intrari aferente (o alta placa cu circuite integrate) care la randul ei este legata la calculator.Controlul intregii masinari se face din soft in partea finala printr-o interfata grafica in CVI care este legat la PIC si astfel se poate face comanda directa la PIC.

Capitolul 1

Locul si rolul elementului de executie in structura unui sistem de reglare automata

Ansamblul compus din procesul condus, supus automatizarii si mijloacele tehnice, respectiv echipamentele ce asigura automatizarea acestuia constituie un sistem automat, are urmatoarea schema:

P1 p2

Program y

Fig. 1.1 Ansamblu realizat din proces condus si echipamente ce asigura automatizarea sa

Procesul condus, reprezentat ca sistem cu intrarile u si y este supus actiunii marimii de comanda u generate de sistemul conducator, reprezentat de echipamentul de automatizare si actiunii marimilor exogene,p , care reprezinta perturbatii.

Perturbatiile ce actioneaza asupra obiectului condus (procesului) pot fi aditive sau parametrice.

Perturbatiile aditive au un efect ce se cumuleaza la iesire cu actiunea comenzii u.Actiunea perturbatiilor parametrice conduce la modificari structurale ale procesului (sistemului).

Daca descompunem procesul condus in mai multe componente ca si in Fig. 1.2 in care se evidentiaza locurile sale funcionale si semnalele dintre aceste blocuri se realizeaza o structura de sistem inchis denumit sistem de reglare automata sau prescurtat SRA.

p

R EE IT

EC u m z

r

+ ᵋ

y

Tr

Zgomot de

masura

Fig. 1.2 Sistem de reglare automata

Programul impus pentru evolutia dorita a procesului este concretizat prin semnalul de referinta r care se noteaza:

r= yd=y* , (y-dorit) (1.1)

Variabila fizica din proces (z) denumita si marimea de calitate, care urmeaza sa fie reglata (condusa), ete masurata si convertita prin traductorul Tr intr-un semnal compatibil cu referinta r. In elementrul de comparatie EC, continut in regulator, aceste doua semnale sunt de regula prelucrate conform unei functii de scadere, din care rezulta abaterea(eroarea) conform expresiei :

ε(t) = r – y(t) = yd – y(t) (1.2)

Regulatorul prelucreaza eroarea ε(t) sau /si referinta r si iesirea masurata y, generand comanda u in scopul asigurarii evolutiei marimii de calitate din process(z) conform programului impus prin referinta r, indiferent de actiunea marimilor perturbatoare p.

Comanda u asigura prin intermediul elementului de executie EE modificarea corespunzatoare a sursei de energie exterioara si a instalatiei tehnologice in sensul realizarii evolutiei dorite a marimii de calitate z.Marimea de executie m obtinuta la iesirea elementului EE defineste fluxul de energie spre instalatia tehnologica.

Ansamblul format din regulatorul R, elemental de executie EE si traductorul Tr care asigura controlul procesului (instalatiei tehnologice IT), fara interventia operatorului uman se numeste echipament de automatizare.

Deoarece elementul de executie EE si traductorul Tr sunt specific fiecarei instalatii tehnologice acestea pot fi incluse in cadrul obiectulu condus, denumit si partea fixata a procesului (sau proces) notate cu F, iar schema functional compacta a unui sistem automat ( sau SRA) este prezentata in Fig. 1.3 :

p1 p

R F

r + u y

–

Fig. 1.3 Schema bloc sistem automat

Regulatorul prelucreaza referinta r si iesirea masurata y sau /si eroarea ε dupa diferite legi bine definite, denumite legi sau algoritmi de reglare, rezultand la iesirea sa semnalul de comanda u. Semalul de eroare si comanda se genereaza automat in cadrul reglatorului.

Semnalul de eroare este un indicator de calitate raportat la regimul impus prin referinta si tot odata caracterizeaza regimul tranzitoriu sau stationar de functionare al SRA conform relatiilor:

SRA se activeaza la ε(t) = r- y(t) ≠ 0(regim tranzitoriu)

SRA intra in regim stabilizat cand ε(t) = r- y(t) 0

Spunem ca sistemul din figura indeplineste sarcinile de reglare daca indifferent de aciunea marimilor perturbatoare(exogene) ce actioneaza asupra obiectului condus, este indeplinita conditia:

lim ε(t) = 0 (1.3)

t ∞

Un asemenea sistem poarta denumirea de sistem de reglare automata.

1.1 Tehnici utilizate in proiectarea SRA, structura sistemelor numerice de reglare automata

Se prezinta structura unui sistem de reglare numeric , care include un regularor numeric RN(calculator sau microcalculator) intr-o bucla d comanda –reglare.

Pentru ca acest regulator numeric RN sa fie compatibil cu procesul continuu condus (cu functia de transfer Hf(s)),sunt incluse in structura sistemului convertoru analog-numeric CAN , care converteste marimea masurata y(t) intr-un semnal numeric y(t)=yk la momente de esantionare definite de ceasul de sincronizare.

Referinta rk este specificata numeric prin intermediul tastaturii regulatorului numeric.

Regulatorul RN(calculatorul) interpreteaza semnalul convertit y(k) ca o secventa de numere, pe care o prelucreaza pe baza unui algoritm de reglare si genereaza la iesire comanda u(k)= uk sub forma unei secvente de semnale discrete.Prin intermediul unui convertor numeric – analogic CAN, aveasta secventa de semnale u(k) este convertita intr-un semnal analogic u(t) care e tinut constant intre momentele de esantionare printr-un extrapolator de ordin zero EOZ.

Fig. 1.4 Sisteme de reglare hibride, CAN-Regulator numeric-CAN, CAN-Proces-CNA

Ansamblul CNA- process- CAN este considerat un process discretizat, a carei intrare este secventa u(k) generata de regulator (calculator), iar iesirea este secventa y(k) rezultata in urma conversiei analog-numerice a iesirii procesului y(t).

Discretizantul partii continue a sistemului se obtine cu usurinta apeland la procedurile ZOH(metoda dreptunghiului) si TUSTIN(motoda trapezului) in limbajul Matlab.

1.2 Elementul de executie

In cadrul sistemelor automate, elementele de executie (si traductoarele) constituie elemente de cuplare a regulatorului la procesul supus automatizarii.Elementele de executie pot fi privite ca generatoare de cuplu(sau forta) cu viteze date, folosind energie exterioara comandata de semnalele de comanda elaborate de regulator.Elementul de executie are un rol informational si de vehicular a unor puteri importante.

Rolul elementelor de execuție este de a amplifica în putere comanda primită de la regulator, acționând nemijlocit asupra instalației automatizate, prin intermediul mărimii de execuție xm. Ele se aleg în așa fel, încât să dezvolte o putere la ieșire suficient de mare pentru a se asigura manipularea organelor de reglare conform cu comanda primită la intrare.

Semnalul de intrare este primit de la blocul de conducere(R.A) si elementele de executie pot modifica starea procesului in conformitate cu algoritmul de conducere .

Elementul de executie este format din doua parti distincte:

Motorul de executie ME

Organul de executie OE.

Fig. 1.5 Element de executie

Relatia care se stabileste intre marimea m de la iesirea EE si c, care este marimea de intrare provenita de la regulator defineste comportarea EE in regim stationar.Raportul dintre aceste marimi ar fi ideal sa fie constatate indiferent de valoarea lui c. Dar in functionare intervin anumiti factori care influenteaza marimea m(frecari, reactii ale mediului ambient, greutati neechilibrate etc).

Elementul de executie EE poate actiona in doua moduri:

Continuu, daca marimea m poate lua valoare cuprinsa intre doua valori limita

Discontinuu, daca marimea m poate fi modificata numai pentru doua valori limita

Elementele de execuție se pot realiza în două moduri:

– elemente de execuție în circuit deschis, reprezentând dispozitive de acționare a organului de reglare, fără controlul poziției acestuia;

– elemente de execuție în circuit închis, reprezentând servomecanisme. În conformitate cu semnalul de comanda xc primit, un servomecanism poziționează organul de reglare, controlând în permanență dacă poziția acestuia corespunde comenzi xc.

Dupa natura energiei utilizate pentru realizarea functiei de actionare, elementele de executie pot fi :

pneumatice

hidraulice

electrice.

Dupa modul de actionare se deosebesc:elemente de executie cu actiune continua, bipozitionale si de tip pas cu pas.

La alegerea unui element de executie se impun a fi respectate urmatoarele cerinte:

-puterea dezvoltata la iesire, corelata cu puterea necesara actionarii organului de reglare pentru intregul domeniu de incarcare a procesului;

-domeniul de liniaritate cat mai mare al caracteristicilor statice, asigurandu-se o inalta sensibilitate in functionare;

-precizie si siguranta in functionare;

-viteze de raspuns cat mai mari(constante de timp cat mai mici);

Posibilitatea reglarii vitezei in limite largi si pozibilitatea inversarii sensului de miscare

Pentru examinarea comportarii elementelor de executie este necesara stabilirea ecuatiei diferentiale care leaga marimea de comanda u(t) de marimea de executie m(t) si functia de transfer .

Actionarea electrica a organelor de reglare se poate face continuu, cu ajutorul motoarelor electrice de curent continuu si motoarelor asincrone monofazate, bifazate si trifazate, precum si cu ajutorul motoarelor cu toro disc, si continuu, cu ajutorul electromagnetilor.

Motoarele electrice utilizate ca elemente de actionare au o viteza de raspuns mai scazuta decat elementele de actionare pneumatice si hudraulice, dezvolta un cuplu mai redus pentru acelasi volum si prezinta o siguranta mai scazuta in conditii dificile de mediu. Pe portiunea liniara a caracteristicilor statice, acestea pot fi descrise cu ajutorul unor funcii de transfer de forma:

Hm(s) (1.4)

Tm – constanta de timp mecanica;

T – constanta de timp a circuitului electric.

1.3 Alegerea ca element de executie a motorului pas cu pas

Alegerea MPP(motoarelor pas cu pas) pentru sistemele electrice a adus o evolutie spectaculoasa care deschide perspectiva unor performante remarcabile.Prin implementarea unor strategii moderne de comanda si reglare, fundamentate teoretic si practic , in ultimele decenii, precizia si viteza miscarii fiind cerinte pretinse tot mai des de aplicatiile industriale.Pentru domeniile automatizarilor industriale,a echipamentelor de control numeric pentru masini unelte, a robotilor industriali, servo motoarele reprezinta cea mai raspandita forma de conversie a energiei electrice in energie mecanica.Miscarea incrementala a elementului de executie a fost impusa de o serie de aplicatii pentru care obiectul de reglat trebuie sa execute deplasari scurte si rapide, compuse din incrementari, care definesc rezolutia miscarii.

MPP este singurul element de executie avand functia de convertor electromecanic digital-analog(impuls-unghi).In felul acesta se explica de ce motorul pas cu pas , aparut prea timpuriu, inca din anii ’30, a fost scos din ”uitare” si introdus in tehnica moderna, afirmandu-se ca MPP este motorul viitorului in multe sisteme de comanda si reglare, ca element de executie.

Primele utilizari ale MPP unde s-au cerut performate ridicate au fost sistemele de comanda din domeniul aero-spatial, astazi utilizarea lor fiind extinsa in toate domeniile unde se aplica sisteme cu functionare digitala.Proprietatea deosebita de conversie univoca a impulsului electric in pas unghiular permite realizarea celor mai simple sisteme de pozitionare in circuit deschis, fara utilizarea unui traductor de reactie.

Prin utilizarea microprocesoarelor , a microcalculatoareleor si microcontrolerelor, tehnologia actionarilor cu MPP a facut un mare pas inainte.Introducerea ”inteligentei” in comada actionarilor cu MPP permite implementarea in timp real a unor algoritmi sofisticati de reglare avandu-se in vedere obtinerea unor performate dinamice superioare chiar in prezenta variatiei parametrilor si sarcinii, situatii care apar in mod frecvent in aplicatiile industriale complexe.Prin introducerea ”inteligentei” in comanda actionarilor electrice cu MPP, aceasta va prelua anumite funcii complexe efectuate manual de catre factorul uman.In prezent , chiar si in actionarile electrice de inalta tehnologie, exista operatori care trebuie sa faca anumite reglari ale echipamantului de comanda ,in acelasi timp fiind necesare vizite periodice din partea personalului de intretinere pentru verificarea functionarii corecte a echipamentrului mecanic si electric.Scopul introducerii ” inteligentei” in sistemele de actionare electrica este preluarea acestor sarcini, inclusiv a celor de supraveghere de catre microcalculator, microprocesor sau microcontroler, care funcitoneaza in mod continuu si care pot raspunde oricarei modificari.Aceste sisteme nu numai ca primesc informatii din proces dar tot o data au capacitatea de a lua anumite decizii pe baza informatiilor primite si de a initia actiuni noi.

Utilizarea sistemelor cu microprocesor in domeniul actionarilor electrice cu motoare pas cu pas se justifica nu numai din puct de vedere al complexitatii operantiilor si comenzilor necesare ci si dintr-o serie de alti factori cum sunt:

-micsorarea timpului de raspuns a circuitelor de comanda, intrucat viteza de lucru a microprocesorului permite acest fapt si realizarea de circuite de actionare rapide;

-cresterea preciziei si sigurantei de lucru, prin folosirea unui sistem de cacul ca circuit de comanda;

-flexibilitatea- posibilitatea extinderii numarului de elemente controlate, a efectuarii de modificari sau corectii asupra functiei de comanda prin simpla schimbare a unui program si mentinerea a structurii hardware;

-interfatarea mult mai usoara cu semnale numerice;

-asigurarea operatiilor de diagnosticare a functionarii echipamentului(se pot include si programe de test si autodepanare) gratie controlului prefunctional in cazul unor marimi importante;

-imbunatatirea fiabilitatii si asigurarea unei mai bune insensibilitati la perturbatii pentru circuitele de comanda;

-scaderea consumului de energie;

-implementarea unor algoritmi evoluati de reglare si conducere numerica.

Datorita cresterii complexitatii si varietatii aplicative a echipamentelor de pozitionare cu motoare pas cu pas, proiectarea si dezvoltarea lor in logica cablata devine ineficienta din punct de vedere al turatiei si problematicii inerente implementarii, al complexitatii configuratiei hardware necesare, al pretului de cost , al posibilitatii de utilizare in structuri si aplicatii variabile.

In aceste conditii, alegerea alternativei utilizarii microcalculatorului apare justificata si oportuna din urmatoarele considerente fundamentale:

-motorul pas cu pas permite interfatarea directa la microprecesor , microcontroler, microcalculator, datorita structurii sale de convertor numeric-analogic(impuls de comanda-pas de deplasare);

-microprocesorul asigura realizarea simpla prin software a algoritmilor de comanda a

motorului pas cu pas , cu un necesar minimal de hardware;

-sistemele cu microprocesor, respectiv sistemele cu controlere au o remarcabila flexibilitate, conferind posibilitatea modificarii secventei de lucru, in functie de aplicatia concreta, fara schimbari in structura standard a hardware-ului;

-implementarea sistemelor cu microprocesor se face usor si rapid;

-raportul performanta-pret al unui asemenea sistem de pozitionare este deosebit de favorabil;

Capitolul 2

Capitolul 2

Constructia si functionarea MPP

MPP este un motor sincron special, un convertor electromecanic numeric-analogic,care realizeaza conversia unui tren de impulsuri de comanda-de obicei dreptunghiulare-aplicate fazelor motorului, intr-o miscare de rotatie ce consta din deplasari incrementale discrete, de marime egala.

Unghiul de rotatie pe care il executa rotorul, la aplicarea unui imuls de comanda, reprezinta unghiul de pas al motorului(θp).La fiecare impuls de comanda rotorul executa un pas unghiular θp apoi se opreste pana la sosirea urmatorului impuls de comanda

MPP sunt de 3 tipuri:

-MPP cu magnet permanent in rotor(rotor cilindric si disc) Fig. 2.1

-MPP cu reluctanta variabila(rotor cilindric dintat din tole)Fig. 2.5

-MPP hibride(cu magnet permanent si reluctanta variabila) Fig 2.2

Fig. 2.1 MPP cu magnet permanent in rotor

Fig. 2.2 Motor pas cu pas hibrid

Fig. 2.3Exemplu de infasurare a fazelor si de deplasare a rotorului

Fig. 2.4 Exemplu de deplasare a MPP in grade

Modul de functionare a MPP

Fig. 2.5 Schimbarea polilor unui MPP cu reluctanta variabila

Functionarea la pas intreg:

1

2

3

4

Fig.2.6 Functionarea la pas intreg a unui motor pas cu pas

Tabel rezumativ al secventei pe faza:

Tabel 2.1 Tabel rezumativ al secventei pe faza la functionarea la pas intreg a unui motor pas cu pas

Functionare la cuplu maxim:

1

2

3

4

Fig. 2.7 Functionarea la cuplu maxim a unui motor pas cu pas

Alimentarea infasurarilor:

Tabel 2.2 Alimentarea infasurarilor la functionarea la cuplu maxim a unui motor pas cu pas

Functionarea la jumatate de pas:

1 5

2 6

3 7

4 8

Fig. 2.21 Functionarea la jumatate de pas a unui motor pas cu pas

Pentru aplicații industriale, de proiectare a unui motor pas cu pas trebuie să fie calcule riguroase sau supradimensionate pentru a evita problemele de alunecare "fara pierdere". Motorul pas cu pas care funcționează în buclă deschisă (fără pilot), el nu recuperează poziția sa nominală atunci când aluneca.

Pentru un motor pas cu pas bipolar avem:

Fig. 2.22 Motor bipolar

Acesta este principiul de punte-H, daca comandati T1 și T4, apoi este alimentat într-o direcție sau este furnizat în T2 și T3, se schimbă sensul de putere, direcția actuală a curentului.

Fig. 2.23 Motor unipolar

Mini concluzie: motorul bipolar este mai simplu de fabricat, dar necesită 8 tranzistori in timp ce motorul unipolar necesită doar 4 tranzistori.

Fig. 2.24

2.1Modelul matematic al MPPH

In cazul cel mai general motorul pas cu pas hibrid poate fi considerat ca o masina electrica cu intrefier dintat si cu m infasurari de comanda(faze), distribuite pe stator sau rotor, infasurari ce sunt alimentate printr-un tren de impulsuri.In afara de aceasta, circuitul magnetic mai poate sa contina magneti permanenti sau infasurari de excitatie alimentate cu curent constant.Deoarece orice magnet permanent poate fi inlocuit cu o infasurare de excitatie fictiva, in cazul general un motor pas cu pas cu m faze poate fi considerat ca avand m+1 circuite electrice.

Prin analogie cu principiile din mecanica analitica, motorul pas cu pas hibrid poate fi vazut ca un sistem unitar de conversie electromecanic caracterizat prin m+2 coordonate generalizate:m curenti din fazele MPPH , curentu din infasurarea de excitatie si unghiul de rotatie.Pentru descrierea funcionarii MPPH sunt necesare tot atatea ecuatii de echilibru, adica m+1 ecuatii de echilibru electric si ecuatia de miscare(echilibrul dinamic al cuplurilor).

Sistemul de ecuatii poate fi scris sub forma matriciala astfel:

[us]=[Rs][is] +d[ψs] (2.1)

dt

Jd2θm + Bdθm +Mr=Me (2.2)

dt2 dt

[us] – matricea coloana a tensiunilor de alimentare a celor m faze si tensiunea de excitatie;

[is] – matricea coloana a curentilor cu m+1 linii, ultima fiind curentul de excitatie real sau echivalent;

[Rs] – matricea diagonala a rezistentelor fazelor, de dimensiunea (m+1)x(m+1);

[ψs] – matricea coloana a fluxurilor totale, care se considera aici functii de curentii din circuitele respective, are m+1 linii, ultima corescpunzand fluxului de excitatie;

J – momentul de inertie total redus la arborele MPP, considerat constant;

B – coeficientul frecarii vascoase, constant ;

Mr – cuplul rezistent redus la arbore;

Me – cuplul electromagnetic dezvoltat de motor;

θm – unghiul mecanic instantaneu al rotorului;

θm = θ (2.3)

zr

θ – unghiul instantaneu al rotorului;

zr – numarul de dinti rotorici;

Pe baza ecuatiilor de tensiune si a cuplului electromagnetic , se poate scrie modelul matematic al MPPH, in coordonate reale, exprimat sub forma ecuatiilor de stare.Modelul propus include patru variabile de stare, doua intrari si cinci parametrii.In acest sens se defineste vectorul de stare x astfel:

xT = [is1,is2 ωm θm]T (2.4)

in care variabilele de stare sunt reprezentate de cei doi curenti din fazele motorului, viteza unghiulara la axul masinii, precum si pozitia unghiulara a acestuia.Obtinem astfel, urmatorul model de comportament dinamic pentru motorul pas cu pas hibrid bifazat:

dis1 = [us1 – R*is1 +km*ωm*sin(zr*θm)]/L (2.5)

dt

dis2 = [us1 – R*is1 +km*ωm*cos(zr*θm)]/L (2.6)

dt

d ωm = [-km*is1*sin(zr* θm)+km*is2*cos(zr* θm)-B* ωm-kd*sin(4zr* θm)] / J – Mr / J (2.7)

dt

d θm = ωm (2.8)

dt

2.2 Principii de comanda si alimentare a MPP

Principial, fazele MPP se alimenteaza cu impulsuri de curent de amplitudine constanta, care se comuta de pe o faza pe alta, in ritmul unui semnal de tact de comanda.Modalitati de alimentarea a fazelor MPP:

comanda potentiala sau prin impulsuri;

comanda monopolara sau bipolara;

comanda simetrica(simpla sau dubla) sau nesimetrica(mixta).

Un circuit concret de alimentare a fazelor unui MPP asigura realizarea simultana a 3- cate una de1,una de tip 2 si una de tip 3 – dintre cele sase modalitati de comanda prezentate mai sus.Comanda potentiala se refera la durata aimentarii unei faze, in raport cu durata intre cele doua tacturi de comnda 1/f, f fiind frecventa de comanda a MPP.Daca durata alimentarii unei faze este cel putin egala cu 1/f, atunci comanda este potentiala.In acest caz , durata aplicarii tensiunii pe o faza variaza invers proportional cu frecventa.Daca durata alimentarii este constanta si intotdeauna mai mica decat 1/f , atunci este vorba de o comanda prin impulsuri.Desi majoritatea schemelor de comutatie a fazelor MPP sunt cu comanda potentiala, s-a consacrat denumirea de comanda prin impulsuri, probabil datorita formei de variatie in timp a tensiunilor de alimentare.Comanda monopolara asigura un singur sens al curentului prin fiecare infasurare a motorului, in tot timpul functionarii.Comanda bipolara determina ca, pe parcursul unui ciclu complet de comenzi aplicate infasurarilor, sensul curentului prin fiecare infasurare sa se schimbe succesiv .

In practica intalnim urmatoarele 5 moduri de alimentare:

secventa simpla (4S)

WAVE DRIVE MODE „”1 phase on”;

secventa dubla(4D)

NORMAL FULL STEP DRIVE „” 2 phase on”;

secventa mixta(8M)

HALF STEP MODE „”1&2 phases on”.

secventa mixta modificata(MODIFIED HALF STEP MODE)

micropasire(MICROSTEPPING)

Din punct de vedere al schemelor electronice de alimentare, in practica distingem:

Alimentarea in tensiune:

-alimentare unipolara cu o singura tensiune;

-alimentare unipolara cu doua tensiuni;

-alimentare bipolara in tensiune.

Alimentarea in curent:

-alimentare unipolara in curent;

-alimentare bipolara in curent.

Circuitele de alimentare a fazelor MPP au in principal doua functiuni majore:

schimbarea sensului curentului si fluxului in infasurare;

controlul curentului in infasurare.

MPP efectueaza un pas cand se schimba sensul curentului, inversandu-se sensul fluxului.Schimbarea mersului curentului poate fi facuta in doua moduri, utilizand comanda bipolara sau comanda unipolara.

„ Indiferent de principiul de funcționare al motorului, comanda acestuia se realizează prin comutarea succesivă a fazelor înfășurarilor. În figura de jos se pot urmării diagramele tensiunilor de alimentare în câteva variante funcționale aplicate unui motor cu patru faze.

În figura 2.25 ,a este reprezentată așa numita comandă simetrică simpla în care alimentarea fazelor este comutată succesiv pe fiecare înfașurare, semnalele de comanda fiind disjuncte. În figura b, sunt alimentate în permanență două înfășurări, sensul de rotație al motorului fiind determinat de ordinea de conectare și deconectare a acestora (comanda simetrică dublă). Această metoda este îmbunatățită în figura c, în sensul că intervalul de timp asociat unei înfășurări este defalcat în trei zone. Prima și ultima corespund alimentării simultane cu faza precedentă și respectiv succesoare iar în a doua este asigurată

numai alimentarea fazei proprii.

Fig. 2.25 a) comanda simetrica simpla in care alimentarea fazelor este comutata succesiv pe fiecare infasurare; b) doua infasurari alimentate in permanenta; c) varianta imbunatatita a variantei b

Comutarea semnalelor pe înfăsurări este realizată cu scheme de comanda specifică. Aceste scheme trebuie să conțină, pe de o parte, logică de comutare a fazelor, iar pe de alta parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe înfăsurările motorului.

În figura 2.26 se pot urmării principalele elemente ce intră în componența acestor scheme.

Fig. 2.26 Elementele principale ce intra in componenta schemelor de comutare a semnalelor pe infasurari

Circuitul distribuitor este format dintr-un numărător în inel, cu numărul stărilor egal cu numărul fazelor motorului, urmat de o logică de decodificare ce permite activarea unei singure ieșiri într-o stare a numaratorului. Pentru axemplificare, în figura 2.27 s-au prezentat două circuite distribuitoare pentru un motor cu patru faze.

Primul distribuitor , din figura ,a realizat dintr-un numărător modulo 4 activat cu un generator de impulsuri cu perioada Tunde tM este timpul de explorare al tuturor fazelor motorului.

Fig. 2.27 Circuite distribuitoare pentru un motor cu 4 faze

Frecvența de tact este, la rotația nominală a motorului, constanta și obținută prin circuite oscilatoare de uz general. Pentru regimurile de accelerare se impune, in scopul eliminării fenomenului de pierdere al pașilor, pornirea generatorului de la frecvențe joase si creșterea gradată a frecvenței până se atinge frecvența de regim dorită. O procedură similară este necesară și la regimurile de decelerare. Această modificare a frecvenței poate fi realizată in diferite moduri: prin circuite specializate analogice sau numerice sau prin sistemul software al unui procesor ce controlează mișcarea. Pentru exemplificare, in figura 2.28 este prezentat un circuit numeric ce realizează controlul frecvenței prin informația numerică transmisa de la procesor. Această mărime numerică , reprezentată prin vectorul Nv, este înscrisă intr-un registru tampon ce este decrementat de un semnal de tact de frecventă ridicată și riguros constantă (Ts) emis de un generator GT1. La atingerea stării de zero a registrului , o poartă logică P1 blochează accesul acestor impulsuri și permite reînscrierea unei noi valori numerice cu o întârziere τ. Ieșirea porții reprezintă totodată semnalul de tact al distribuitorului.

Fig. 2.28 Circuit numeric ce realizează controlul frecvenței prin informația numerică transmisa de la procesor

Frecvența de control a distribuitorului fd se obține , din valoarea numerică aplicată , după o relație de forma :

(2.9)

Această relație este pusă în evidență prin diagrama de semnale din figura de sus,b. Pentru o valoare Nv = 3 înscrisă periodic în registru se obțin impulsurile ud cu perioada Td1. Mărirea valorii numerice , Nv2 determină o creștere proporțională a perioadei la valoarea Td2.

Distribuitoarele de impulsuri discutate generează deci logica de comutare a tensiunii de alimentare pe fiecare fază fără a asigura puterea necesară pentru comutare. Aceasta este obținută de un bloc de comutatoare statice care realizează amplificarea necesară a sistemului.”

Capitolul 3

Comanda MPP cu circuite integrate specializate(Drivere)

Aceste drivere pot fi utilizate de sine stătătoare sau controlate de microcontroler. Sunt proiectate pentru a accepta impulsuri pas cu pas până la 25.000 pe secundă in cadrul celor doua combinatii L298 si L297 si cu performanta mai mare in cazul celor proiectate cu A3977 .Am mentionat aceste doua tipuri pentru ca ,cu acestea m-am gandit sa controlez motoarele .

1 Controlerul L297 este un circuit integrat specializat destinat comenzii unipolare sau bipolare a unui MPP.El poate fi utilizat impreuna cu ”punti H” monolitice, cu arii de tranzistoare Darlington sau alte dispozitive discrete de putere. Utilizarea impreuna cu driverul L298N este cea mai recomandata deoarece in acest mod pot fi exploatate toate facilitatile controlerului L297. 2 A3977 este un driver complet facut pentru controlul prin micropasire a MPP.El este proiectat să funcționeze cu motoare pas cu pas bipolare în totalitate.

Diferenta mai vizibila dintre cele doua din punct de vedere al performantei este ca in primul caz pasirea se poate configura intre 1/1(pas intreg) si 1/2(jumatate de pas) pe cand in cazul 2 se poate seta intre 1/1,1/2, 1/4,si 1/8 prezentand o finete mult mai mare care necesita si o mecanica mult mai fixa si precisa a intregi masinari pentru a da randamentul asteptat.

3.1 Comanda cu L297+L298

3.1.1 Date tehnice L297

Controlerul L297 produs de firma SGS-THOMSON este un circuit integrat specializat destinat comenzii unipolare sau bipoare a unui MPP.Principalele caracteristici sunt:

-comanda unipolara sau bipolara;

-secvente de comanda:simpla(4S pas intreg),dubla(4D-pas intreg),mixta

(8M-semipas);

-reducerea timpului de crestere a curentului in faze prin fortarea de tip ”chopper”;

-posibilitatea stabilirii sensului de rotatie a MPP;

-programarea valorii curentului in fazele MPP;

-posibilitatea intreruperii alimentarii fazelor MPP;

Avantajul utilizarii acestui circuit este ca necesita din exterior pentru comanda numai semnalele de tact, sens(directia de rotire) si mod de lucru(pas intreg sau jumatate de pas).

Deoarece semnalele de comanda ale fazelor motorului sunt generate intern, sarcina microprocesorului si a programatorului este mult usurata.Poate fi utilizat in configuratii cu etaje de putere, in general in circuite monoiotice de comanda in punte H caL298;L293;L6202;L6203 s.a sau tranzistoare discrete(asigura 20 mA in acest scop la iesire). Combinatia L297 + driver confera avantaje ca: sunt necesare foarte putine componente externe(costul de asamblare este mic), fiabilitate ridicata, spatiul mic ocupat, softul utilizat pentru comanda mai simplificat.

Fig. 3.1 L297

Fig. 3.2 Conexiunea pinilor la integratul L297

Fig. 3.3 Diagrama bloc L297

SYNC – iesirea oscilatorului ” chopper” intern.Pentru a sincroniza toate

circuitele L297 din schema pinii Sync se leaga impreuna, iar componentele externe ale oscilatorului se monteaza numai pentru u circuit.Daca se utilizeaza un generator de tact extern, semnalul de tact extern se aplica la acest pin;

GND –pin de masa;

HOME – iesire cu colector in gol care indica starea initiala(ABCD)2 – (0101)2;

A – semnal de comanda a fazei A pentru etajul de putere;

INH1 – semnal de inhibare a fazelor A si B;

B – semnal de comanda a fazei B pentru etajul de putere;

C – semnal de comanda a fazei C pentru etajul de putere;

INH2 – semnal de inhibare a fazelor C si D;

D – semnal de comanda a fazei D pentru etajul de putere;

ENABLE – validare circuit.Cand este „”0” logic INH1,INH2,A,B,C,D sunt fortate in „”0” logic;

CONTROL – intrare care stabileste actiunea ”chopper” – ului.Cand este in ”0” logic se ”choppeaza” INH1,INH2, cand este in ”1” logic se ”choppeaza” pe liniile A,B,C,D;

Vs – pin de alimentare +5V;

SENS2 – intrare pentru sesizarea curentului din fazele C si D de la etajul de putere;

SENS1 – intrare pentru sesizarea curentului din fazele A si B de la etajul de putere ;

Vref – tensiune de referinta pentru circuitul ”chopper”.Tensiune aplicata pe acest terminal determina curentul de varf;

OSC – o retea RC(R la Vcc, V la masa) conectata la acest terminal determina frecventa de ”choppare”. In cazul in care avem mai multe ciruite L297 se utilizeaza terminalul de la un singur circuit, restul se pun la masa.

CW/CCW – selectie sens de rotatie(CW – orar, CCW – antiorar). Sensul fizic de rotatie depinde si de modul de conectare a infasurarilor. Sensul poate fi schimbat si de mers deoarece este sincronizat intern .

CLOCK – semnal de tact. La trecerea acestui semnal din ” 0” logic in ”1” logic (frontul crescator) motorul va avansa un increment;

HALF/FULL – selectie secventa de comanda.Pentru ”1’ logic avem secventa mixta(de semipas); pentru ”0” logic putem avea secventa simpla sau dubla(de pas intreg), depinzand de starea circuitului translator( generatorul de secventa).

Pentru secventa simpla translatorul trebuie sa fie la numar par.

RESET – intrare de resetare, ”0” logic aplicat la aceasta intrare readuce translatorul in starea initiala.

Inima shemei bloc a controlerului L297, este blocul denumit TRANSLATOR, care genereaza trei secvente corespunzatoare de comanda:

secventa simpla (4S)

WAVE DRIVE MODE „”1 phase on”;

secventa dubla(4D)

NORMAL FULL STEP DRIVE „” 2 phase on”;

secventa mixta(8M)

HALF STEP MODE „”1&2 phases on”.

Fig. 3.4 Secventa de comanda dubla

Fig. 3.5 Secventa de comanda mixta

Aceasta secventa corespunde direct cu modul de comanda semipas.Daca modul ”pas intreg” este selectat cand translatorul este in oricare din starile impare, se va selecta o secventa de comanda cu ”pas intreg” cu 2 faze comandate, asa cum se vede.

Fig. 3.6 Secventa de comanda simpla

Daca se selecteaza modul ”pas intreg” cand translatorul este intr-o stare para, se obtine comanda cu ”pas intreg” cu o singura faza comandata, asa cum se prezinta .

Caracteristici electrice:

Caracteristici electrice(continuare)

Tabel 3.7 Caracteristici electrice L297

Date tehnice L298N

L298N este un driver de medie putere,2A/faza) si un numar foarte mic de componete externe formeaza o interfata completa intre microprocesor si motorul pas cu pas.Circuitul L 298N contine doua ”punti H” , fiind capabil sa alimenteze concomitent doua faze ale unui MPP, fiecare fiind controlata de doua intrari logice(compatibile TTL) INPUT (I1,I2,I3,I4) si o intrare logica (compatibila TTL) de validare ENABLE(E1,E2).

Emitoarele tranzistoarelor de puntea interioara a ”puntii H” sunt scoase in exterior(SENSE- Rs1, Rs2) in eventualitatea conectarii unei rezistente traductor de masura a curentului din fazele MPP.

Pintre performantele circuitului L 298N amintim:

Tensiune ridicata de alimentare Va max= 46V;

Curentul total Imax= 4A(2A pe fiecare canal);

Puterea disipata Ptot – 25w(capsula MLTIWATT);

Frecventa de comutatie fmax= 40 kHz;

Intrari compatibile TTL;

Imunitate ridicata la perturbatii(ViL ≤ 1,5V);

Puntea H realizata cu tranzistoare bipolare de putere.

Fig. 3.8 L298N

Fig. 3.9 Diagrama bloc L298N

L297+L298N

Fig. 3.10 L297 in componenta cu L298N

Utilizarea impreuna cu driverul L298N este cea mai recomandata deoarece in acest mod pot fi exploatate toate facilitatile controlerului L297 .

Comanda in regim de micropasire cu A3977

3.2.1Micropasirea

Functionarea clasica a MPP se bazeaza pe alimentarea succesiva cu impulsuri(comanda potentiala) a fazelor sale, astfel incat rotorul ocupa pozitii determinate pe axele fazelor alimentate. In regim de micropasire, alimentarea obisnuita cu impulsuri succesive este inlocuita cu alimentare combinata a doua faze alaturate, in asa fel incat pozitia rotorului sa se poate situa in mai multe puncte dintre axele fazelor respective. In acest fel propriu-zis al MPP este divizat in pasi mai mici (micropasi). Tehnica micropasirii aduce avantajul controlarii miscarii rotorului in interiorul unui pas, astfel incat teoretic, rotorul poate ocupa orice pozitie prescrisa intre doua pozitii de echilibru propriu-zise ale lui. Se spune ca pasul propriu-zis care se va numi de acum pasul mare sau intreg, care este divizat in pasi mai mici sau micropasi conform relatiei:

θ μ= θp/Kd (3.1)

unde:

θ μ – unghiul micropasului;

θp – unghiul pasului intreg;

Kd – factor de divizare.

Se pot alatura urmatoarele calitati ale fuctionarii in regim de micropasire a MPP:

Micropasirea pasului, deci marirea rezolutiei miscarii, cu implicatii extreme de favorabile in tehnica pozitionarii;

O miscare foate lina, cu oscilatii mici, proprietate care rezolva problema calitatii traseului de pozitionare;

O stabilitate a miscarii mult mai buna, datorita eliminarii aproape complete a pericolului rezonatei de comutatie;

Posibilitate reducerii consideratbile a deviatiei MPP, care constituie un factor essential in stabilirea preciziei de pozitonare;

Cuplul maxim si viteza de rotatie in general nu sunt diminuate, fata de cazul functionarii clasice.

Principalul domeniu de aplicatie a tehnicii micropasirii il reprezinta actionarile cu motoare pas cu pas utilizate in pozitionari.Acestea efectueaza de obicei o actionare directa, fara transmisie(mese plotter , imprimante, inregistratoare, axe masini unelte CNC) si au pasul propriu-zis limitat din considerente constructive.Micropasirea permite in acest caz o imbunatatire considerabila a miscarii liniare.Necesitatea obtinerii unei precizii de pozitionare cat mai inalte constituie principalul deziderat al celor mai multe sisteme de pozitionare actionate cu motoare electrice pas cu pas.Forma ideala de unda a curentului prin faza unui motor pas cu pas este cea de tip sinusoidal.Doua sinusuri in “quadratura”( defazate cu 90 de grade) reprezinta formele de unda ideale a curentilor pentru alimentarea fazelor unui motor pas cu pas bipolar in figura 3.11.

In aceasta situatia motorul va functiona , fara zgomot, caz ideal si rotorul va avansa continuu, disparand notiunea de “pas” asociat avansarii rotorului , aparand notiunea de “ micropas”.

Fig. 3.11 Forme de unda ideale ale curentilor pentru alimentarea fazelor unui motor pas cu pas bipolar.

3.2.2 Date tehnice A3977

A3977 este un driver complet facut pentru controlul prin micropasire a MPP. El este proiectat să funcționeze cu motoare pas cu pas bipolare în totalitate.

Fig. 3.22 Schema bloc driver A3977

Cipul A3977 are cateva caracteristici standard:

Curent de varf de iesire de 2,5A sau 1,77 RMS

Comfigurarea pasilor :1/8,1/4,1/2(jumatate pas),si 1/1(pas complet)

Mod de dezintegrare mixte(PFD).Ajuta pentru a minimiza zgomotul motorului si de incalzire

Rectificarea sincronismului pentru a reduce puterea disipata de chip atunci cand nu folosesc diode de iesire.

Oprire automata la supraincalzire si la tensiune mica(subtensiune).

Caracterici maxime

Diagrama bloc

Fig. 3.23 Diagrama bloc driver A3977

Capitolul 4

Interfatarea driverelor la microsisteme, conducerea cu calculatorul

4.1 Conducerea prin portul USB

Pentru a controla aceste drivere care la randul lor comanda motoarele , putem sa ne folosim de microcontrolerul Pic 18F4455.Familia de microcontrolere Pic sunt fabricate de Microchip Technology, si denumirea este o prescurtare a ”Programmable Intelligent Computer”(calculatoare inteligente programabile).

Pic 18 reprezinta o familie de microcontrolere cu instructiunea pe 16 biti, si magistrala interna pe 8 biti, memorie program de tip flash, spatiu de memorie date adresabil liniar, si cu o capacitate de pana la 2 Mbyte. Familia a fost extinsa cu un numar mare de protocoale de comunicatii, CAN, Ethernet, USB, SPI,12C,Irda.

Fig. 4.8 Microcontroler PIC 18

Fig. 4.9 Diagrama bloc Microcontroler PIC 18

Schema electrica pentru placa cu Pic 18f4455

Fig.4.10 Schema electrica pentru placa ci PIC 18

Pentru cablaj imprimat avem schema: Forma finala:

Fig.4.11 Cablaj imprimat schema Fig.4.12 Forma finala placa

Pentru a prezenta legaturile dintre : motor – placa driver – placa microcontroler – Pc ,am facut poza urmatoare: Pc

Fig. 4.13 Legatura intre motor MPP, placa driver si placa microcontroler PC

Pentru testarea motoarelor ,controlul pe acest port se poate face prin programul Mplab in limbaj de asamblare :

Fig. 4.14 Program testare motoare in Mplab

Incarcarea din program in microcontroler se face cu programul din figura 4.15

Fig.4.15 Incarcarea programului in microcontroler

Iar controlul direct prin interfata grafica se poate face cu programul CVI ce foloseste limbajul C ,cu librarii si comenzi speciale care convertesc in limbaj de asamblare.

Capitolul 5

Rezultate experimentale si concluzii

5.1 Construirea placilor de comanda a MPP cu circuite integrate specializate

Pentru contructia placii formate din L297+L298 si a celei formate din A3977 este nevoie de mai multe aparate si materiale.

Aparate necesare folosite de mine :

ciocan de lipit , pentru o mai buna precizie si pentru lipirea cipului A3977 (SMD) trebuie ca varful ciocanului sa fie bine ascutit

aparat de masura

penseta

cuter

patente profesionale

sistem de prindere ,pentru prinderea in timpul lipiri a placi, a firelor sau a altor piese

suflor pt a scoate cositorul lipit gresit de pe placa

masina de gaurit

foen de uscat parul

fier de calcat

Materiale necesare:

placa cu cupru marcat pe o parte

cositor

sacaz

hartie foto , photo paper (pentru imprimarea pe fata a cablajului)

clorura ferica

smirghel fin si dur

cif cream (pentru a degresa placa)

piese specifice schemei

5.1.1 Construirea placii formate din L297+L298N

Fig. 5.2 Schema electrica a placii formate din L297 si L298N

Pentru a realiza cablajul avem nevoie de urmatoarele scheme:

Fig 5.3 Schema placa realizata cu L297 si L298 in Programul Eagle faza 1

Fig. 5.4 Schema placa realizata cu L297 si L298 in Programul Eagle faza 2

Si in final :

Fig. 5.5 Layout-ul placii realizat cu L297 si L298N

Lista cu componente necesare pentru realizarea placii :

C1 3.3nF condensator ceramic

C2 100nF condensator ceramic

C12 470µF condensator polarizat

C21 100nF condensator ceramic

C24 10nF condensator ceramic

D1 BYV27 dioda

D2 BYV27 dioda

D3 BYV27 dioda

D4 BYV27 dioda

D5 BYV27 dioda

D6 BYV27 dioda

D7 BYV27 dioda

D8 BYV27 dioda

D9 BYW29-100 dioda

F1 REPSRXE160 siguranta resetabila

IC2 L297 controller

IC3 L298 driver

J1 5 pini 2.5 mm

J2 4 pini 2.5 mm

JP1 jumperi 3 pini

JP3 jumperi 3 pini

R1 22k rezistenta carbon 1/4 W

R30 1k potentiometru 25 rotati

R40 6k49 rezistenta carbon 1/4 W

R44 4.7k rezistenta carbon 1/4 W

R101 1-1/2W rezistenta metal 1/2 W

R102 1-1/2W rezistenta metal 1/2 W

R103 1-1/2W rezistenta metal 1/2 W

R105 1-1/2W rezistenta metal 1/2 W

R106 1-1/2w rezistenta metal 1/2 W

R107 1-1/2w rezistenta metal 1/2 W

X1 Terminal 5 mm

Dupa lipirea componentelor placa mea arata in felul urmator:

Fig. 5.7 Placa completa realizata cu L297 si L298N

Curentii pe faze a motorului se pot modifica regland tensiunea de referinta (potentiometru multitura) , in acest caz avand o rezistenta de 0.333 ohmi se inmulteste cu 3 la fiecare valoare a Vref(referintei) si astfel echivalentul curentilor pe faze este:

0.666 V -> 2A

0.5V -> 1.5 A

0.333 V-> 1 A

0.25 V -> 0.75 A

5.1.2 Construirea placii formate din A3977

Fig.5.15 Schema electrica pentru placa realizata cu A3977

Fig.5.16 Cablajul care este realizat in programul Eagle

Pentru ca placa sa poata fi pregatita pentru gaurirea acesteia si montarea componentelor aceasta trebuie sa parcurga urmatoarele etape:

se degreseaza placa de cupru pe ambele parti cu crema cif sau cu smirghel

se aseaza placa pe o hartie si se da un strat de spray special pozitiv 20 de la o distanta de 20 cm. Se tine intr-un loc lipsit de lumina circa 10 minute dupa care se intoarce pe partea cealalta si se da si aici cu un strat de spray. Acest spray contine un lac special ce se lipeste bine pe placa.

Dupa ce se tine la intuneric circa 20 minute se da pe ambele parti cu foenul de par setat la caldura maxima in jur de 15 minute.

se scot la imprimanta pe folie transparenta pnp din fiecare cate 3 exemplare

se lipesc cele 3 folii una de alta cele de pe o parte cu lipici sau cu scoci tranparent.Acest procedeu se face pentru ca in final foliile suprapuse sa dea un contrast perfect fara urme negative.

se lipesc ambele parti (fiecare cu cele 3 straturi) doar pe o margine cu banda izolatoare

Intre ele se pune placa

deasupra foliilor se pun doua sticle de 2mm ce preseaza foliile si placa.

Acum se tine sub lumina unui bec circa 20 minute pe fiecare parte

Se scoate placa afara si se baga intr-un vas cu apa si soda caustica (10g la 1L apa)

Se agita vasul pana ce se vede cablajul imprimat pe placa

Se baga in alt vas cu clorura ferica si se agita in jur de 20 minute pana se departeaza cuprul

Fig.5.17 Placa mea dupa demersurile enumerate mai sus

Se spala placa si se da cu acetona

Se dau gaurile cu masina de gaurit cu un burghiu de 0,9 mm

Se topeste putin sacaz dupa care se amesteca cu acetona si se da pe toata placa cu o pensula pentru a se putea lipi mai bine piesele

Tabel. 5.18 Componentele ce urmeaza sa fie lipite pe placa realizata cu A3977

Fig. 5.19 Realizarea placii in diferite stadii de asamblare

Fig.5.20 Placa realizata in varianta finala

Fig5.21 Placa realizata in varianta finala verso

Pentru testarea placilor am folosit am folosit ca element de executie un motor pas cu pas hibrid:

Fig. 5.22 Motor pas cu pas hibrid

5.2Testarea MPP

5.3 Conducerea si interfatarea prin portul USB

Pentru testul turatiei ,a schimbarii directiei de mers cat si a anumitor intreruperi in timpul mersului, am folosit portul paralel impreuna cu microcotrolerul Pic 18F4455 .Iar ca soft am folosit programul Mplab ce foloseste limbajul de asamblare.

Am facut o poza din figura 5.1 pentru a intelege mai bine legaturile dintre MOTOR – DRIVER – CONTROLLER – PC :

Fig.5.23 Legatura motor-driver-controller-PC

Alimentare intre 12 – 36 VDC

D0 D1

Pentru inceput se poate verifica daca fazele motorului sunt legate corespunzator si daca placa functioneaza.Am facut un program in asamblare prin care prin apasarea unui buton(D1) de la placa cu microcontrolerul Pic motorul de deplasaseaza un increment,iar prin tinerea apasata a celuilalt buton(D0) se schimba directia de mers a motorului.

Pentru a verifica daca impulsurile ies corespunzator am atasat o placuta cu leduri ce cuprinde si o afisare pe sapte segmente.

Fig. 5.24 Diagrama de activitate pentru testarea a două butoane

conectate la D0 și D1 și aprinderea a două LED-uri conectate la B2, B3

#include "P18F4455.INC"

BUTTON0 EQU 0

BUTTON1 EQU 1

LED0 EQU 2

LED1 EQU 3

ORG 0X0800

CLRF PORTD

MOVLW 0X03

MOVWF TRISD

MAIN_LOOP:

BTFSS PORTD,BUTTON0

GOTO PRESSED0

NOT_PRESSED0:

BCF PORTD,LED0

GOTO B1

PRESSED0:

BSF PORTD,LED0

B1:

BTFSS PORTD,BUTTON1

GOTO PRESSED1

NOT_PRESSED1:

BCF PORTD,LED1

GOTO MAIN_LOOP

PRESSED1:

BSF PORTD,LED1

GOTO MAIN_LOOP

END

Pentru a testa turatia motorului pe mai multe frecvente am facut programul urmator:

LIST P=18F4455

#include <p18f4455.INC>

ORG 0X0800

V_DELAY EQU 0X00

SEC EQU 0X01

GOTO MAIN_PROGRAM

Delay1Micro:

NOP

RETURN

Delay1Milli:

MOVLW D'217'

MOVWF V_DELAY

MILI:

CALL Delay1Micro

CALL Delay1Micro

CALL Delay1Micro

CALL Delay1Micro

DECFSZ V_DELAY,F

BRA MILI

NOP

NOP

NOP

RETURN

CALL Delay1Milli

Delay_1secunda:

MOVLW D'249'

MOVWF SEC

SECUNDA:

CALL Delay1Milli

DECFSZ SEC,F

BRA SECUNDA

NOP

RETURN

Delay_5milli:

CALL Delay1Milli

CALL Delay1Milli

CALL Delay1Milli

CALL Delay1Milli

CALL Delay1Milli

NOP

RETURN

MAIN_PROGRAM:

CLRF PORTB

BCF TRISB,0

MAIN:

BSF PORTB,0

CALL Delay1Milli

BCF PORTB,0

CALL Delay1Milli

GOTO MAIN

END

In exemplul de sus se poate face o deplasare a unui increment la o secunda, la o milisecunda, 5milisecunde si apelarea am facut-o la 1 milisecunda .

Pt interfata ce urmeaza am facut in asamblare si cod C de asamblare mai multe programe atasez mai jos doar o secventa de deplasare inainte si inapoi a unui singur motor :

//***********************Motor1***********************

//inapoi

if (nrpas==20)

{

if (t<100)

{

// PORTB=0xC0;

PORTB=0xE0;

}

if (t>=101)

{

//PORTB=0x40;

PORTB=0x60;

}

if (t>=200)

{

t=0;

}

}

//inainte

if (nrpas==10)

{

if (t<100)

{

PORTB=0x80;

}

if (t>=101)

{

PORTB=0x00;

}

if (t>=200)

{

t=0;

}

}

Pt un timer de 50 ms avem:

Tiper 5ms =Timer baza 5X10

Timer 50ms

Initializare timer Port B

Receptionare semnal calculator

Prelucrare semnal calc(directie motorn nr.motor)

Temporizare 50 ms tact care merge la motor, sens de rotatie orar sau antiorar

Stop –se opresc toate motoarele

Dupa ce acestea au fost probate interfata am facut-o in programul CVI

Fig.5.25 Soft CVI folosit in controlul motoarelor

Legatura cu USB-ul se face printr-un driver virtual pentru portul serial.

Metoda traditionala de Continuam sa folosim COM

Comunicatie prin RS-232 prin simulare RS-232 peste USB

Fig. 5.26 Legatura Pic CU PORT USB

Solutia adoptata de mine pentru partea mecanica a proiectului este:

Un batiu confectionat din aluminiu cu rigiditate si precizie de asamblare. E un material nu numai usor si rigid dar si un material cu bune proprietati de amortizare a vibratiilor.

Cate un surub conducator pe fiecare axa , solutie de tip portal(axa y e ceea ce se deplaseaza cu z)

Pt a compensa erori de nealiniere a fiecarui surub conducator am adoptat am adoptat solutia de transmisie a miscarii intre motor si surub cu cuplaj elastic de cauciuc

Masa de lucru e confectionata din plexiglas.

Fig.5.27 Reprezentare batiu

Fig. 5.28 Privire in detaliu asupra ansamblului complet

CONCLUZII

Ca si concluzii pot spune ca lucrarea m-i s-a parut una foarte interesanta insa in acelasi timp si una dificil de realizat. Avand in vedere ca este primul proiect de o asemenea complexitate realizat de mine in realizarea practica a acestuia am intalnit anumite probleme de ordin tehnic cat si teoretic care insa pana la terminarea acestuia am reusit sa le rezolv. Pe parcursul lucrarii pot spune ca am dobandit cunostinte noi in domenii care nu aveam foarte multe cunostinte si anume in partea de programare cat si in partea de realizare practica a unor scheme.

BIBLIOGRAFIE

BIBLIOGRAFIE