Proiect de diplomă [618319]

Proiect de diplomă
6

Proiect de diplomă
7

Proiect de diplomă
8

Proiect de diplomă
9

Proiect de diplomă
10

Proiect de diplomă
Cuprins
1.INTRODUCERE…………………………………………………………………………………………………………… 13
2.COMANDA MOTOARELOR PAS CU PAS ………………………………………………………………….. 15
2.1.Motorul pas cu pas ……………………………………………………………………………………………………. 15
2.2.Sursă de alimentare în comutație ………………………………………………………………………………… 18
2.3.Driver pentru motorul pas cu pas ………………………………………………………………………………… 19
2.4.UDP30 interfața de programare ………………………………………………………………………………….. 21
2.5.Softul UDP………………………………………………………………………………………………………………. 22
3.MODELAREA ÎN MATLAB SIMULINK A UNEI ACȚIONARI CU MOTORUL
PAS CU PAS…………………………………………………………………………………………………………………. 27
3.1.Softul MATLAB Simulink ………………………………………………………………………………………… 27
3.2.Simularea în softul MATLAB Simulink ……………………………………………………………………… 28
4.TESTAREA PE STANDUL LUCAS-NÜLLE A MOTORULUI PAS CU PAS …………………41
4.1.Softul LUCAS-NÜLLE ActiveServo ………………………………………………………………………….. 41
4.2.Simularea în softul LUCAS-NÜLLE ActiveServo ……………………………………………………….. 42
5.CONCLUZII………………………………………………………………………………………………………………… 57
BIBLIOGRAFIE………………………………………………………………………………………………………………….. 59
11

Proiect de diplomă
12

Proiect de diplomă
1. INTRODUCERE
Datorită avantajelor de miniaturizare, amplificare, memorare, viteză de calcul și de
automatizare, în momentul actual electronica este prezentă peste tot, în toate domeniile de activitate
umane. Și electronica industrială ocupă un loc important în viață fiecărui om în fiecare zi.
Motoarele pas cu pas (MPP), sunt folosite tot mai des în electronica industrială de astăzi.
Acestea sunt motoare sincrone, la care fazele infăsurărilor statorice sunt alimentate în impulsuri de
curent, rezultate în urma aplicării unor impulsuri de tensiune de tip “treaptă”, iar rotorul este de tip
reactiv cu poli permanenți sau în componența rotorului putem avea și magneți sau electromagneți cu
capetele infăsurărilor.
În prezenta lucrare se tratează o acționare cu motor pas cu pas:
Mai întâi în pachetul SIMULINK MATLAB (de la Matrix Laboratory) care este un mediu
de dezvoltare pentru calculul statistic numeric și de analiză, creată de MathWorks, fiind utilizat în
industrie, în universități și este disponibil în mai multe sisteme de operare: Windows, GNU / Linux,
UNIX, și Mac OS. Fiind un pachet software atașat MATLAB-ului și reprezintă un sistem interactiv
pentru simularea dinamicii sistemelor neliniare (bineînțeles și a celor liniare).
Programul este complet integrat în mediul grafic bazat pe Microsoft® Windows și utilizează
interfața standard de utilizator a tuturor programelor de aplicații Windows. Atunci când
funcționarea Microsoft® Windows este deja cunoscută, operarea acestui program nu ar trebui să
prezinte dificultăți.
Al doilea caz este testat pe standul Lucas-Nülle utilizând softul ActiveServo și UDP30
împreună cu draiver-ul corespunzător.
Lucas-Nülle susține instituțiile și proiectele din întreaga lume pentru a dezvolta educația și
formarea tehnică și industrială.
ActiveServo este un program pentru testarea statică și dinamică a mașinilor electrice.
UDP30 este un program conceput pentru controlul sistemelor cu motoare pas cu pas fiind
folosit în industrie la diferite aplicații.
13

Proiect de diplomă
14

Proiect de diplomă
2. ACȚIONĂRI CU MOTOARE PAS CU PAS
2.1. Motorul pas cu pas
Este un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcare de rotați
(dreapta, stânga), cu un unghi de rotație fixat la fiecare impuls aplicat pe motor.
Poate fi folosit în diverse aplicații de poziționare și control, find folosit cu succes în:
unitățile floppy, HDD-uri, imprimante, pompe cu viteză variabilă, valve controlabile, jucării,
robotică.
Motorul pas cu pas este reprezentat printr-un rotor și o serie de electromagneți dispuși
circular în jurul rotorului. Prin alimentarea secventială a electromagneților, rotorul poate fi deplasat
pas cu pas într-o anumită direcție. Direcția de deplasare depinde de modul de alimentare al
electromagneților. Unghiul de deplasare al rotorului depinde de numărul de electromagneți dispuși
radial.
În comparație cu alte tipuri de motoare motorul pas cu pas are o serie de avantaje:
• Rotația unghiulară a motorului este proportională cu pulsul electric aplicat;
• Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate;
• Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se acumulează de la un pas la altul;
• Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație;
• Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durată de funcționare
depinde de rulment;
• Posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcină legată direct pe axul motorului;
• O gamă foarte largă de viteze de rotație;
dar există și unele dezavantaje:
• Rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar;
• Controlul greoi la viteze foarte mari.
Motoarele pas cu pas pot fi motoare unipolare sau bipolare. La motoarele bipolare comanda
pașilor se face prin inversarea curentului prin înfășurări. Principiul comenzii seamănă cu cel
de la comanda motorului de curent continuu, cu diferența că în acest caz de regulă sunt 2
înfășurări, Fig.2.1.
Fig.2.1. Structura motorului pas cu pas bipolar
15

Proiect de diplomă
Fiecare revoluție a axului motorului este alcătuită dintr-o serie de pași discreți. Un pas
este definit ca fiind rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă.
Fiecare impuls face ca axul să se rotească cu un anumit număr de grade caracteristic fiecărui
tip de motor. Un „pas unghiular” reprezintă rotația axului motorului la fiecare pas, și se măsoară în
grade.
În funcție de acest pas unghiular se poate face o clasificare a motoarelor pas cu pas. În
Fig.2.1 este prezentată dependența poziției unghiulare a axului ( Fig.2.2. (b)) de secvența de
alimentare a bobinelor ( Fig.2.2. (a)).
Fig.2.2. Poziția axului motorului
Rezoluția unghiulară sau pasul unghiular al unui motor pas cu pas este dat de relația dintre
numărul de poli pe rotor și numărul de poli pe stator, și numărul de faze.
Pasunghiular=360
NPh×Ph=360
N(2.1)
,unde:
NPh – numărul de poli echivalenți /fază= numărul de poli pe rotor,
Ph – numărul de faze,
N – numărul total de poli pentru toate fazele.
În cazul în care numărul de poli de pe rotor și stator nu este egal, această relație nu mai este
valabilă.
Motivele pentru care motorul pas cu pas a ajuns să fie folosit într-o gamă mare de aplicații
este acuratețea și repetabilitatea. În mod normal eroarea este cuprinsă între 3-5%/pas.
Acuratețea unui motor pas cu pas depinde în mare parte de părtile sale mecanice și nu de
părtile electrice. Există mai multe tipuri de erori prin care se exprimă diferența dintre poziția reală și
poziția teoretică a motorului (Fig.2.3.).
16

Proiect de diplomă
Fig.2.3. Erori
Astfel:
• Eroarea de poziționare la sfârșitul unui pas. Este eroarea pozitivă sau negativă de poziție care
apare când motorul a efectuat un pas, adică s-a rotit cu un pas unghiular de la poziția anterioară.
• Eroarea de poziție. Dacă motorul a efectuat N pași fată de poziția initială (N=360o/pas unghiular)
iar unghiul fată de poziția initială este măsurat după fiecare pas, astfel după N pași o să avem un
unghi ΘN, avem următoarea relația: N, avem următoarea relația:
∆ΘN=ΘN−(unghicorespunzatorunuipas)×N (2.2)
• Histerezis de poziție. Este valoarea obtinută prin măsurarea erorii de poziție în ambele direcții.
În acest studiu s-a utilizat un motor model: M1233031 având flanșa standard Nema 23
(56.4×56.4mm) Fig.2.4. ( de la firma LAM Technologies) și caracteristicile (grafic Fig.2.5.):
-cuplu static:1 Nm
-curent nominal: 0.62 A
-inerție rotor: 190 g/cm^2
-lungime motor: 51 mm
-momentul cuplului:0.028 Nm
-rezistență: 13.4 ohm
-inductanță: 33 mH
-lead wire: 4 ( bi-polar fig.3)
-greutate: 0.62 kg
-unghi complet de pas: 1.8*
17

Proiect de diplomă
Fig.2.4. Dimensiuni mecanice ale motorului
Fig.2.5. Carcacteristica cuplu-turație la alimentarea cu 24 și 48 de V curent continu
2.2. Sursa de alimentare în comutație
A furniza o tensiune stabilizată unei sarcini rezistive variabile este scopul unei surse de
tensiune în comutație. Numele provine din faptul că în schema electrică a unei astfel de surse există
un comutator electronic ce întrerupe periodic furnizarea curentului spre sarcină.
Funcționarea normală și corectă a oricărui aparat electronic necesită alimentarea acestuia de
la surse de tensiune la care variațiile tensiunii de alimentare să nu depăsească anumite limite, în
funcție de performanțele aparatului.
Conversia energiei de curent alternativ în energie de curent continuu se realizează cu
sisteme de redresare. Stabilizarea unei tensiuni continue se poate asigura fie “inainte de redresor”,
menținând constantă tensiunea alternativă de alimentare, fie “după redresor”, intercalând între
aceasta și sarcină un subansamblu electronic denumit stabilizator de tensiune continuă, capabil să
mentină între anumite limite tensiunea constantă.
18

Proiect de diplomă
Stabilizatoarele din cea de-a doua categorie au căpătat cea mai mare răspandire, deoarece
prezintă avantajul că mențin mai ușor tensiunea constantă la bornele sarcinii, indiferent de
perturbațiile care tind să o modifice.
În acest studiu s-a utilizat o sursă model: S8VK-C06024 de la firma OMRON având
caracteristicile și schema din Fig.2.6.:
-la curent alternativ
-INPUT: 100-240 V; 50/60 Hz; 1.3 A
-OUTPUT: 24 V; 2.5 A
-la curent continu
-INPUT: 90-350 V; 0.7 A
-OUTPUT: 24 V; 2 A
-putere: 60 W
Fig.2.6. Schema sursei S8VK-C06024
2.3. Driver pentru motorul pas cu pas
Conectarea la motor, cu semnale logice și la sursa de alimentare, se realizează prin trei
blocuri terminale colorate diferite, fiecare dintre acestea fiind detasabilă, numerotată și potrivită
pentru dimensiunea firului de 2,5 mm2.
Curentul de fază al motorului poate fi reglat fin într-o gamă largă de valori ca rezoluția
pasului, reducerea curentului etc.
Fiecare semnal logic poate fi setat independent de celălalt în logică PNP sau NPN, fiecare
intrare putând fi condusă, de asemenea, folosind tehnologia conducătorului auto. Unitatea este
protejată complet pentru a-și păstra integritatea față de cele mai frecvente probleme.
Diagnosticarea este completă și semnalează univoc ori de câte ori apar una sau mai multe
protecții. În plus, este disponibilă și o diagnosticare a fazei motorului de rupere, foarte utilă pentru a
determina problemele de cablare sau defecțiunile motorului.
Unitatea are și un oscilator încorporat care poate fi utilizat pentru operații simple de
pornire / oprire. Funcția de poartă permite conectarea mai multor unități la un singur generator de
impulsuri STEP.
Puterea pe care sursa de alimentare trebuie să o furnizeze este dată de puterea absorbită de
motor (în funcție de cuplul necesar cât și al vitezei de rotație) și eficiența motorului și a
mecanismului de acționare.
În acest studiu s-a utilizat un driver model: DS1041 de la firma LAM Technologies având
caracteristicile (Fig.2.7.):
19

Proiect de diplomă
-curent nominal: 0,3-1,4 A (setabil în pași de 0,1 A);
-tensiune de alimentare: 18-50 Vcc;
-comandă în tren de impulsuri sau prin pornire / oprire a semnalului (oscilator intern);
-intrări / ieșiri configurabile independente NPN sau PNP;
-intrări digitale 3-28 Vdc;
-montare pe sină DIN;
-rezoluție de până la 25600 pași / rot;
-frecvență maximă la pașii: 300 Khz;
-port pentru programare integrat;
-protecții integrate: supratensiune, scurtcircuit, supraincălzire.
Fig.2.7. Caracteristici DS1041
Conectori și schema (Fig.2.8.):
Fig.2.8. Schema DS1041
20

Proiect de diplomă
-CN1:
+Vp, tensiune de alimentare DC continuă;
-Vp (GND), tensiune negativă de alimentare DC;
-CN2:
FA-, negarea fazei de iesire A;
FA +, fază de ieșire pozitivă A;
FB +, faza de ieșire pozitivă B;
FB-, negarea fazei de ieșire B;
SHIELD (intern conectat cu GND);
-CN3:
STEP +, semnal de rotație a motorului, intrare pozitivă;
STEP-, semnal de rotație a motorului, intrare negativă;
DIRECTION +, semnal de direcție inversă, intrare pozitivă;
DIRECTION – semnal de direcție inversă, intrare negativă;
ENABLE +, semnal de acționare curent (cuplu), intrare pozitivă;
ENABLE-, semnalul de activare a curentului (cuplu), intrarea negativă;
BOOST +, semnal de creștere a curentului, intrare pozitivă;
BOOST-, semnal de amplificare curent, intrare negativă;
FAULT +, starea unității, ieșire pozitivă;
FAULT-, starea unității, ieșire negativă;
2.4. UDP30 interfața de programare
Setarea și diagnosticarea unitătii sunt foarte ușoare cu softul pentru Windows. Conectarea la
portul de programare DUP al unității este obtinută prin interfața UDP30 Fig.2.9., care este conectată
la PC prin portul USB. Interfața asigură și izolarea electrică dintre PC și unitate.
Fig.2.9. UDP30
Montajul este ușor de asamblat, conexiunile făcânduse doar cu o surubelniță, timpul de montaj fiind
redus.
Programul se instalează foarte rapid, nu ocupă mult spațiu ( sub 9 MB). Legătura dintre PC și
UDP30 este foarte rapidă,
Softul este prevăzut cu alarme și protecții care asigură deconectarea rapidă a drive-ului.
21

Proiect de diplomă
2.5. Softul UDP
Este ușor de instalat, are 2 ferestre principale plus câteva meniuri combatibile doar cu
anumite drivere:
-Fereastra de start (Fig.2.10.) unde avem:
Fig.2.10. Fereastra de start
22

Proiect de diplomă
1.New configuration file: deschidem o foaie nouă de lucru
2.Change drive configuration: este activat după ce o conexiune cu unitatea a fost stabilită și
permite accesarea, în modul on-line, la fereastra de setare sau programare asociată unitătii
conectate.
3.Connect: se apasă pentru a conecta UDP-ul
4.Update drive firmware: deschide fereastră cu setări
5.Change settings: schimbă limba din: Engleză, Italiană, Germană
6.LAM Technologies: deschide o pagină cu date de contact a firmei
7.Program Quit: ieșire program
8.Supported products list: alegem modelul de driver pe care îl utilizăm
-Fereastra cu setările motorului (Fig.2.11.) unde avem:
Fig.2.11. Fereastra cu setările motorului
23

Proiect de diplomă
1.Back to program sélection form: înapoi la fereastra de start
2.Configure drive: pornește programul
3.Setting: meniul cu setări, unde avem setările pentru:
4.Alimentarea, unde se definește:
curentul (0.3-1.4),
numărul de pași pe rotație [minim 200(1/1), maxim 25600(1/128)],
reducerea curentului (pe timp: minim 0.05 maxim 10 sec., pe procent: 0-100% din 10 în 10).
5.Cadrul semnalelor de control, permite să se definească modul în care unitatea trebuie să
citească și să manipuleze diferitele semnale digitale de intrare și ieșire.
Această flexibilitate extraordinară permite să inverseze logica de lucru a unui semnal, să-l
forțeze întotdeauna activ sau să-l dezactiveze. Pentru STEPIN avem Enabled și Disabled; pentru
restul avem Direct, Inverted, Active și Inactive.
6.Alarme și protecții, cadrul de alarme și protecții permite definirea acțiunii necesare pentru
eliminarea unei alarme sau a unui semnal de eroare.
Automat, unitatea este reactivată automat la încetarea condiției de alarmă.
Permanent, semnalul de alarmă rămâne pană la oprirea alimentării.
ENABLE, semnalul de alarmă rămâne pană când unitatea este dezactivată prin semnalul
ENABLE.
Dezactivat, semnalul de alarmă este oprit (din motive de securitate unele alarme nu pot fi
dezactivate).
7.Change the phase current waveform: (Fig.2.12.) prin intermediul butonului se schimbă faza
curentului, este posibilă modificarea formei de undă a curentului furnizat de unitate la motor,
această caracteristică permite o adaptare mai bună de la drive la motor pentru a obține o rotație
netedă.
Fig.2.12. Change the phase current waveform
24

Proiect de diplomă
Standard
Opțiunea Standard este selectată în mod implicit și indică faptul că forma de undă a curentului
furnizat de unitate la motor este un val sinusoidal pur.
Custom
Selectând opțiunea Custom, tastele cursor Shape și Offset sunt activate și permit personalizarea
formei de undă curente.
Shape
Tasta cursorului Shape actionează asupra conținutului armonic al curentului furnizat unității.
Valoarea optimă de reglare trebuie găsită experimental și depinde de tipul de motor. Pentru
motoarele LAM Technologies această valoare este de obicei inclusă între 0 și -4.
Offset
Tasta Cursor offset permite operarea pe offsetul curentului față de 0. De obicei, acest parametru nu
trebuie modificat și poate fi lăsat la valoarea implicită (zero).
Configure
Dacă faceți clic pe butonul Configure, setările sunt transferate pe unitate. Din motive de siguranță,
în timpul transferului de parametri, unitatea dezactivează motorul cu anularea ulterioară a cuplului.
După efectuarea transferului, motorul este activat din nou sau nu în funcție de starea intrărilor și de
noua configurație. Butonul Configurare nu este disponibil când unitatea nu este conectată (modul
offline).
Cancel
Dacă faceți clic pe butonul Cancel pagina de setare a formei de undă este inchisă.
8.Advanced functionalities: seria drive-ului microstepping xS10 are functionalităti exclusive
care o diferentiază de unitătile de comunicație comercializate controlate prin intermediul
unui impuls.
Funcția Gate este utilă pentru a controla mai multe unități cu un singur semnal de pas
(generat, de exemplu, de un PLC sau de o placă de comandă a axei).
După ce ați selectat opțiunea Gate, este suficient să alegeți semnalul care trebuie utilizat pentru a
permite sau nu recepția impulsurilor aplicate la intrarea STEPIN. Ultima operație necesară constă în
definirea condiționării semnalului de activare între opțiunile directe, inversate, active, inactive.
Funcția Oscilator permite controlul rotației motorului printr-un semnal de pornire / oprire în
loc de trenul de impuls.
9.Information and diagnostics: cadrul de stare al unității oferă o vedere completă asupra
alarmei prezente în cele din urmă, asupra stării intrărilor și ieșirilor și asupra revizuirilor
hardware și software ale unității.
Zona intrări / ieșiri arată starea activă sau inactivă a fiecăruia.
Cadrul motor permite cunoașterea în timp real a stării motorului.
Zona Alarme / Protecții își schimbă culoarea dacă există cel puțin o alarmă și un mesaj care
explică problema găsită
Cadrul de informare prezintă revizuirea hardware-ului produsului, al Loader-ului (un
software care permite actualizarea produsului) și al firmware-ului impreună cu numărul de
serie al unitătii. Sub linia de configurare se află numele configurației și data și oră în care a
fost scrisă configurația în unitate (aceste informații sunt preluate din ceasul PC-ului).
25

Proiect de diplomă
26

Proiect de diplomă
3. MODELAREA ÎN MATLAB SIMULINK A UNEI ACȚIONARI CU
MOTORUL PAS CU PAS
3.1. Softul MATLAB Simulink
MATLAB (de la Matrix Laboratory) este un mediu de dezvoltare pentru calculul statistic
numeric și de analiză care conține programarea limbajului cu același nume, creată de MathWorks.
MATLAB permite manipularea matricilor, vizualizarea funcțiilor, implementarea algoritmilor,
crearea de interfețe și poate interacționa cu alte aplicații.
Chiar dacă e specializat în calcul numeric, există pachete care îi permit să interacționeze cu
motoarele de calcul simbolic gen Maple. Un pachet adițional, Simulink, oferă posibilitatea de a
realiza simulări ale sistemelor utilizând modele matematice.
MATLAB este utilizat în industrie, în universități și este disponibil în mai multe sisteme de
operare: Windows, GNU / Linux, UNIX, și Mac OS.
Abrevierea MATLAB a fost creată la sfârșitul anilor ' 70 de către Cleve Moler, președintele
departamentului de informatică al Universității din New Mexico.
Inițial creat pentru a permite accesul studenților săi la librăriile LINPACK și EISPACK, fără
necesitatea de a studia limbajul FORTRAN, în curand s-a răspândit în alte universități, dobândind
un public larg în domeniul matematicii aplicate.
Jack Little, de formație inginer, a intrat în contact cu MATLAB în 1983, în timpul unei
vizite a lui Moler la Universitatea Stanford. Recunoscând imediat potențialul său comercial, a
început o colaborare cu Cleve Moler și Steve Bangert rescriindu-l în limbajul C. În anul 1984 au
fondat MathWorks, continuând dezvoltarea aplicației.
Simulink, dezvoltat de MathWorks, este un mediu de programare grafic pentru modelarea,
simularea și analizarea sistemelor dinamice multiple. Interfața sa principală este un instrument
grafic de blocuri grafice și un set personalizat de biblioteci de blocuri.
MathWorks și alte produse hardware și software terță parte pot fi utilizate împreună cu
Simulink. MathWorks susține că, împreună cu un alt produs, Simulink poate genera în mod automat
codul sursă C pentru implementarea în timp real a sistemelor.
Pachetul SIMULINK:
•este un pachet software atașat MATLAB-ului și reprezintă un sistem interactiv pentru
simularea dinamicii sistemelor neliniare (bineînțeles și a celor liniare). Este conceput sub
forma unei interfețe grafice care permite crearea unui model prin “trasarea” schemei bloc a
sistemului și apoi simularea dinamicii sistemului.
•poate lucra cu sisteme liniare, neliniare, continue, discrete, multivariabile etc.
• bebeficiază de așa-numitele Blockset-uri care sunt de fapt biblioteci suplimentare care
conțin aplicații specializate din domenii cum ar fi: comunicații, procesarea semnalelor etc.
•Workshop® este un program foarte important care permite generarea unui cod C pentru
schemele bloc create în SIMULINK și prin urmare permite rularea de aplicații în timp real
de o mare diversitate.
27

Proiect de diplomă
3.2. Simularea în softul MATLAB Simulink
S-a deschis MATLAB Simulink și s-a folosit schema din Fig.3.1. pentru motorul hibrid
bipolar.
Fig.3.1. Schemă MATLAB
La „DRIVE” s-a folosit schema din Fig.3.2.
Fig.3.2. Schemă pentru sursa de alimentare în MATLAB
Fazele motorului sunt alimentate de doi convertizoare MOSFET PWM cu punte H. Circuitul
DC este reprezentat de o sursă de tensiune. Curenții motorului sunt reglați independent de două
controlere bazate pe histereză care generează semnalele de antrenare MOSFET prin compararea
28

Proiect de diplomă
curenților măsurați cu referințele lor. Ruptura în formele de undă curente este controlată de banda
de histerezis a comparatoarelor. Frecvența de comutare este variabilă și depinde de parametrii
motorului.
Referințele curente ale undelor pătrat sunt generate utilizând amplitudinea curentă și
parametrii de frecvență pas specificați în fereastra de dialog. Mișcarea transmisiei pas cu pas este
controlată de semnalele PAS și DIR primite de la blocul „Forma semnalului”.
Amplitudinea curentă și rata de trepte sunt selectate în masca de dialog. Semnalul PAS din
blocul „Forma semnalului” controlează mișcarea unității pas cu pas. O valoare pozitivă (1.0) va face
rotirea motorului și o valoare zero va opri rotirea. Semnalul DIR controlează direcția de rotație. O
valoare pozitivă (1.0) va impune direcția pozitivă în timp ce o valoare zero va impune direcția
inversă. Funcția de antrenare a motorului pas cu pas este ilustrată de principalele forme de undă
(tensiuni, curenți, cuplu, viteză și poziție) afișate pe blocul „Osciloscop”. Simularea se face folosind
un solver cu pas fix cu un timp de eșantionare de 1 us, oferind precizie acceptabilă pentru PWM.
Blocul „Motorul pas cu pas hibrid” are schema din Fig.3.3. unde avem 4 intrări, câte 2
pentru fiecare fază a motorului, A+ faza 1 pozitivă A- faza 1 negativă și B+ faza 2 pozitivă B- faza
2 negativă.
Fig.3.3. Schemă pentru Motorul pas cu pas hibrid în MATLAB
Blocul „Model” are schema din Fig.3.4.
Fig.3.4. Schema blocului „Model”
29

Proiect de diplomă
Blocul „Model” are în schemă sistemul electric (Fig.3.5. sus) pentru curent și cuplu și
sistemul mecanic (Fig.3.5. jos) pentru viteză și poziție.
Fig.3.5. Schema blocurilor sistemului electric și sistemului mecanic
Pentru simulări s-a folosit semnalul din Fig.3.6. unde avem semnal la PAS și DIR pentru 0.1
secunde simulând pornirea și funcționare motorului într-o direcție urmând simularea opririi
motorului și pornirea în direcția opusă.
Fig.3.6. Semnalul
30

Proiect de diplomă
Parametrii motoarelor sunt pentru partea mecanică, afișate în Fig.3.7.:
Fig.3.7. Partea mecanică
31

Proiect de diplomă
Și pentru partea electronică sunt afișate în Fig.3.8.:
Fig.3.8. Partea electrică
Pentru un timp de 0.25 secunde la curentul nominal de 0.62 amperi și viteza de 200 de pași,
alimentarea la 24 de vonți avem următoarele cazuri:
•Cazul la mersul în gol, cuplu de încarcare este 0 N/m, Fig.3.9.:
Fig.3.9. Cuplu de încarcare 0 N/m
32

Proiect de diplomă
Dacă mărim cu lupa, Fig.3.10., se observă faptul că în primele 0.01 secunde nu avem pași
iar în primele 0.05 secunde avem 8 pași, rezultând un pas la fiecare 0.005 secunde, la un calcul
simplu se observă faptul că în prima secundă motorul are o viteză de 198 de pași pe secundă în loc
de 200, 2 pași fiind pierduți la pornire.
Tot în Fig.3.10., se observă modul în care sare curentul pe faze și modul în care oscilează
tensiunea în funcție de curent,
Fig.3.10. Cuplu de încarcare 0 N/m vedere mărită
Dacă schimbăm viteza de 200 de pași la una de 100 de pași, Fig.3.11., se observă faptul că
în primele 0.02 secunde nu avem pași iar în primele 0.05 secunde avem 3 pași, rezultând un pas la
fiecare 0.01 secunde, la un calcul simplu se observă faptul că în prima secundă motorul are o viteză
de 98 de pași pe secundă în loc de 100, 2 pași fiind pierduți la pornire.
Fig.3.11. Cuplu de încarcare 0 N/m la viteza de 100 pași pe secundă
33

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 0.01 N/m, Fig.3.12.:
Fig.3.12. Cuplu de încarcare 0.01 N/m
•Cazul la cuplu de încarcare 0.02 N/m, Fig.3.13.:
Fig.3.13. Cuplu de încarcare 0.02 N/m
34

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 0.03 N/m, Fig.3.14.:
Fig.3.14. Cuplu de încarcare 0.03 N/m
•Cazul la cuplu de încarcare 0.04 N/m, Fig.3.15.:
Fig.3.15. Cuplu de încarcare 0.04 N/m
35

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 0.05 N/m, Fig.3.16.:
Fig.3.16. Cuplu de încarcare 0.05 N/m
•Cazul la cuplu de încarcare 0.06 N/m, Fig.3.17.:
Fig.3.17. Cuplu de încarcare 0.06 N/m
36

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 0.07 N/m, Fig.3.18.:
Fig.3.18. Cuplu de încarcare 0.07 N/m
•Cazul la cuplu de încarcare 0.08 N/m, Fig.3.19.:
Fig.3.19. Cuplu de încarcare 0.08 N/m
37

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 0.09 N/m, Fig.3.20.:
Fig.3.20. Cuplu de încarcare 0.09 N/m
•Cazul la cuplu de încarcare 0.1 N/m, Fig.3.21.:
Fig.3.21. Cuplu de încarcare 0.1 N/m
38

Proiect de diplomă
•Cazul la cuplu de încarcare 1 N/m, Fig.3.22.:
Fig.3.22. Cuplu de încarcare 1 N/m
39

Proiect de diplomă
40

Proiect de diplomă
4. TESTAREA PE UN STAND DE LA LUCAS-NÜELLE UTILIZÂND
SOFTUL ACTIVESERVO ȘI UDP30
4.1. Softul LUCAS-N ÜLLE ActiveServo
Fundația Lucas-Nülle susține instituțiile și proiectele din întreaga lume pentru a dezvolta
educația și formarea tehnică și industrială. Este un furnizor de soluții la cheie în tehnologie:
• Universități
• Colegii tehnice
• Institutele de formare profesională
• Institutele de pregătire industrială și militară
Timp de mai mult de 40 de ani, Lucas-Nülle, cu sediul în Germania, dezvoltă și produce
sisteme de instruire în tehnologii cheie în domenii precum inginerie electrică și electronică,
tehnologie de automatizare, mecatronică, comunicații și tehnologie auto.
ActiveServo este un program pentru examinarea răspunsului static și dinamic al mașinilor de
încărcare. Sunt disponibile următoarele modele de mașini: pompă / ventilator, calandru, unitate de
ridicare, trusa de inerție, încărcare dependentă de timp.
ActiveServo oferă experimente simple cu mașinile de lucru emulate împreună cu frâna
activă, inclusiv următoarele funcții:
1.Reglarea parametrilor mașinilor de lucru și afișarea caracteristicilor acestora.
2.Înregistrarea și afișarea, valori măsurate.
3.Suprapunerea caracteristicilor mașinilor și a mașinilor de lucru.
4.Determinarea și afișarea grafică a punctului de lucru.
5.Salvarea diferitelor puncte de lucru, inclusiv valorile măsurate asociate pentru examinarea
diferitelor stări de funcționare.
6.Înregistrarea și afișarea valorilor măsurate ca diagrame de timp: turație, cuplu și curent sau
tensiune.
7.Măsurarea și afișarea proceselor de rampă cu funcție de declanșare reglabilă.
8.Facilitatea de etichetare a hărților cu orice text.
9.Meniuri specifice, definite de Utilizator, pentru încărcarea rapidă și directă a exercițiilor.
10.Suport pentru toate aplicațiile Windows pentru documentarea exercițiilor: Export de grafică
și valori măsurate ca fișier sau prin intermediul clipboardului pentru prelucrare ulterioară în
programe text sau foi de calcul; imprimare grafică toate imprimantele acceptate.
11.Asistență online; suport pentru Windows ™ ToolTips.
Programul este complet integrat în mediul grafic bazat pe Microsoft® Windows și utilizează
interfața standard de utilizator a tuturor programelor de aplicații Windows. Atunci când
funcționarea Microsoft® Windows este deja cunoscută, operarea acestui program nu ar trebui să
prezinte dificultăți.
41

Proiect de diplomă
4.2. Testarea cu softul LUCAS-N ÜLLE ActiveServo
S-a confecționat schema din Fig.4.1. pe baza căruia s-a realizat montajul din Fig.4.2.:
Fig.4.1. Schemă montaj
Fig.4.2. Montaj
La montaj s-a utilizat cablu cu diametru secțiunii de 2.5 mm, alimentarea s-a făcut la o
tensiune de 230 V cu frecvența de 50 Hz cu un curent maxim de 1.3 A la intrare, iar la ieșire avem
o tensiune de 24 V și un curent maxim de 2.5 A, puterea instalata de 60 W.
S-a făcut montazul, Fig.4.2., unde s-a fixat motorul (1) de motorul standului și s-a conectat
la driver (2) unde o fază a trecut prin stand (3), driver-ul s-a conectat la sursa de alimentare (4) și la
adaptorul UDP30 (5) conectat la PC; pe urmă s-a: făcut puntea (6), pornit standul (7), setat pe softul
motor (8) și apăsat butonul de pornire (9).
42

Proiect de diplomă
S-a intrat în softul „UDP Commander”, Fig.4.3., de unde s-a selectat butonul conect
( patrulaterul roșu) s-a ales modelul de driver (patrulaterul galben).
Fig.4.3. UDP Commander
Fig.4.4. Selectări în UDP Commander
43

Proiect de diplomă
În program s-au selectat următoarele, Fig.4.4. patrulaterele verzi (după care s-a dat drumul
(patrulaterul albastru)) :
•curent: 0.6 ;
•păși: 200;
•STEPIN: Direct;
•DIRECTION: Active;
•ENABLE: Active;
•BOOST: Active;
•FAULT: Active;
•Oscilator: ENABLE și Active;
•Frequency 1/2: 500/1000.
S-a deschis softul „LUCAS-NÜLLE ActiveServo”, Fig.4.5., unde s-a selectat diagrama
după timp, patrulaterul roșu. S-a intrat la setări la încărcări și s-a selectat programul pentru unități
de ridicare, patrulaterul galben. S-au selectat viteza, cuplu, putere, tensiunea și curentul, patrulaterul
verde.
Fig.4.5. Softul LUCAS-NÜLLE ActiveServo
S-au făcut următoarele măsurători de la un cuplu de încărcare de 0.05 Nm la un cuplu de
încărcare de un 0.55 Nm la un timp de 15 secunde:
44

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.05 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.6.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.7 .
Fig.4.6. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.05 Nm
Fig.4.7. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.05 Nm
45

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.1 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.8.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.9.
Fig.4.8. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0. 1 Nm
Fig.4.9. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0. 1 Nm
46

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.15 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.10.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.11.
Fig.4.10. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.15 Nm
Fig.4.11. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.15 Nm
47

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.2 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.12.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.13.
Fig.4.12. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.2 Nm
Fig.4.13. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.2 Nm
48

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.25 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.14.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.15.
Fig.4.14. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.25 Nm
Fig.4.15. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.25 Nm
49

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.3 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig. 4.16.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.17 .
Fig.4.16. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.3 Nm
Fig.4.17. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.3 Nm
50

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.35 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.18.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.19.
Fig.4.18. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.35 Nm
Fig.4.19. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.35 Nm
51

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.4 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.20.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.21.
Fig.4.20. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.4 Nm
Fig.4.21. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.4 Nm
52

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.45 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.22.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.23.
Fig.4.22. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.45 Nm
Fig.4.23. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0.45 Nm
53

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de 0.5 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.24.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.25.
Fig.4.24. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de 0.5 Nm
Fig.4.25. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de 0. 5 Nm
54

Proiect de diplomă
La un cuplu de încărcare de la 0.5 la 0.55 Nm avem:
•cuplu și viteza în Fig.4.26.
•curentul, tensiunea și puterea în Fig.4.27.
Fig.4.26. Cuplu și viteza la un cuplu de încărcare de la 0.5 la 0.55 Nm
Fig.4.27. Curentul, tensiunea și puterea la un cuplu de încărcare de la 0.5 la 0.55 Nm
55

Proiect de diplomă
56

Proiect de diplomă
5. CONCLUZII
motorul pas cu pas este un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice
în mișcare de rotați (dreapta, stânga), cu un unghi de rotație fixat la fiecare impuls aplicat pe motor.
Poate fi folosit în diverse aplicații de poziționare și control, find folosit cu succes în:
unitățile floppy, HDD-uri, imprimante, pompe cu viteză variabilă, valve controlabile, jucării,
robotică., și oriunde este nevoie de mișcări fine și precise.
În comparație cu alte tipuri de motoare motorul pas cu pas are o serie de avantaje:
• Rotația unghiulară a motorului este proportională cu pulsul electric aplicat;
• Motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate;
• Poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se acumulează de la un pas la altul;
• Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație;
• Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durată de funcționare
depinde de rulment;
• Posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcină legată direct pe axul motorului;
• O gamă foarte largă de viteze de rotație;
dar există și unele dezavantaje:
• Rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar;
• Controlul greoi la viteze foarte mari.
Comanda pașilor la motoarul bipolar se face prin inversarea curentului prin înfășurări
principiul comenzii seamănă cu cel de la comanda motorului de curent continuu, cu diferența că în
acest caz de regulă sunt 2 înfășurări.
În simularea din Matlab pentru o precizie ridicată PWM, poate fi utilizat un pas de timp
mai mic, dar simularea va fi mai lentă.

La driver conectarea la motor, cu semnale logice și la sursă de alimentare, se realizează
prin trei blocuri terminale colorate diferit, fiecare dintre acestea fiind detasabilă, numerotată și
potrivită pentru dimensiunea firului de 2,5 mm2.
Curentul de fază al motorului poate fi reglat fin într-o gamă largă de valori ca rezoluția
pasului, reducerea curentului etc.
Fiecare semnal logic poate fi setat independent de celălalt în logică PNP sau NPN. Unitatea
este protejată complet pentru a-și păstra integritatea față de cele mai frecvente probleme.
Setarea și diagnosticarea unității sunt foarte ușoare cu softul pentru Windows. Conectarea
la portul de programare DUP al unității este obținută prin interfața UDP30, care este conectată la
PC prin portul USB. Interfața asigură și izolarea electrică dintre PC și unitate

57

Proiect de diplomă
Pe viitor se pot face următoarele:

•Continuarea simulărilor în Matlab folosind alți curenți, altă viteză și alte sarcini.
•Continuarea testelor pe standul Lucas-Nülle pană la valoarea de 1 Nm și testarea prin alte
funcții
•Continuarea testelor modivicand valorile în UDP30 și construirea de scheme și proiecte
folosind conectorul 3 de la driver.
58

Proiect de diplomă
BIBLIOGRAFIE
[1]Chiver O.,Convertoare electromagnetice: analiza cu elemente finite , Cluj-Napoca: U. T.
PRESS, 2015
[2]Szabo, Lorand Fodorean, Daniel, Simularea ansamblului convertor-masina utilizat in sisteme
electromecanice, Cluj-Napoca: U. T. PRESS, 2009
[3]Draganescu, Ovidiu Gh., Incercarile masinilor electrice rotative , Editura Tehnica, 1987
[4]http://www.lamtechnologies.com/Product.aspx?lng=EN&idp=LS1041
[5]http://actionarielectrice.ro/ds1041-18-50-vdc–03-14-a/248.htm
[6]http://actionarielectrice.ro/m1233031–1-nm–-062-a/134.htm
[7]https://www.perwiik.no/images/kataloger/2015/LN/Automotive%20Engineering.pdf
[8]https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/stepper-motor-drive.html?
searchHighlight=step%20motor&s_tid=doc_srchtitle
[9]http://www.ccila-portugal.com/fileadmin/ahk_portugal/site_upload/RF/
II_simposio_educacao/posevento/05_LucasNuelle.pdf
[10]https://www.lucas-nuelle.es/2274/pid/9297/apg/5071/Banco-de-pruebas-de-servo-para-
motores-de-1kW-&-software-ActiveServo-(D,GB,F,E)-.htm
[11]https://www.lucas-nuelle.de/218/pid/1831/apg/1234/Servo-Maschinenpr%C3%BCfstand-f
%C3%BCr-0,3kW-Maschinen-inkl.-Softw.-ActiveServo-(D,GB,F,E).htm
[12]http://www.lucas-nuelle.us/2769/pid/1792/apg/1220/Servo-machine-test-bench-for-1kW-
machines-incl-ActiveServo-software-D,GB,F,E-.htm
[13]http://ac.upg-ploiesti.ro/cursuri/issc/indrumar_lab_issc.pdf
[14]https://profs.info.uaic.ro/~fliacob/An2/2012-2013/Resurse/Relative%20la%20Matlab/
Elemente%20de%20Matlab.pdf
[15]https://en.wikipedia.org/wiki/Simulink
[16]https://en.wikipedia.org/wiki/MATLAB
[17]https://suleacosti.files.wordpress.com/2017/10/electroputerelab06.pdf
[18]https://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Power-IC-Power-
Management-Publications/Innovative-Back-EMF-Based-Stall-Detection-Simplifies-Stepper-
Motor-Designs.aspx
[19]https://www.researchgate.net/publication/
4359465_Model_based_design_controller_for_the_stepper_motor
[20]http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/PROIECT-AEEP2242215248.php
[21]http://www.qreferat.com/referate/mecanica/Motorul-pas-cu-pas939.php
[22]http://docplayer.gr/20855249-Cap-1-1-motorul-pas-cu-pas-caracteristici-generale.html
[23]https://vdocuments.site/automatizari-laborator.html
[24]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212017315000833
59