Elementul principal la un mare număr de aparate moderne, care servesc în scopurile navigației este giroscopul. [311241]

Cuprins

Bibliografie 324

Introducere

În prima parte a [anonimizat] a [anonimizat], realizarea, modul de folosire și o analiză comparativă din punct de vedere tehnologic cu produse similare aflate pe piață.

Am ales să realizez acest proiect atât pentru a [anonimizat] a pune în practică cunoștințele dobândite în etapele formării profesionale și a [anonimizat]. De asemenea prototipul se pretează ca punct de pornire în realizarea de sisteme de reglare automată prin adăugarea unui algoritm de reglare și un modul de generare a semnalului de comandă în vederea obținerii de soluții comerciale dedicate diverselor activități de producție.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Sistemele integrate de achiziții de date sunt ansamble ce au rolul de a măsura proprietăți și fenomene fizice și de adaptare a măsurătorilor în vederea procesării semnalelor de comandă și/sau înregistrarea valorilor. Datorită performanțelor și confortului în majoritatea cazurilor se preferă folosirea de dispozitive electronice în realizarea acestora.

Domeniile de aplicabilitate sunt practic nelimitate fiind evidente avantajele folosirii sistemelor de reglare automată și a sistemelor de monitorizare a proceselor de producție.

[anonimizat] a [anonimizat]-ului aflat la versiunea 1.1 și aplicația software de monitorizare și înregistrare a datelor aflată de asemenea la versiunea 1.1 a căror funcționalități implementate pot fi inspectate în paginile acestei lucrări.

[anonimizat].

Se numește giroscop corpul simetric care se rotește cu o viteză

mare în jurul axei sale de simetri și este suspendat astfel încât această axă poate ocupa orice poziție în spațiu.

Termenul de giroscop provine de la cuvintele grecești: „ghiuris”, care înseamnă rotație și „scopein” care înseamnă a urmări.

[anonimizat], un volan greu a cărui masă este distribuită uniform în raport cu axa de simetrie și care se rotește cu o viteză de 6000 – 30000rot/min.

Axa în jurul căreia se rotește giroscopul se numește axa propire de rotație sau axa principală. Această axă este perpendiculară pa planul giroscopului și trece prin centrul lui de greutate.

Pentru ca axa principală să poată lua o [anonimizat]-o suspensie cardanică (fig.1).

Definirea poziției giroscopului se face în raport cu 3 axe de coordonate rectangulare (perpendiculare una pe alta: X-X, Z-Z și Y-Y), care se aleg în așa fel încât punctul lor de intersecție să coincidă cu centrul acestuia (0).

Axa X-X se consideră direcția de orientare a axei de rotație a giroscopului. Pe ea se află 2 lagăre ale inelului cardanic interior (2), în care se montează capetele axului giroscopului.

La rândul său inelul cardanic interior are 2 suporți care se montează în 2 lagăre dispuse pe inelul cardanic exterior (3). În acest fel inelul cardanic interior se poate roti în jurul axei Y-Y.

Inelul cardanic exterior are și el 2 suporți care se montează în 2 lagăre ale unui cadru vertical, având deci posibilitatea de rotire în jurul axei Z-Z.

Giroscopul din fig.1 denumit „giroscop de laborator”, posedă 3 grade de libertate, adică 3 coordonate independente care determină poziția lui în spațiu.

Prin numărul de grade de libertate se înțelege în mecanică numărul de mărimi independente care detrmină poziția corpurilor. În cazul giroscopului, asemenea mărimi sunt unghiurile de rotație ale axului său în raport cu direcțiile celor 3 axe de coordonate: X-X, Z-Z, Y-Y. Dacă va fi exclusă posibilitatea de rotire a axului giroscopului în jurul unei din axele Y-Y sau Z-Z, atunci giroscopul va avea 2 grade de libertate, deoarece poziția lui se va determina prin 2 unghiuri de rotire în jurul a numai 2 axe.

Dacă se exclude posibilitatea rotirii în jurul axelor Y-Y și Z-Z atunci giroscopul va avea un singur grad de libertate și va deveni un corp care se va roti în jurul axei principale X-X.

Giroscopul cu 3 grade de libertate asupra căruia nu acționează nici un fel de moment ale forțelor exterioare, se numește, în mod convențional, giroscop liber.

Pentru ca giroscopul să fie liber este necesar ca el să aibă un punct de suspensie care să coincidă cu centrul său de greutate. În acest caz, momentul forțelor de gravitație va fi egal cu 0 pentru orice inerție a axelor.

Punctul de suspensie sau centrul giroscopului este chiar punctulde intersecție a celor 3 axe de coordonate.

În jurul acestui punct se execută:

mișcarea de rotație a giroscopului în jurul axei principale, sau în jurul axei X-X,

mișcarea axei principale în plan vertical în jurul axei Y-Y;

mișcarea axei principale în plan orizontal în jurul axei Z-Z.

Proprietățile giroscopului liber

Giroscopul liber, pus în funcțiune, are 2 proporietăți esențiale și anume: inerția și precesia.

Inerția giroscopului liber

Dacă giroscopulului i se va imprima o mișcare de rotație cu o viteză mare, se va observa că axul lui principal capătă „stabilitate”, adică își va menține direcția principală în raport cu spațiul interstelar. În această situație, în timpul rotirii suportul cu suspensia cardanică într-o anumită direcție, axul principal își menține direcția principală, iar dacă se aplică o forță de deviere a axului principal de la această direcție inițială se observă că giroscopul va opune o rezistență însemnată.

Tendință giroscopului de ași păstra în mod constant poziția lui inițială în spațiu este rezultatul acțiunii legii momentelor cantității de mișcare.

Prin definiție, în cazul giroscopului liber, momentul M al forțelor exterioare, inclusiv momentul produs de forța de gravitație, trebuie să fie egală cu 0.

În această situație relația care exprimă legea momentelor cantității de mișcare se notează astfel:

dH = M = U = 0

adică viteza extremității vectorului momentului cinetic este egală cu 0, deci H nu se modifică, rămânând constant ca mărime și direcție.

Acest fenomen reprezintă prima proprietate a giroscopului cunoscut sub numele de inerția giroscopului.

De reținut că această direcție invariabilă a axului giroscopului se menține față de stele și nu față de pământ, a cărui forță de rotație nu produce nici un moment al forțelor exterioare și deci nu influențează cu nimic direcția axului.

Precesia giroscopului

La un giroscop cu 3 grade de libertate se constată că, dacă este supus acțiunii mai multor momente deviatoare, fiecare dintre ele provoacă o mișcare de deplasare a axei asupra căreia se exercită într-o direcție perpendiculară pe direcția forței care acționează asupra unui din capetele axei.

Mișcarea giroscopului datorită acțiunii momentului forței deviatoare exterioare, care se transmite în direcție perpendiculară pe direcția în care acționează forța se numește mișcarea de precesie sau precesia giroscopului.

Pentru înțelegerea mișcării de precesie a giroscopului cu 3 grade de libertate, al cărui rotor are o viteză unghiulară în jurul axei X-X și un moment de rotație Mr, se presupune că în punctul A al inelului cardanic interior se exercită o forță exterioară F, al cărui moment deviator Md = F.R., tinde să rotească axa principală X-X a giroscopului în jurul axei Y-Y cu o viteză unghiulară ωy. Sub acțiunea momentului deviator Md și a momentului de rotație Mr se produce mișcarea de precesie a giroscopului, adică rotirea inelului cardanic exterior în jurul axei Z-Z, cu viteza unghiulară ω. Deci, apare un cuplu care provoacă această mișcare de precesie și a cărui moment se numește momentul giroscopic (Mg).

Sensul mișcării de precesie (adică al vectorilor ω și Mg) se determină, știind că giroscopul tinde să-și rotească axa sa principală în direcția mișcării unghiului dintre vectorul momentului de rotație Mr și vectorul momentului deviator Md.

Transformarea giroscopului liber in girocompas

Referitor la proprietatea pe care o are giroscopul liber de a-și menține neschimbată în spațiu direcția axei principale, s-a arătat că, în timpul ișcării diurne a pământului, axa principală a giroscopului situat la o latitudine oarecare, execută o mișcare aparentă de rotire în jurul verticalei locului și de înclinare față de orizont. Aceste mișcări au loc ca urmare a rotirii simultane a planului orizontului în jurul meridianului și a planului meridianului în jurul verticalei locului.

Pentru determinarea vitezelor unghiulare de rotație în spațiu a planului orizontului și a planului meridianului într-un punct oarecare, se descompune vectorul vitezei unghiulare a Pământului (ωp) în două componente orientate astfel: una pe direcția meridianului (ω0) și a doua pe direcția verticalei locului (ωv) figura 3.

Considerând latitudinea geografică a locului ϕ, rezultă relațiile:

ωv = ωp cosϕ;

ω0 = ωp sinϕ.

Mărimea ω0 se numește componenta orizontală a rotației terestre și caracterizează viteza unghiulară cu care planul orizontului se rotește în jurul meridianului, iar mărimea ωv se numește componenta verticală a rotației terestre și caracterizează viteza unghiulară cu care planul meridianului se rotește în jurul verticalei locului.

Viteza unghiulară de rotație a planului meridianului este egală cu zero la ecuator și este maximă la poli, iar viteza unghiulară de rotație a planului orizontului este maximă la ecuator și egală cu zero la poli.

Cunoscând aceste componente ale rotației Pământului se pot determina cu ușurință vitezele unghiulare de rotație aparentă axului giroscopului.

Componentele mișcării aparente a axului giroscopului, la aceeași latitudine ϕ, sunt egale ca valoare cu ω0 și ωv însă de sensuri contrare.

Giroscopul poate fi utilizat deci ca girocompas (să se orienteze în meridian) numai dacă se vor compensa deplasările aparente ale axului său, datorită mișcării diurne a Pământului.

Pentru compensarea acestor deplasări se folosește proprietatea de precesie a giroscopului.

În scopul menținerii axului principal al giroscopului în meridian, sau pe o direcție constantă față de aceasta, se aplică giroscopului o forță verticală care dă naștere la o precesie orizontală cu viteza unghiulară:

ωv = ωp sinφ

Precesia orizontală a axului principal al giroscopului se realizează prin coborârea centrului de greutate al giroscopului.

Se consideră giroscopul la ecuator și în momentul inițial axul său principal este orizontal și orientat pe direcția est – vest.

Se observă din fig.4 că centrul de greutate al giroscopului e coborât față de centrul de suspensie prin adăugarea unei greutăți pe partea inferioară a carcasei (porțiunea hașurată). În poziția I vectorul greutății G este orientat pe direcția verticalei locului. Întru-cât distanța dintre centrul de suspensie și punctul de aplicare al forței G este egală cu 0, asupra

axului principal al giroscopului nu va acționa nici un moment de precesie suplimentară.

După un interval de timp, Pământul s-a rotit cu unghiul θ și giroscopul se află în poziția II.

Potrivit proprietății de inerție a giroscopului axa sa principală rămâne neschimbată în spațiu, deci axa Z-Z este înclinată cu un unghi θ față de verticala locului.

În această nouă situație forța greutății G care se menține orientată spre ventrul Pământului nu mai coincide cu axa principală Z-Z, care nu trece prin centrul giroscopului.

Ca urmare, apare un moment de precesie care va tinde să rotească axa principală X-X în jurul axei verticale Z-Z și să o aducă în meridian.

Mărimea momentului de precesie, deci viteza de orientare în meridian, depinde de mărimea greutății suplimentare și de unghiul de înclinare a axei principale de giroscopului.

Din figura 4 rezultă că brațul forței produsă de greutatea suplimentară este egală cu a sin θ, unde: a este distanța dintre centrul de suspensie și centrul de greutate al sistemului, iar θ este unghiul de înclinare a axului giroscopului.

Momentul de precesie a axului principal al giroscopului, creat în urma adăugării greutății suplimentare G, sau momentul de pendul este egal cu:

Mp = mgsinθ

m = masa greutății G, iar g este accelerația gravitației terestre.

Ca urmare a acțiunii momentului de pendul (Mp), axul principal al giroscopul se va roti în jurul axei verticale Z-Z cu viteza unghiulară de precesie.

ω = mgasinθ/j

Sensul acestei mișcări de precesie se determină după regula polilor: polul giroscopului se deplasează pe calea cea mai scurtă spre polul forței care a produs precesia.

În figura 4 polul giroscopului Pg este vârful momentului cinetic H și este orientat spre est, iar polul forței este situat pe axa orizontală Y-Y, spre nord. Prin urmare, având o precesie sub acțiunea momentului de pendul, polul giroscopului se va deplasa spre partea nordică a meridianului.

Elemente componente ale unui giroscop cu accelerometru integrat

Traductoare de poziție și deplasare unghiulara si liniara

transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variație a unui parametru al unui element pasiv de circuit electric (rezistență electrică, capacitate electrică, inductanță magnetică)

cele mai simple traductoare de deplasare sunt :

rezistive – transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variație a rezistenței unui reostat sau a unui potențiometru

capacitive – transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variație a capacității electrice a unui condensator

inductive – transformă o deplasare liniară sau unghiulară într-o variație a inductanței unui circuit magnetic

variațiile parametrilor de circuit sunt măsurate prin determinarea curentului absorbit sau a tensiunii electrice corespunzătoare

Traductoare rezistive de deplasare

Pot fi de deplasare liniară și de deplasare unghiulară

Deplasare liniară (a)

Funcționare: Subansamblul mobil a cărui deplasare liniară se măsoară, este conectat solidar cu cursorul ce alunecă pe înfășurarea rezistivă, astfel că variația rezistenței electrice este măsurată prin căderea de tensiune între capătul fix de rezistență zero și cursor:

Figura 2,1 Figura 2,2

Deplasare unghiulară (b)

Funcționare: Pentru deplasări unghiulare se utilizează un potențiometru de formă circulară, obținut prin bobinarea unui fir rezistiv pe un suport izolant circular, fir rezistiv peste care alunecă un cursor, astfel că, rezistența la ieșirea potențiometrului și tensiunea de ieșire, când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul de rotație α .

Traductoare inductive de deplasare

Clasificare:

traductoare inductive cu întrefier variabil (cu armătură mobilă – utilizate în cazul deplasărilor liniare mici (sub 2 mm )

traductoare inductive diferențiale cu întrefier variabil – în cazul unor deplasări între 2 mm și 4 mm

traductoare inductive diferențiale cu miez magnetic mobil – pentru deplasări de ordinul centimetrilor

Funcționare: Componentele mobile ale traductoarelor inductive (armătura mobilă, respectiv miezul magnetic mobil) sunt solidare cu subansamblul a cărui deplasare trebuie determinată, astfel că, prin modificarea distanței x dintre armătura mobilă și armătura fixă, respectiv deplasarea miezului magnetic mobil în bobina cilindrică, se modifică practic inductanța bobinei deci curentul absorbit de solenoid, respectiv de bobina cilindrică. Astfel, curentul indicat de ampermetru este direct proporțional cu deplasarea.

Traductor inductiv cu armătură mobilă Traductor inductiv cu

(pentru deplasări mici, de ordinul miez mobil

zecimilor de milimetru) (pentru deplasări mari)

Figura 2,3 Figura 2,4

Pentru reducerea perturbațiilor de natură electromagnetică, întreg ansamblul se ecranează.

Traductoare capacitive de deplasare

Se deosebesc trei categorii de traductoare capacitive de deplasare după relația capacității electrice a unui condensator.

Prin deplasarea dielectricului sau a unei armături (solidare cu dispozitivul a cărui deplasare se măsoară) se produce variația unuia din cei trei parametri (ε, S, d), variație ce duce la modificarea capacității condensatorului, mai ușor măsurabilă.

Sensibilitatea traductoarelor e dată de relația:

Toate traductoarele capacitive funcționează în curent alternativ, la o frecvență de cel puțin 1 kHz.

Se utilizează frecvent pentru măsurări de deplasări rapide (metoda compensării) sau prin montarea în punte a două traductoare identice, unde numai unul dintre traductoare este acționat de mărimea neelectrică măsurată sau controlată.

Armăturile se confecționează dintr-un material special numit invar, pentru înlăturarea erorilor datorate variațiilor de temperatură.

Servomotoare

În literatura sub denumirea de servomotoare se cuprind motoarele electrice executate special pentru a fi utilizate în sistemele automate de poziționare și care în general sunt de puteri reduse (până la puteri de ordinul câtorva [kW]).

Pentru puteri mai mari se folosesc motoarele electrice convenționale, care sunt elemente de execuție mai lente, cu constante de timp mai mari dar și cu randament mai bun.

Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau curent alternativ cu viteză de rotație reglabilă într-o gamă largă în ambele sensuri având ca scop deplasarea într-un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcina) de-a lungul unei traiectorii date, realizând totodată și poziționarea acestuia la sfârșitul cursei cu o anumită precizie.

Sistemele de reglare automată moderne impun servomotoarelor următoarele performanțe:

gamă largă de modificare a vitezei în ambele sensuri;

funcționare stabilă la viteză foarte mică;

constante de timp cât mai reduse;

fiabilitate și robustețe ridicate;

raport cuplu/moment de inerție cât mai mare;

suprasarcină dinamică admisibilă mare;

caracteristici de reglare liniare.

Servomotoarele electrice se folosesc în cele mai diverse aplicații cum ar fi acționarea roboților industriali universali, a mașinilor unelte cu comandă numerică, a perifericelor de calculator, în acționarea imprimantelor rapide, în tehnica aerospațială, instalații medicale etc.

În aplicațiile enumerate, cuplul dezvoltat de servomotoare variază într-o plajă largă de valori, 0,1 ÷ 100 [Nm], cu puteri nominale ce variază în intervalul 100 [W] și 20 [kW].

Conform principiului lor de funcționare, servomotoarele electrice pot fi clasificate în: servomotoare de curent continuu, servomotoare asincrone și servomotoare sincrone, în această ultimă categorie fiind incluse atât servomotoarele de curent continuu fără perii cât și servomotoarele pas cu pas. Servomotoarele de curent continuu se caracterizează prin posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi, 1:10.000 și chiar mai mult, prin intermediul unei părți de comandă electronică relativ simplă.

Servomotoarele de curent continuu au caracteristici mecanice și de reglaj practic liniare, cuplu de supraîncărcare mare, greutate specifică mică, moment de inerție redus etc. Dezavantajele sunt legate de colector, fenomene de comutație, uzură și scânteiere.

Servomotoarele asincrone, în prezent răspândite în tot mai mare măsură, elimină dezavantajele servomotoarelor de curent continuu legate de sistemul colector-perii, fiind de asemenea atractive prin robustețea, simplitatea și prețul lor. Există însă și o serie de dezavantaje legate de randament, factor de putere, greutate și nu în ultimul rând procedee de comandă mai complicate decât cele ale servomotorului de curent continuu.

Față de motoarele asincrone trifazate uzuale, de care nu se deosebesc constructiv, la servomotoarele de același tip se remarcă:

un raport mai mare lungime/diametru relativ la rotor, ce are însă ca dezavantaj un transfer mai dificil al pierderilor de căldură din rotor;

consolidarea izolației statorice pentru a rezista deselor procese tranzitorii și luarea în considerație a încălzirii rotorului.

În servosistemele care necesită turații variabile, servomotoarele asincrone se asociază cu convertoare statice, obținându-se domenii largi de variație a turației, de peste 1: 20.000, la puteri mai mici de 1 [kW]. De altfel, în aplicații speciale la puteri mici s-au obținut turații de peste

[rot/min].

Ca o particularitate, trebuie amintit însă faptul că atunci când alimentează servomotoare asincrone, motoare de inducție în general, convertoarele statice trebuie dimensionate pentru o putere aparentă mai mare decât în situația alimentării servomotoarelor sincrone, la aceeași putere nominală și turație la arbore.

Principala caracteristică a servomotoarelor sincrone este dată de faptul că frecvența tensiunii de alimentare se află în raport constant cu viteza lor de rotație, indiferent de gradul de încărcare al mașinii. Ca urmare a acestei proprietăți, utilizarea servomotoarelor sincrone este indicată în sisteme automate de poziționare la care viteza de rotație a mașinii se dorește a fi menținută riguros constantă sau direct proporțională cu frecvența de comandă.

Categoria servomotoarelor sincrone cuprinde toate tipurile mașinilor sincrone asociate cu convertoare statice. Clasificarea acestora se poate face după diverse criterii, dintre care se amintesc:

după principiul de conversie al energiei:

servomotoare sincrone cu magneți permanenți;

mașini sincrone cu reluctanță variabilă;

mașini sincrone cu histerezis.

după felul alimentării:

servomotoare cu alimentare continuă;

servomotoare cu alimentare discontinuă (motoarele pas cu pas).

după tipul comenzii:

servomotoare cu comandă din exterior;

servomotoare autopilotate.

Servomotoarele sincrone se construiesc într-o gamă foarte largă de puteri, de la zecimi de watt până la zeci de kilowatti și într-o plajă largă de turație, de la 1 [rot/lună] până la 300.000 [rot/min] .

Aceste servomotoare prezintă câteva avantaje față de motoarele sincrone clasice, cum ar fi:

absența contactelor alunecătoare (perii – inele), ceea ce mărește viteza de funcționare, reduce frecarea, nivelul de zgomot și uzura, îmbunătățind fiabilitatea;

întreținere ușoară și posibilitatea funcționării în medii explozive.

Servomotoare de curent continuu

Elemente constructive ale servomotoarelor de c.c.

După tipul rotorului se deosebesc servomotoare cu:

rotor cilindric;

rotor disc (cu întrefier axial);

rotor pahar.

Soluția constructivă este afectată decisiv și de sistemul de excitație

care poate fi:

excitație electromagnetică;

excitație cu magneți permanenți;

excitație hibridă.

Servomotorul cu rotor cilindric este cel mai apropiat de construcția mașinilor de c.c. clasice. În tabelul 1 se prezintă seria de servomotoare cu rotor cilindric și excitație prin magneți permanenți fabricată de ”Electromotor” Timișoara.

Din examinarea caracteristicilor de catalog se observă că nu este importantă puterea nominală (nici nu se dă) ci cuplul și turația (maxime și nominale) ținând cont de regimul de funcționare specific.

În ultimul timp s-a generalizat excitația cu magneți permanenți până la puteri foarte mari (sute de kW), deosebirile constructive fiind impuse de materialul magnetic utilizat.

Astfel, magneții de tip ALNICO caracterizați de inducție remanentă mare și câmp coercitiv redus determină o soluție constructivă ca în figura 1.

Fig. 2.5. Structura unui servomotor cu magneți ALNICO.

Polii se realizează direct din materialul magnetic, iar pentru

reducerea efectului demagnetizat al reacției indusului se prevăd tălpi polare

din oțel electrotehnic.

Datorită câmpului coercitiv redus, magneții au lungimi mari și magnetizarea se face în interiorul mașinii cu ajutorul unor bobine speciale plasate în jurul magneților permanenți.

Carcasa din material feromagnetic servește la închiderea liniilor câmpului de excitație, magneții permanenți fiind lipiți cu rășini epoxidice.

Tabelul 2.1. Caracteristici pentru servomotoare cu rotor cilindric.

Pentru materialele magnetice ALNICO cu inducții magnetice mai scăzute dar câmpuri coercitive și energii mai ridicate (TYCONAL) magneții se plasează pe coardă ca în figura 2.

Liniile de câmp nu se mai închid prin carcasă, care poate fi din aluminiu și inducția poate fi mai mare în întrefier.

În ambele variante prezentate numărul de poli este limitat din considerente fizice la 4 – 8 poli, fiind mai scăzut la mașinile mai mici.

Feritele, care au inducții remanente reduse și câmp coercitiv mare, impun o lungime mai mică pentru magneți și deci mașina poate avea un număr mai mare de poli 10 –12, v. figura 3.

Utilizarea magneților permanenți cu metale rare cu energii magnetice ridicate și inducții remanente de 1 [T] și chiar mai mari, de tip Samarium – Cobalt, Neodym etc. conduce la un volum scăzut al magneților și deci dimensiuni reduse ale mașinii. Datorită prețului mare al acestor magneți foarte performanți se construiesc doar servomotoare de putere mică, pentru aplicații aerospațiale.

În privința rotoarelor cilindrice acestea se execută la un raport între diametru și lungime cu valori 0,3, iar înfășurările sunt executate pentru a suporta un timp limitat curenți de 5 – 10 ori curentul nominal.

Constantele de timp electrice pentru aceste servomotoare sunt în general sub 10 [ms] dar mai mari decât la celelalte servomotoare de c.c.

Servomotorul cu rotor disc are structura arătată în figura 4., magneții permanenți fiind plasați axial. Rotorul propriu zis este alcătuit din conductoare lamelare imprimate sau ștanțate, pe un suport de sticlo – textolit. Jumătate din conductoarele rotorice au în prelungirea lor lamelele de colector, colectorul fiind plan.

Fig. 2.8. Structura unui servomotor cu rotor disc: a. secțiune; b. conductoarele rotorice.

Înfășurarea rotorică este ondulată de tip serie sau serie-paralel. La puteri mai mari se pot pune pe același ax până la trei discuri.

Deoarece rotorul nu conține materiale feromagnetice, este mult mai ușor decât un rotor cilindric și în plus neliniaritățile, pierderile prin histereză, saturația sunt înlăturate. Conductoarele fiind în aer densitatea de curent poate fi crescută mult, cca. 45 [A/mm2] în regim continuu și 100 [A/mm2] în regim de scurtă durată față respectiv 5 [A/mm2] și 15 [A/mm2] la rotor cilindric în aceleași condiții.

Constanta de timp electrică este < 0,1 [ms] pentru acest tip de rotor, iar cea electromecanică este de același ordin de mărime ca și la servomotoarele cu rotor cilindric datorită razei mari a rotorului disc.

Stabilizator giroscopic pe o axa

Elementele componente ale proiectului:

Proiectul are in componența urmatoarele elemente:

Modului Arduino cu bootloader de UNO

Accelerometru cu giroscop integrat

Servomotor

Modul Arduino

Reduino Core este o placa tip Arduino cu un excelent raport cost / performanta . Este perfect similara cu Arduino UNO (are exact acelasi procesor ca si Arduino UNO – Atmega328 – in format SMD), are dimensiuni mult mai mici, este usor de programat si ofera aproape aceleasi facilitati pe care le ofera placa Arduino (singura diferenta este la tensiunea de alimentare fixa de 5V – vs. 7-12 V la Arduino UNO).

Accelerometru cu giroscop MPU6050

Elementele interne ale acestui senzor sunt urmatoarele:

Output I2C, matrice de rotatie, unghiurile Euler

Tensiunea de alimentare : 5V

Tri-Axis Gyro . Sensibilitate  131 LSBs/dps . Scala ±250, ±500, ±1000, and ±2000dps

Tri-Axis accelerometru . Scala of ±2g, ±4g, ±8g and ±16g

Engine Digital Motion Processing™ (DMP™) pentru detectarea gesturilor

Autocalibrare

Senzor de temperatura

Servomotor

Cursa acestui servo este de 180 de grade, conform datasheet-ului; din teste insa, orice servomotor din gama hobby (pret < 100 Euro) NU isi atinge limitele de 0 si 180 grade; functioneaza perfect intre 5-10 grade si 165 – 170 grade; fortarea dincolo de aceste limite duce la defectarea lui.

Tensiune de alimentare: 4.8V~6.0V

Viteza: 0.10sec/60 degree

Cuplu: 1.4kg/cm

Dimensiuni : 22.8 x 11.8 x 20.6mm

Greutate: 9g

Programarea modulului de control

Cel mai simplu mod de a programa placa Reduino Core este de a utiliza o placa Arduino UNO pe post de programator. Tot ce e de facut este sa urci pe placa Arduino UNO codul "ArduinoISP" (se gasesti in mediul Arduino, File -> Examples), si sa se conecteze Reduino Core in placa Arduino UNO V3

Codul de programare in limbajul C

#include "I2Cdev.h"

#include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h"

#include <Servo.h>

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

#include "Wire.h"

#endif

MPU6050 mpu;

#define OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL

#define LED_PIN 13 // (Arduino is 13, Teensy is 11, Teensy++ is 6)

bool blinkState = false;

Servo myservo;

int pos;

// Valori de control/status al MPU

bool dmpReady = false; // Valoare pentru status initializare MPU

uint8_t mpuIntStatus; // Valoarea byte de intrerupere al MPU

uint8_t devStatus; // Returneaza statusul fiecarei operatii executate(0 = succes, !0 = eroare)

uint16_t packetSize; // Pachet extins al DMP (digital motion procesing)

uint16_t fifoCount; // Numarul de bytes aflati in FIFO

uint8_t fifoBuffer[64]; // Buffer-ul FIFO

// Valorile vectorilor de miscare/orientare

Quaternion q; // [w, x, y, z]

VectorInt16 aa; // [x, y, z] Masuratorile accelerometrului

VectorInt16 aaReal; // [x, y, z] masuratorile accelerometrului fara gravitatie

VectorInt16 aaWorld; // [x, y, z] Frame world al accelerometrului

VectorFloat gravity; // [x, y, z] vectorul gravitatiei

float euler[3]; // [psi, theta, phi] Vectorul unghiului Euler

float ypr[3]; // [yaw, pitch, roll] yaw/pitch/roll vectorul container si gravitatie

// packet structure for InvenSense teapot demo

uint8_t teapotPacket[14] = { '$', 0x02, 0,0, 0,0, 0,0, 0,0, 0x00, 0x00, '\r', '\n' };

// ================================================================

// === Rutina de detectie a intreruperilor ===

// ================================================================

volatile bool mpuInterrupt = false; // Valoare care indica starea pinului de intrerupere a MPU

void dmpDataReady() {

mpuInterrupt = true;}

// ================================================================

// === SETUP Initial ===

// ================================================================

void setup() {

#if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE

Wire.begin();

TWBR = 24; // 400kHz I2C clock (200kHz daca CPU are 8MHz)

#elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE

Fastwire::setup(400, true);

#endif

// Porneste comunicarea seriala la 115200

Serial.begin(115200);

while (!Serial); // wait for Leonardo enumeration, others continue immediately

// Initializare MPU

Serial.println(F("Initializing I2C devices…"));

mpu.initialize();

// Verifica conexiunea

Serial.println(F("Testing device connections…"));

Serial.println(mpu.testConnection() ? F("MPU6050 connection successful") : F("MPU6050 connection failed"));

// Asteapta pana dispozitivul este pregatit

Serial.println(F("\nSend any character to begin DMP programming and demo: "));

while (Serial.available() && Serial.read()); // Goleste Buffer

while (!Serial.available()); // Asteapta date noi

while (Serial.available() && Serial.read()); // Goleste buffer din nou

// Incarca datele si configureaza DMP (Digital Motion Procesing)

Serial.println(F("Initializing DMP…"));

devStatus = mpu.dmpInitialize();

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// supply your own gyro offsets here, scaled for min sensitivity

mpu.setXGyroOffset(220);

mpu.setYGyroOffset(76);

mpu.setZGyroOffset(-85);

mpu.setZAccelOffset(1788); // 1688 factory default for my test chip

// make sure it worked (returns 0 if so)

if (devStatus == 0) {

// turn on the DMP, now that it's ready

Serial.println(F("Enabling DMP…"));

mpu.setDMPEnabled(true);

// enable Arduino interrupt detection

Serial.println(F("Enabling interrupt detection (Arduino external interrupt 0)…"));

attachInterrupt(0, dmpDataReady, RISING);

mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();

// set our DMP Ready flag so the main loop() function knows it's okay to use it

Serial.println(F("DMP ready! Waiting for first interrupt…"));

dmpReady = true;

// get expected DMP packet size for later comparison

packetSize = mpu.dmpGetFIFOPacketSize();

} else {

// ERROR!

// 1 = initial memory load failed

// 2 = DMP configuration updates failed

// (if it's going to break, usually the code will be 1)

Serial.print(F("DMP Initialization failed (code "));

Serial.print(devStatus);

Serial.println(F(")"));

}

// configure LED for output

pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

}

// ================================================================

// === MAIN PROGRAM LOOP ===

// ================================================================

void loop() {

// if programming failed, don't try to do anything

if (!dmpReady) return;

// wait for MPU interrupt or extra packet(s) available

while (!mpuInterrupt && fifoCount < packetSize) {

// .

}

// reset interrupt flag and get INT_STATUS byte

mpuInterrupt = false;

mpuIntStatus = mpu.getIntStatus();

// get current FIFO count

fifoCount = mpu.getFIFOCount();

// check for overflow (this should never happen unless our code is too inefficient)

if ((mpuIntStatus & 0x10) || fifoCount == 1024) {

// reset so we can continue cleanly

mpu.resetFIFO();

Serial.println(F("FIFO overflow!"));

// otherwise, check for DMP data ready interrupt (this should happen frequently)

} else if (mpuIntStatus & 0x02) {

// wait for correct available data length, should be a VERY short wait

while (fifoCount < packetSize) fifoCount = mpu.getFIFOCount();

// read a packet from FIFO

mpu.getFIFOBytes(fifoBuffer, packetSize);

// track FIFO count here in case there is > 1 packet available

// (this lets us immediately read more without waiting for an interrupt)

fifoCount -= packetSize;

#ifdef OUTPUT_READABLE_YAWPITCHROLL

// display Euler angles in degrees

mpu.dmpGetQuaternion(&q, fifoBuffer);

mpu.dmpGetGravity(&gravity, &q);

mpu.dmpGetYawPitchRoll(ypr, &q, &gravity);

// Serial.print("ypr\t");

// Serial.print(ypr[0] * 180/M_PI);

Serial.print("\t");

Serial.print(ypr[1] * 180/M_PI);

pos = ypr[1] * 180/M_PI;

myservo.write(pos);

// Serial.print("\t");

// Serial.println(ypr[2] * 180/M_PI);

#endif

// blink LED to indicate activity

blinkState = !blinkState;

digitalWrite(LED_PIN, blinkState);

delay(10);

}

}

Montaj final

Concluzii

Prin posibilitatea de a imita o mișcare la distanță se crează nenumărate posibilități care pot duce la creștere economică, salvare de vieți și printre cele mai uzuale este ușurarea traiului de zi cu zi.
Acest efect de stabilizator este utilizat cu success în industria automotive la diferite automatizări prin care se enumeră următoarele:

Frână asistată

Servodirecția electronică

Schimbătorul de viteze împreună cu cutia de viteze

În medicină s-a ajuns la imitarea mâinii umane mecanizate astfel dând posibilitatea medicilor să execute operații în zone de război (este încă în teste)

Bibliografie

Marius Bălaș, Modelare și simulare curs, variantă electronică- platforma Moodle, anul 2015

Ioan Emeric KÖLES, Sisteme cu microprocesoare curs, varianta electronică- platforma Moodle, anul 2014

Lucian Gal, Mecatronică curs, varianta electronică- platforma Moodle, anul 2014

Valentina Bălaș, Inteligența artificială curs, varianta electronică- platforma Moodle, anul 2015

Valentin Muller, Mașini și acționări electrice, varianta electronică- platforma Moodle, anul 2014

David Kushner (26.10.2011) „The Making of Arduino” http://spectrum.ieee.org/geek-life/hands- on/the-making-of-arduino. Accesat la 18.05.2016.

„Arduino Introduction”. https://www.arduino.cc/en/guide/introduction. Accesat la 20.05.2016

Schmidt, M. ["Arduino: A Quick Start Guide"]. Pragmatic Bookshelf, pagina 201. 22.01.2011

„Arduino – ArduinoBoardMega2560” https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560. Accesat la 20.05.2016

„Arduino FAQ – With David Cuartielles” Malmö University http://medea.mah.se/2013/04/arduino-faq/ . 05.04.2013. Accesat la 20.05.2016

„About scratch programming” https://scratch.mit.edu/about/ . Accesat la 19.05.2016

„Programming Arduino Getting Started with Sketches”. McGraw-Hill. 08.11.2011

„Arduino projects”. http://www.homofaciens.de/technics-computer-arduino-uno_en_navion.htm

. Accesat la 18.05.2016

„Familii de microcontrolere reprezentative”. http://microcontroler.ro/articole/77-familii-de- microcontrolere.html . Accesat la 19.05.2016

„Parametrii microcontrolerului Atmega 328”. http://www.atmel.com/devices/atmega328.aspx . Accesat la 22.05.2016

„Tutoriale Arduino” . https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage . Accesat la 10.05.2016

„Lecții de programare în mediul arduino” https://roboticaexcelentavrancea.wordpress.com/lectii- de-programare-in-mediul-arduino/ . Accesat la 10.04.2016

„Comenzi pentru programarea pe un Arduino” http://robodino.org/resources/arduino . Accesat la 15.05.2016

„What is an Arduino” https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-an-arduino . Accesat la 20.05.2016

„Optiboot Bootloader for Arduino and Atmel” https://github.com/Optiboot/optiboot . Accesat la 18.05.2016