Șef lucr.dr.ing. Popescu Florin ABSOLVENT: GÎNU S. MIHAIL PETROȘANI -2016- UNIVERSITATEA DIN PETROȘANI FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ… [305835]

UNIVERSITATEA DIN PETROȘANI

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATORI:

Conf.univ.dr.ing. Marcu Marius

Șef lucr.dr.ing. Popescu Florin

ABSOLVENT: [anonimizat]2016-

UNIVERSITATEA DIN PETROȘANI

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ȘI ELECTRICĂ

SISTEME MODERNE PENTRU COMANDA MOTOARELOR ELECTRICE DE CURENT CONTINUU

COORDONATORI:

Conf.univ.dr.ing. Marcu Marius

Șef lucr.dr.ing. Popescu Florin

ABSOLVENT: [anonimizat]2016-

Cuprins

CAPITOLUL I. MOTORUL DE CURENT CONTINUU 4

1.1. Considerații privind motorul de curent continuu 4

1.2. Elemente constructive de bază 5

1.3. Principiul de funcționare 7

1.4. Ecuațiile motorului de curent continuu. Stabilitatea funcționării. 9

1.5. Cuplul motoarelor de curent continuu 11

1.6. Pierderile și randamentul motorului de curent continuu 12

1.7. Caracteristicile motorului de curent continuu 12

1.8. Clasificarea motoarelor de curent continuu 17

CAPITOLUL II. SERVOMOTOARE ELECTRICE 20

2.1. Noțiuni de bază 20

2.2. Servomotoarele de curent continuu 21

2.3. Ecuațiile funcționale ale servomotoarelor de curent continuu 24

CAPITOLUL III. STRUCTURĂ ȘI UTILIZARE TECHNOSOFT EASYMOTION STUDIO 27

3.1. Prezentare generală 27

3.2. Modul de utilizare TECHNOSOFT Intelligent Servo Drive/Motor 28

CAPITOLUL IV. REALIZAREA UNEI APLICAȚII SOFTWARE PENTRU ANALIZA PARAMETRILOR DE FUNCȚIONARE AL MOTORULUI DE CURENT CONTINUU 41

4.1. [anonimizat] 41

4.2. Setări hardware 43

4.3. Descrierea softului de monitorizare și configurare 44

4.4. Studiu de caz. Rezultate experimentale. 56

CONCLUZII 60

BIBLIOGRAFIE 61

CAPITOLUL I. MOTORUL DE CURENT CONTINUU

Considerații privind motorul de curent continuu

Generalități

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, [anonimizat].

Motorul de curent continuu este un sistem de conversie electromecanică a energiei, [anonimizat].

Puterea maximă a acestor motoare este limitată la circa 10 MW, [anonimizat]. [anonimizat], 1,5 kV, din cauza dificultății asigurării unei tensiuni maxime de 20 V [anonimizat] a se evita apariția cercului de foc la colector. Aceasta se manifestă prin apariția scânteilor la contactul dintre perii și colector care determină o supraîncălzire și colorare în brun închis a colectorului.

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

[anonimizat], iar curentul are o valoare limitată de rezistența înfășurării indusului și de rezistența de trecere la perii.

Schimbarea sensului de rotație a [anonimizat] a indusului. [anonimizat] o inerție mare datorită inductivităților mari din circuitul de excitație. Mărirea sau micșorarea vitezei se face prin modificarea tensiunii de alimentare, a curentului de excitație sau prin introducerea de rezistențe în circuitul rotorului.

Elemente constructive de bază

Părțile principale ale motorului de curent continuu sunt: statorul, rotorul cu colector, crucea portperii, scuturi, lagăre, cutie de borne (Fig. 1.1).

Statorul care produce fluxul magnetic inductor este format din carcasă, poli și bobine polare.

– Carcasa se execută din material magnetic (oțel) în cele mai multe cazuri de formă cilindrica.

– Polii care se fixează prin buloane de carcasă sunt polii principali (numiți și poli de excitație), iar la majoritatea motoarelor sunt și polii auxiliari (numiți și poli de comutație). Polii principali se execută din tole de oțel cu grosimea de 1- 1,5 mm strânse cu nituri.

Fig. 1.1. Secțiune prin motorul de curent continuu:
1 – carcasă; 2 – pol de excitație; 3 – bobina de excitație; 4 – pol auxiliar; 5 – bobina de comutație; 6 – arbore; 7 – pachet de tole; 8 – înfășurarea indusului; 9 – colector; 10 – cruce portperii; 11 – scut; 12 – rulment; 13 – ventilator; 14 – cutie de borne.

– Bobinele polare care se montează pe poli sunt bobinele de excitație, parcurse de curentul de excitație și bobinele polilor auxiliari, parcurse de curentul principal al motorului. Bobinele se execută din conductor de cupru izolat și sunt izolate față de miezul și talpa polului și față de carcasă.

Rotorul este format din arbore, pachetul de tole ale rotorului, colectorul, bobinajul indus, suporți de bobinaj, ventilator.

– Arborele se execută din oțel, transmite cuplului mecanic între pachetul de tole și capătul de arbore liber.

– Pachetul de tole ale rotorului se execută din tablă silicioasă cu grosimea de 0,5 mm, împachetată pe arbore și strânsă între suporți de bobinaj. Are la exterior crestături deschise sau semideschise (Fig. 1.2.) în care se introduce bobinajul indus.

– Colectorul este format din lamele de cupru de secțiune trapezoidală, izolate între ele cu plăci de micanită și izolate față de piesele de strângere.

– Bobinajul indus este format din bobine executate din conductoare izolate de cupru, introduse în crestăturile pachetului de tole, capetele fiind lipite la colector.

– Ventilatorul este prevăzut la unele mașini pentru, a realiza o circulație de aer necesară răcirii motorului.

Cruce portperii. Pe colector freacă periile pentru a face legătură electrică între bobinajul indus și cutia de borne. Periile se execută din praf de cărbune, grafit sau praf de cupru prin presare. Periile sunt montate în casete metalice, numite portperii, care sunt fixate de o piesă de fontă sau oțel, denumită colierul sau crucea portperii.

Scuturile și lagărele au rolul de a permite montarea rotorului în interiorul statorului și rotirea lui. În partea centrală a scuturilor sunt montați rulmenți sau mai rar lagăre de alunecare.

Cutia de borne este montată de regulă pe carcasă și are în interiorul ei placa de borne, prevazută cu borne de oțel sau alamă. La aceste borne se fac legăturile electrice din interiorul motorului și lagărele electrice la rețeaua electrică.

Principiul de funcționare

Motorul de curent continuu transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Motorul de curent continuu prezintă o serie de avantaje, cum ar fi posibilitatea reglării vitezei în limite largi și posibilitatea schimbării sensului de rotație, relativ simplu.

Funcționarea motorului (fig. 1.3) se bazează pe fenomenul de apariție a forței electromagnetice care acționează asupra unui conductor parcurs de curent și situat în câmp magnetic.

În cazul mașinii de curent continuu ce funcționeză ca motor este necesar să fie alimentată cu tensiune continuă atât înfășurarea de excitație cât și înfășurarea rotorică.

Înfășurarea de excitație este conectată la o sursă de tensiune continuă, care nu a fost reprezentată în figură. Ca urmare, prin înfășurările polilor de excitație va trece curentul având sensul reprezentat în figură. Curentul creează câmpul magnetic de excitație; sensul acestui câmp s-a reprezentat prin vectorul de inducție magnetică .

Înfășurarea rotorică este alimentată prin intermediul sistemului perii-colector, de la sursa de tensiune continuă . Prin conductoarele înfășurării rotorice circulă curentul , pentru care sa considerat sensul reprezentat în figură.

Conductoarele înfășurării rotorice sunt parcurse de curentul continuu și se găsesc în câmp magnetic constant de inducție creat de curentul . Ca urmare a acestui fapt, asupra conductoarelor care formează înfășurarea rotorică vor acționa forțe electromagnetice , al căror sens se poate determina cu regula mâinii stângi. Rezultă că asupra conductoarelor situate în dreptul polului nord acționează forțe orientate de la stânga spre dreapta, iar asupra conductoarelor situate în dreptul polului sud forțe orientate de la dreapta spre stânga.

Forțele electromagnetice , produc un cuplu , denumit cuplu electromagnetic, care acționează asupra rotorului.

În timp ce rotorul se roteste sub acțiunea cuplului electromagnetic , în mașină se manifestă și fenomenul de inducție electromagnetică, deoarece conductoarele care formează înfășurarea rotorică sunt deplasate în câmpul magnetic creat de curentul de excitație. Ca urmare conductoarele înfășurării rotorice se va induce o tensiune , denumită tensiunea contraelectromotoare, deoarece polaritatea inversă tensiunii de alimentare a înfășurării rotorice . Polariteatea tensiunii contraelectromotoare se poate determina cu regula mâinii drepte. Rezultă că sensul curentului pe care l-ar genera această tensiune prin conductoarele înfășurării rotorice, sens care a fost reprezentat în fig. 1.3 lângă conductoarele înfășurării rotorice. Se consideră că acest curent are un sens invers față de curentul generat în înfășurarea rotorică de către sursa de alimentare . Astfel rezultă că tensiunea contraelectromotoare indusă în înfășurarea rotorică are polaritatea inversă tensiunii de alimentare .

În fig. 1.4 este reprezentată schema echivalentă a circuitului rotoric al motorului de curent continuu, în care s-a notat cu rezistența înfășurării rotorice și cu rezistența contactelor perie – colector. Din schema echivalentă, prin aplicarea legii lui Ohm și neglijând rezistența internă a sursei de alimentare , se va obține relația:

care reprezintă ecuația tensiunilor pentru înfășurarea rotorică.

Acestă ecuație se mai poate scrie și sub forma:

Din ecuația (1.3) rezultă că în momentul pornirii motorului, deoarece tensiunea contraelectromotoare este nulă atât timp cât rotorul stă pe loc, curentul prin înfășurarea rotorică devine:

și poate atinge valori mari care să ducă la arderea înfășurării rotorice. De aceea, la motoarele de curent continuu se conectează în serie cu sursa de alimentare un reostat, care în momentul pornirii motorului să aibă o rezistență maximă pentru a limita curentul prin înfășurarea rotorică.

Ecuațiile motorului de curent continuu. Stabilitatea funcționării.

O mașină de curent continuu funcționează ca motor, când primește pe la borne putere electrică și cedează la arbore puterea mecanică. Ca și generatorul, după excitație motoarele se clasifică în: motoare cu excitație derivație, cu excitație serie și cu excitație mixtă.

Dacă cuplul mecanic la arbore din activ devine cuplu rezistent, turația rotorului scade și curentul debitat schimbă de semn , așa încât mașina absoarbe putere electrică din rețea. La inversarea sensului curentului prin conductoarele indusului, forța tangențială electromagnetică schimbă de sens și cuplul electromagnetic din rezistent devine motor, acționând în sensul rotației. Scăderea turației și creșterea corespunzatoare a curentului absorbit și cuplului electromagnetic motor, au loc pin ace cuplul electromagnetic echilibrează cuplul rezistent util la arbore la care se adaugă și cuplul de pierderi ; ecuația de echilibru a cuplurilor la funcționarea mașinii de curent continuu ca motor în regim staționar, capătă forma:

Ținând cont de sensurile cuplurilor ce intervin este de forma:

unde

este cuplul rezistent total, iar în regim staționar trece în (1.5).

Un motor funcționează stabil la turația în care dacă la orice modificare întâmplătoare a turației, apare un cuplu dinamic ce determină revenirea în punctul inițial de funcționare. Fie în fig. 1.5, a, punctul de intersecție al caracteristicilor ,
și turația corespunzătoare regimului staționar. Dacă întâmplător , se strică echilibrul cuplurilor, , apare ca urmare un cuplu dinamic de frânare al motorului , ce determină revenirea în punctul ; dacă invers, , rezultă și motorul este accelerat. Această observație se traduce matematic prin condiția ca tangentele în la cele două caracteristici să îndeplinească condiția:

În Fig. 1., b nu este îndeplinită condiția relației (1.8), funcționarea în este instabilă.

Notând că la generator cu puterea absorbită (de această dată puterea electrică) și cu puterea utilă (la arbore), din bilanțul energetic stabilit analog se obțin pentru un motor derivație, relațiile:

și pe această bază se determină randamentul .

La funcționarea motorului se face asocierea sensurilor pozitive corespunzător receptorului (Fig. 1.) și ecuația de tensiuni pentru circuitul rotire devine

În regim staționar și

Cuplul motoarelor de curent continuu

Aplicându-se tensiunea la bornele unui motor de curent continuu prin înfășurarea indusului va circula curentul (fig. 1.7).

Prin interacțiunea dintre câmpul inductor și curentul din indus, iau naștere forțele electromagnetice , tangente la indus, care produc asupra indusului un cuplu , denumit cuplu electromagnetic. Acest cuplu pune în mișcare rotorul în sensul săgeții și, prin rotirea indusului se induce în înfășurarea rotorului o t.e.m. , al cărei sens, după regula mâinii drepte, este invers decât sensul curentului ce circulă prin înfășurare.

Motorul absoarbe de la rețea puterea . Scăzând din aceasta pierderile în cupru în bobinajele de excitație , și pierderile în cupru în bobinajul induslui , rezultă puterea electromagnetică:

Notându-se cu viteza unghiulară a induslui: puterea electromagnetică se mai poate scrie: .

Rezultă valoarea cuplului electromagnetic:

în care făcându-se înlocuirile , și , rezultă:

Notându-se cu rezultă:

adică cuplul electromagnetic este proporțional cu fluxul și curentul din indus.

Pierderile și randamentul motorului de curent continuu

Dacă din puterea electromagnetică se scad pierderile în fier produse în pachetul de tole al induslui și pierderile mecanice, se găsește puterea utilă:

Acestă putere se poate scrie și sub forma:

în care este cuplul util la arborele mașinii. Este evident că , însă neglijându-se pierderile mecanice și în fier se poate scrie .

Notând cu suma pierderilor, rezultă că randamentul motorului de curent continuu este:

Caracteristicile motorului de curent continuu

Funcționarea unui motor de curent continuu este definită de caracteristicile de pornire, funcționare, frânare și de reglare a turației.

Caracteristicile de pornire

În procesul pornirii interesează curentul absorbit, cuplul electromagnetic dezvoltat și modul lor de variație în timp, variația vitezei și durata pornirii, economicitatea pornirii.

La motoarele de curent continuu, curentul în indus nu trebuie să depășească de
2 – 2,5 ori curentul nominal, nici chiar în timp scurt, deoarece – în caz contrar – comutația s-ar înrăutăți foarte mult.

La pornire, când , , iar din relația , rezultă curentul de pornire.

Acest curent depășește de 20 – 50 de ori curentul nominal, deci nu este admisibil pentru motor și nici rețeaua care alimentează motorul.

Reducerea curentului de pornire se poate face:

Prin reducerea tensiunii aplicate U.

Această metodă se poate aplica numai dacă tensiunea U poate fi reglată după voie, cu o instalație specială. Deoarece fluxul trebuie să fie constant și cât mai mare, pentru a nu schimba valoarea fluxului odată cu variația tensiunii aplicate, motorul trebuie să aibă excitație separată.

Prin introducerea în circuitul principal al motorului a reostatului de pornire .

Curentul de pornire devine, prin alegerea convinabilă a lui :

Această metodă se aplică la motoarele alimentate de la rețele cu tensiune constantă. Pe măsură ce turația motorului este în creștere, la fel și tensiunea electromotoare , iar curentul absorbit de motor scade; reostatul poate fi treptat scos din circuit astfel încât la sfârșitul pornirii el să fie scurtcircuitat.

Caracteristicile de funcționare

Aceste caracteristici definesc comportarea motorului în procesul de funcționare. Ele sunt reprezentate de relațiile , , la care se adaugă caracteristica de turație , și caracteristica mecanică ridicate cu păstrarea constantă a tensiunii de alimentare și rezistențelor din circuitele motorului.

Caracteristicile motorului derivație

Caracteristicile unui motor derivație sunt reprezentate în Fig. 1.8. Alura caracteristicii sunt reprezentate prin una din curbele 1, 2, 3 și se justifică în baza relației:

La creșterea puterii cedată la arbore de motor instalației antrenate, crește curentul indusului și căderea de tensiune pe rezistența înfășurării, ce determină o reducere a turației de la mersul în gol, deoarece la mersul în gol turația motorului , este dependentă de tensiunea la borne și fluxul polar al mașinii.

Cu cât tensiunea de alimentare este mai mare și fluxul polar mai mic, turația ia valori mai mari. Se pot obține două familii de caracteristici ridicate pentru diverse valori și aceeași tensiune de alimentare , respectiv la diverse valori și același flux polar .

Caracteristicile motorului serie

Curbele caracteristice sunt reprezentate în fig. 1.9. Caracteristica se datorează tot prin intermediul relației (1.22). La mici sarcini și dacă se neglijează căderea de tensiune pe rezistența motorului, , turația variază cu sarcina (și deci aproximativ și cu puterea utilă ).

La curenți de sarcină mari, motorul se saturează, fluxul rămâne practic constant și caracteristica capătă forma unei drepte. La sarcini mici, pentru care rezultă deci practic proporțional cu pătratul puterii utile .

La turații mai mici motorul dezvoltă un cuplu electromagnetic și din acest motiv și-a găsit utilizare în tracțiunea electrică și în acționările cu porniri grele; de observat că la sarcini mici turația poate justifica valori nepermis de mari și prin urmare motorul serie nu trebuie lăsat să funcționeze în gol.

Caracteristicile motorului mixt (compund)

Ca și generatorul mixt, motorul mixt are două înfășurări de excitație. De obicei una din înfășurări este principală, cealaltă legată adițional sau diferențial (compund sau anticompund), jucând rol de corecție a formei caracteristicilor, ce se plasează între cele ale unui motor derivație și serie. În Fig. 1.11. prin 1 este reprezentată caracteristica mecanică a unui motor derivație. Un motor cu excitație mixtă cu înfășurarea derivație preponderentă, la conectarea adițională a înfășurării serie, prezintă caracteristica mecanică mai puțin rigidă reprezentată de curba 2, iar la conectarea diferențială caracteristica 3, în general nefavorabilă întrucât conduce la funcționări instabile. Dacă din contră înfășurarea serie este preponderentă, caracteristica mecanică devine moale ca și a unui motor serie (curba 4).

Se constată că prin două înfășurări de excitație serie și paralel, potrivit diminsionate și conectate se poate obține o formă a caracteristicii mecanice impusă de instalația antrenată și din acest motiv motorul mixt este destul de larg utilizat în practică.

Caracteristicile de reglare a vitezei

Motoarele de curent continuu are avantajul de reglare în limite largi față de cele de curent alternativ. Aceste avantaje compensează necesitatea conectării la o rețea de curent continuu, mai puțin răspândită și motoarele de curent continuu sunt larg utilizate în cele mai variate domenii.

Viteza de rotație a motorului are expresia:

Conform relației, viteza de rotație poate fi reglată fie prin variația tensiunii aplicate , fie prin variația fluxului .

Reglarea prin variația tensiunii U. Dacă fluxul este constant, viteza variază proporțional cu tensiunea aplicată.

Acest mijloc se poate aplica doar la motorul practic cu excitație separată, la care alimentarea motorului se poate face de la o sursă cu tensiunea variabilă, obținându-se un reglaj foarte larg al turației, de la valori relativ mici la turația nominală.

Variația tensiunii se poate obține și prin montarea în circuitul principal al unui reostat suplimentar, însă metoda nu este economică, producându-se pierderi importante în reostat și obținându-se un reglaj mic al turației, de 15 – 20% sub turația nominală.

Reglarea prin variația fluxului Φ se face cu ajutorul reostatului de excitație. Viteza variază invers proporțional cu fluxul, deci cu curentul de excitație.

Prin această metodă se obține nu reglaj al turației de la valoarea nominală în sus până la 2 – 3 ori turația nominală.

Caracteristicile de frânare

La acționarea electrică a unor mecaniseme, apare necesitatea frânării mecanismului, fie pentru micșorarea vitezei, fie pentru menținerea constată a vitezei mecanismului care este sub acțiunea unui cuplu exterior.

Metodele principale de frânare sunt: 1. recuperativă, 2. contracurent, 3. dinamică (reostatică).

Frânarea recuperativă se utilizează atunci când motorul este antrenat de către mecanismul acționat, la o turație ce depășește turația în gol a motorului. Astfel de situație apare de exemplu la un vehicul acționat electric (locomotiva electrică, tramvai etc.) care coboară o pantă. Acestă metodă se utilizează cu avantaje în zonele de deal și munte: dacă turația motoarelor ce acționează vehiculul la coborârea unei pante, , acestea trec în regim de generator și cedează în rețea energie electrică pentru motoarele unui vehicul ce urcă, descărcând astfel în bună masură de putere, centrala electrică de alimentare. Frânarea prin recuperare este cea mai economică metodă, însă poate fi utilizată numai la turații mari (nu se poate realiza oprirea motorului).

Frânarea prin contracurent constă în inversarea conexiunilor la bornele motorului alimentat de la rețea. La acestă metodă, energia cinetică a mecanismului și energia primită de la rețea se transformă în căldură în motor, obținându-se o frânare puternică, sensul de rotație putându-se inversa, dacă mașina nu este deconectată la timp de rețea.

Frânarea dinamică (reostatică) se obține decuplând motorul de la rețea și legând la bornele sale un reostat. Mașina funcționează ca generator, care transformă energia primită de la mecanism, în energie debitată în reostat. Efectul de frânare se micșorează pe măsură descreșterii turației, așa încât nici cu această metodă nu se poate obține decât frânarea până la turații mici. Metoda este larg utilizată în practică, de exemplu la vehicule acționate electric.

Clasificarea motoarelor de curent continuu

Motoarele de curent continuu, din punct de vedere al modului de alimentare a înfășurării de excitație pot fi:

motoare de curent continuu cu excitație separată;

motoare de curent continuu cu excitație derivație;

motoare de curent continuu cu excitație serie;

motoare de curent continuu cu excitație mixtă.

La motoarele de curent continuu cu excitație separată (fig. 1.12) sunt utilizate două surse de tensiune continuă pentru alimentarea înfășurării de excitație și a înfășurării rotorice. La acest motor curentul prin înfășurarea rotorică este egal cu curentul de alimentare, . Pornirea motorului se face prin reglarea tensiunii de alimentare , valoarea acestei tensiuni reglându-se treptat de la o valoare foarte mică până la o valoare nominală. Turația motorului se reglează cu reostatul .

La motorul de curent continuu cu excitație derivație (fig. 1.13) înfășurarea de excitație este conectată în derivație cu înfășurarea rotorică.

Reostatul conectat în serie cu înfășurarea rotorică este utilizat pentru limitarea curentului la pornire, iar reostatul conectat în serie cu înfășurarea de excitație este utilizat pentru reglarea turației. Între curenții de circuit există următoarea relație:

La motorul cu excitație serie (fig. 1.14) înfășurarea de excitație este conectată în serie cu înfășurarea rotorică. Reostatul este utilizat pentru limitarea curentului la pornire, iar reostatul , conectat în derivație cu înfășurarea de excitație, este utilizat pentru reglarea tureției motorului. Între curenții din circuit există relația următoare:

Motorul cu excitație mixtă (fig. 1.15) are două înfășurări de excitație, o înfășurare de excitație fiind conectată în serie, iar cealaltă în derivație, cu infășurarea rotorică. Reostatul este utilizat pentru limitarea curentului la pornire, iar reostatul , conectat în serie cu înfășurările de excitație derivație, este utilizat pentru reglarea turației motorului. Din figură rezultă că intensitatea curentului de alimentare este dată de relația:

Motorul cu excitație mixtă poate fi cu excitație adițională (cele două fluxuri de excitație au același sens și se însumează) sau cu excitație diferențială (cele două fluxuri de excitație au sensuri contrare și se scad).

Tensiunea electomotoare indusă într-o cale de curent a rotorului unui motor de curent continuu se calculează cu relația:

unde: reprezintă numărul de perechi de poli; – numărul de perechi de căi de curent; – numărul de conductoare active ale rotorului; – turația rotorului, exprimată în rot/min; – fluxul magnetic inductor al unui pol, exprimat în Wb; – coeficinet de proporționalitate.

CAPITOLUL II. SERVOMOTOARE ELECTRICE

Noțiuni de bază

În categoria servomotoarelor electrice sunt incluse motoarele de curent continuu și curent alternativ, care în sistemele de reglare automată joacă rol de elemente de excitație; la primirea unui semnal electric (la aplicarea unei tensiuni de comandă).

De regulă, semnalul de comandă este de putere mică, încât alimentarea servomotorului SM (fig. 2.1) se asigură de la un amplificator de putere A ; prin intermediul unui reductor de turație, servomotorul antrenează sarcină S.

Ansamblul servomotor, reductor, sarcină și elementul de amplificare (cu sau fără perii), constituie un mecanism de execuție sau servomecanism. Servomotoarele prezintă caracteristici mecanice diverse și sunt de puteri, turații și frecvențe variind în limite largi. În accepția uzuală, termenul de servomotor privește motoare de putere mică (sub 1 kW) din sistemele automate, la care este posibil reglajul de turație. La puteri de ordinul waților și sutelor de wați sunt preferate servomotoarele de curent alternativ, peste aceste puteri se utilizează servomotoarele de curent continuu.

Condițiile de funcționare fiind altele decât pentru motoarele obișnuite (trebuind să raspundă cu precizie la semnalul de comandă aplicat), ele necesită o realizare tehnologică aparte. Se dă atenție asigurării simetriei circuitului magnetic, prelucrării suprafețelor, asigurării rigidității mecanice mai ales la viteze ridicate (servomotoarele pot lucra la viteze de până la 100 00 rot/min) etc.

În calculele de proiectare având în vedere carcaterul de masă al producției de servomotoare, alături de caracteristicile de funcționare ce trebuiesc satisfăcute, se au în vedere și considerente economice (alegerea solicitărilor electromagnetice și soluțiilor constructive astfel, încât consumul de materiale active și în consecință de prețul de cost, să fie reduse).

Indiferent de tipul , de curent continuu sau curent alternativ, pentru o funcționare corespunzătoare, servomotorul trebuie să permită un reglaj în limite largi și stabil de turație, să dezvolte un cuplu de pornire cât mai mare posibil și doar în prezența semnalului de comandă, să aibă viteză mare de răspuns și putere de comandă redusă, carcacteristici mecanice lineare, construcție robustă, preț de cost redus etc. Aceste criterii se au în vedere când se dimiensionează sau se alege un servomotor.

Pe lângă servomotoarele electrice, în sistemele automate sunt frecvent folosite servomotoarele pneumatice și hidraulice. Ele se caracterizează prin gabarite reduse și o funcționare sigură, în schimb necesită o tehnologie de excuție pretențioasă.

Servomotoarele de curent continuu

Elementele constructive de bază sunt cele de la o mașina normală de curent continuu. Câmpul inductor este produs prin intermediul unei înfășurări de excitație, plasată pe poli realizați de regulă din tablă ștanțată și fixați prin buloane într-o carcasă din țeavă de oțel, ce joacă rol de jug statoric. Colectorul se realizează frecvent prin presarea lamelelor în material plastic, ce asigură și rigiditatea mecanică și distanțele de izolație. La micromașinile de mare viteză se iau măsuri speciale de consolidare a lamelelor în butucul de material plastic.

Pentru a corespunde cerințelor legate în principal de viteza răspunsului la semnalul de comandă, se aleg soluții constructive diferite de cele adoptate pentru mașinile clasice. Astfel, servomotoarele de puteri mici (de originea waților) se realizează cu rotorul în formă de pahar (fig. 2.2) la care înfășurarea induslui se plasează pe un cilindru izolant 1. Prin separarea de miezul feromagnetic rotoric 2 ce ramine fix, servind doar la închiderea câmpului magnetic al mașinii, momentul de inerție al rotorului redus la paharul ce poartă înfășurarea, scade sensibil. Ca urmare a întrefierului important dintre armăturile feromagnetice, (paharul ce susține înfășurările fiind din material plastic), puterea de excitație rezultă mai mare față de mașinile clasice.

O altă soluție constructivă de dată recentă, apelează la realizarea înfășurării indusului sub formă de circuite imprimate. Întrucât aceasta necesită o suprafață plană, rotorul capătă forma unui disc și mașina devine cu întrefier axial (fig. 2.3).

Circuitele imprimate se realizează pe discul izolant rotoric 1, astfel că înfășurarea obținută să respecte condițiile de simetrie impuse unei înfășurari de curent continuu.

Periile 3 calcă direct pe conductoarele neizolate ale indusului, încât dispare colectorul ca element distinct al mașinii, cu toate dezavantajele pe care le presupune.

Polii inductori 2 ai mașinii de obicei din magneți permanenți, sunt fixați într-o armătură feromagnetică în formă de disc. Sistemul inductor al mașinii se realizează din două astfel de armături, cu polii de nume contrar plasați față în față, dispuse astfel, încât între ele rotește discul izolant ce poartă înfășurarea imprimată a induslui. Câmpul străbate întrefierul în direcție axială și se închide prin discurile feromagnetice ce joacă rolul de juguri. În alte variante constructive se renunță la unul din discuri, fiind înlocuit cu un disc feromagnetic ce are rolul doar să închidă circuitul magnetic al mașinii.

În fig. 2.4 se indică principalul mod de realizarea al unei înfășurări ondulae. Laturile de dus și de întors ale bobinelor, orientate radial și realizate separat pe câte o față a discului.

În scopul realizării unor capete frontale cât mai scurte și în consecință a unei economii de material activ, înfășurarea induslui se execută de regulă pentru un număr mare de perechi de poli.

Avantajele principale ale acestei variante constructive sunt următoarele:

ca urmare a rotorii în întrefierul mașinii doar a discului izolat ce poartă înfășurarea induslui, ca și la rotorul în formă de pahar, scade sensibil momentul de inerție și corespunzător, crește viteza de răspuns a servomotorlui;

întrucât conductoarele ce compun înfășurarea induslui sunt neizolate și bine ventilate, se pot admite solicitări electrice ridicate (de zeci de ori mai mari) ce determină o reducere important a consumului de cupru;

absența colectorului. Întrucât înfășurarea induslui este separată de miezul magnetic, inductivitatea spirelor ce comută este de valori reduse, ceea ce determină o comutație bună, chiar și în condiții de suprasarcină și viteze mari;

există posibilitatea obținerii unor turații ridicate, pentru forma constructivă adoptă induslui comportând-se bine la forțele centrifuge;

construcția simplă a mașinii permite realizarea unor producții în bună parte automatizată;

ca urmare a utilizării raționale în ansamblu a materialelor active, servomotorul cu rotorul axial rezultă dimensiuni și preț de cost reduse etc.

Principalele dezavantaje decurg din forma constructivă particulară. Ca urmare a întrefierului axial important dintre armăturile feromagnetice, determinat de prezența discului nemagnetic, se obțin inducții în întrefierul relativ reduse, chiar în condițiile unui sistem inductor voluminos (indiferent de tipul de magneți permanenți sau electromagneți). Adică din punct de vedere tehnologic nu poate fi mărit prea mult numărul de spire al înfășurării imprimate, rezultă că în aceste condiții tensiunile de alimentare ale indusului se obțin de valori mici, neconvenabile.

Având în vedere avantajele, servomotoarele cu întrefier axial s-au impus și în momentul de față se construiesc pentru puteri până la ordinul kW.

Ecuațiile funcționale ale servomotoarelor de curent continuu

Analiza funcționării servomotoarelor de curent continuu se realizează pornindu-se de la setul de ecuații generale ce caracterizează mașina de curent continuu (fig. 2.5), în care pentru înfășurarea de excitație s-a utilizat indicile E, iar pentru înfășurarea rotorică indicile A. În fig. 2.6 sa prezentat schema de principiu a unui servomotor de curent continuu cu magneți permanenți, servomotor a cărui flux de excitație se presupune constant.

În cazul în care se utilizează magneți permanenți pentru excitație, în sistemul de ecuații de mai sus, intervine, în loc de , fluxul magneților permanenți (fig. 2.6).

Cuplul rezistent de sarcină plus frecări în mașină poate fi descompus în două componente și anume:

un cuplu ce înglobează toate frecările vâscoase în ansamblul servomotor – reductor – sarcină și care poate fi considerat egal cu , unde reprezintă coeficientul total de frecări vâscoase;

un cuplu static independent de viteză.

Ca urmare ecuația de echilibru dinamic poate fi rescrisă sub forma:

Ecuația de mai sus reprezintă o dependență liniară doar în domeniul vitezelor unghiulare mici, termenul liniar transformându-se, la viteze mari, într-un termen neliniar, deoarece cuplurile de frecări sunt proporționale cu viteza la o putere superioară.

Există trei posibilități de comandă a servomotorului de curent continuu: prin circuitul induslui, prin circuitul de excitație și pe ambele căi în cazul excitației serie. Cea mai performantă, sub raportul caracteristicilor obținute, este comanda prin circuitul indusului. Din aceste motive, în mod uzual se utilizează comanda prin circuitul induslui, iar comanda prin excitație fiind aplicată numai la servomotoarele de mică putere.

Observații. Avantajele utilizării servomotoarelor de curent continuu, se referă în principal la posibilitatea reglajului de turație relativ simplu și stabil, în limite largi, prin intermediul unor caracteristici mecanice practic lineare, la buna comportare în regim dinamic mai ales a servomotoarelor în construcție specială (cu rotorul în formă de pahar și rotor disc), la posibilitatea obținerii unor dimensiuni de gabarit reduse etc.

Printre dezavantaje se înscriu prezența colectorului ce necesită o ingrijire specială, posibilitățile mai restrânse de reglare la comanda prin circuitul de excitație, imposibilitatea sesizării schimbării semnului semnalului de comandă și introducerea unor caracteristici mecanice nelineare la servomotorul serie (din aceste motive puțin folosit), existența periilor care provoacă o creștere nedorită a frecărilor, prezența scânteilor la colector (sursa de paraziți radiofonici) etc.

Față de mașinile de construcție normală, servomotoarele de putere mare se realizează întrucât diferit. În vederea obținerii unei constante mecanice de timp cât mai mici, se urmărește reducerea pe cât posibil a diametrului exterior al rotorului. De asemenea pentru a putea prelua șocurile de sarcină, se execută cu arborele rotoric supradimensionat și comutației i se acordă o atenție particulară (la șocuri de curent de câteva ori curentul norminal, scânteierea la colector să fie admisibilă) prin prevederea de poli auxiliari, înfășurări de compensație etc.

Având în vedere avantajele prezentate, servomotoarele de curent continuu sunt larg folosite în schemele de reglare automată atât de mică cât și de mare putere.

CAPITOLUL III. STRUCTURĂ ȘI UTILIZARE TECHNOSOFT EASYMOTION STUDIO

Prezentare generală

TECHNOSOFT EasyMotion Studio

EasyMotion Studio este cea mai avansată platformă Windows IDE pentru configurarea și analiza aplicațiilor de acționare cu ajutorul familiei TECHNOSOFT Intelligent Servo Drive.

Fig. 3.1. Software-ul TECHNOSOFT EasyMotion Studio.

Caracteristici EasyMotion Studio:

Configurarea și controlul motorului, senzorilor de acționare și funcționare (prin componentele EasySetUp ale pachetului software-ului);

Definirea secvențelor acționării flexibile personale, care include:

Referințe moderne de acționare (Trapezoidal, S-Curve, profilul PVT);

Manipulare simplă de standarte sau digitale specific I/O;

Controlul deciziilor pe baza panoului de control;

Funcții, întreruperile utilizatorilor definiți, operații matematice, controlul fluxului programului.

Construirea automată a limbajului TECHNOSOFT Motion Language (TML), aplicații pentru structuri de axe unice sau multiple;

Analizarea și evaluarea regimului sistemului de acționare.

Configurare software EasySetUp

Programul EasySetUp este cea mai avansată platformă Windows IDE pentru configurarea noii generații de dispozitive servo din familia Technosoft Digital Servo Drives (IDM, IPS, IBL, ISCM, PIM, IM23x, IS23x, etc.).

Fig. 3.2. Configurare software EasySetUp.

EasySetUp definește următoarele operațiuni:

Operațiune de testare a componentelor cu motor (motor, acționare, senzor);

Identificarea parametrilor de pe motor, senzori și de sarcină;

Selectarea modului de operațiune (viteză sau controlul cuplului);

Analizarea și evaluarea comportamentului sistemului folosind modulul de înregistrare a datelor (logger module);

Utilizarea panoului de control/comandă pentru afișarea on-line a informațiilor privind starea sistemului.

Modul de utilizare TECHNOSOFT Intelligent Servo Drive/Motor

Odată ce ați obținut un dispozitiv TECHNOSOFT Intelligent Servo Drive/Motor și aveți programul EasyMotion Studio instalat, puteți efectua o pornire rapidă a sistemului, în scopul de a valida funcționarea corectă a tuturor componentelor de acționare (servo drive-ul, senzori etc.).

Procesul de utilizare constituie definirea anumitor pași prin construirea unei aplicații de acționare cu dispozitivele TECHNOSOFT Intelligent Servo Drive/Motor, începând de la conexiuni hardware, prin configurare și programare prin intermediului software-ului.

Se va lua în considerație un servo drive de tip TECHNOSOFT IDM640-8EI (fig.3.3) cu caracteristici ale reviziei firmware-ului I și platforma software EasyMotion Studio, pentru configurarea și programarea produsului Technosoft OEM.

IDM640-8EI

IDM240 și IDM640 sunt servo drive complet digitale cu amplificator încorporat cu puterea de 240/ 640 W.

Conectarea CAN permite să fie folosită axa într-o largă distribuire, deasemenea se poate folosi rețeaua multiplelor axe de până la 256 de axe.

Servo drive-ul este compatibil cu limbajul de programare Technosoft Motion Language (TML), IDM240 și IDM640 întipărește la conectare controlul acționării avansate și PLC – funcționalitate specifică.

Conectarea componentelor la IDM640-8EI

În scopul utilizării sistemului de acționare, trebuie furnizat în mod corespunzător dispozitivul IDM, conectat cu motorul și senzorii, precum și cablul serial de la unitatea PC (fig. 3.4).

Fig. 3.4. Conectarea componentelor la IDM640-8EI.

Conectați fazele motorului la conectorul J2 al IDMx40.

Conectați cablul serial între conectorul J4 al portului IDMx40 și portul COM al PC-ului.

În cazul în care semnalele de intrare/ieșire sunt utilizate în configurație, sau o placă I/O ca IOIDx este disponibilă, conectați-l la conectorul J9 al IDMx40.

Verificați setările comutatorului DIP.

Dispozitivul va avea următoarele setări:

Normal operation (D1:OFF).

RS-232 mode (D2:OFF).

External mode (D8:OFF).

5. Conectați firele dispozitivului între conectorul J2 al IDMx40 și sursa de alimentare (OPRITĂ!).

6. Porniți calculatorul (PC) apoi alimentați dispozitivul conectat la IDMx40 de la sursa de curent. Lansați programul EasyMotion Studio (ESM) din meniul start sau desktop pentru a începe utilizarea sistemului.

Crearea unui proiect în EasyMotion Studio

Lansați programul EasyMotion Studio (ESM) utilizând meniul Start → Programs → EasyMotion Studio → EasyMotion Studio (fig. 3.5). Faceți clic pe EasyMotion Studio (ESM). Se va afișa dialogul de deschidere a programului. În cazul în care conexiunea cu placa este stabilită și funcționează în mod corespunzător, servo drive-ul este identificat în mod automat.

Fig. 3.5. Lansare program EasyMotion Studio.

EasyMotion Studio (ESM) se va deschide într-o fereastră nouă unde veți putea crea un nou proiect sau deschide un proiect creat anterior. În cazul în care conexiunea cu dispozitivele sunt stabilite, în partea de jos a ferestrei va apărea textul „Online”, „Axis ID” al dispozitivului și versiunea „Firmware” (fig. 3.6).

Apăsând butonul “New” se va deschide o fereastră pentru crearea unui proiect nou, în care faceți clic iarăși pe butonul “New” și veți selecta IDM640-8EI → BRUSHLESS MOTOR → Incremental Encoder (fig. 3.7).

După selectarea drive-ului corespunzător (în cazul acestui tutorial IDM640-8EI) pentru crearea unui nou proiect, EasyMotion Studio (ESM) automat va crea prima aplicație. Pentru început atât noul proiect cât și prima aplicație sunt numite “Untitled”, aplicații suplimentare pot fi adăugate și mai târziu. Fiecare dintre aceste aplicații reprezintă un sistem de acționare pentru o singură axă.

Pentru crearea proiectului veți avea două componente care sunt:

S Setup – Date de configurare descărcate în EEPROM.

M Motion – Programul de acționare.

Pentru a accesa configurările aplicației veți face clic pe S Setup. În Panoul “Setup” puteți crea noi setări ale aplicației, importa setările salvate anterior, încărca din drive/motor, vizualiza sau schimba configurările selectate, descărca sau salva configurări.

Setările motorului

Se pot efectua mai multe tipuri de setări, permițându-vă să verificați corectitudinea unor parametri a motorului, funcționarea corectă a senzorilor existenți ca encoder, precum și conectarea motorului la dispozitiv. În scopul efectuării acestui proces puteți folosi căsuța “Guidline Assistant”, în care procesul este descris pas cu pas (fig. 3.8).

Fig. 3.8. Fereastra de setări ale motorului.

1. Alegeți un motor de la una dintre bazele de date disponibile. Mai întâi selectați “baza de date (database)”, apoi “Motorul (motor)” corespunzător.

2. Verificați valorile de la curentul nominal și curentul maxim (acestea sunt date de catalog ale motorului), dacă este necesar se pot modifica. Utilizați instrumentul “Motor Phase Connection Test” pentru a verifica conexiunea fazelor motorului la dispozitiv. Faceți clic pe butonul “Test Phase Connections”, pentru a vedea modul în care funcționează.

3. Verificați numărul de perechi de poli a motorului (acestea sunt date de catalog ale motorului). Utilizați “Motor Pole Pairs Detection Test” pentru a determina sau a verifica numărul de perechi de poli. Apăsați butonul “Detect Number of Pole Pairs” pentru a vedea modul în care funcționează.

4. Verificați valoarea constantă a cuplului conform datelor de catalog ale motorului.

5. Verificați valoarea rezistenței și inductanței. Utilizați instrumentul “Total Resistance and Inductance Identification Test” pentru a detecta automat acești parametri. Faceți clic pe butonul “Identify Resistance and Inductance” pentru a vedea modul în care funcționează.

6. Verificați valoarea momentului de inerție totală a motorului (dacă acestă valoare nu vă este cunoscută bifați căsuța “Motor inertia is unknown”).

7. Selectați înfășurarea motorului “Stea” sau “Triunghi”.

8. Specificați numărul de linii. Dacă nu sunteți siguri de acest parametru utilizați instrumentul de verificare “Encoder Resolution And Direction Test”. Faceți clic pe “Detect Number of Lines”, pentru a urmări modul în care operează.

9. Bifați căsuța “Hall sensors”, dacă motorul include senzori Hall. Utilizează butonul “Test Connections” pentru a verifica modul în care opereaza senzorii Hall.

10. Verificați temperatura, doar în cazul în care motorul are un senzor de temperatură. Selectați tipul de senzor: NTC sau PTC.

11. Selectați tipul și raportul de transmisie dintre motor și sarcină.

Salvați modificările apăsând butonul “Drive Setup” pentru a trece la setările dispozitivului (drive-ului).

Setările dispozitivului (drive)

În fereastra Drive Setup puteți configura dispozitivul (drive-ul) pentru aplicația care o creezi. Utilizați această fereastră de dialog numai după ce ați introdus datele de motor și senzori în fereastra de setare a motorului (Motor Setup). Fereastra Drive Setup este însoțită de o serie de teste având drept scop de a determina o parte a parametrilor de acționare și pentru a valida comprtamentul sistemului în ansamblu. În fig. 3.9 este reprezentată fereastra de setare și pașii de urmare a parametrilor dispozitivului servo drive. Fiecare pas îl puteți urmări și din căsuța de ajutor „Guidline Assistant”.

Fig. 3.9. Fereastra de setări a dispozitivului (drive-ului).

1. Selectați operațiunea de control:

Position – Poziția;

Speed – Viteza;

Torque – Cuplul.

Având una din poziții selectate, faceți clic pe butonul “Advanced” pentru a deschide fereastra cu opțiuni avansate.

2. Selectați metoda de comutare:

Sinusoidal – Motorul este tratat ca un PMSM (motor sincron cu magnet permanent) și este controlat cu ajutorul unui vector FOC (principiul orientării după câmp).

Trapezoidal – Motorul de curent continuu fără perii este controlat cu ajutorul sezorilor Hall utilizați pentru comutare.

3. Setați parametrii de referință:

Yes – Dispozitivul preia referința dintr-un dispozitiv extern.

No – Referința este stabilită numai de către generatorul de referință internă.

Apasați pe butonul “Setup” pentru a selecta tipul de referință și parametrii lui.

4. Setați parametrii operaționali ale dispozitivului:

Power supply – Tensiunea de alimentare cu energie electrică

Current limit – Limita maximă de curent utilizată de dispozitiv pentru controlul asupra motorului.

5. Setați parametrii regulatorului de curent Kp (proporțional) și Ki (integral).

6. Setați parametii regulatorului de viteză Kp (proporțional) și Ki (integral).

7. Setați parametrii regulatorului de poziție Kp (proporțional), Ki (integral), Kd filter (coeficientul de filtrare pentru termenul derivat).

8. Selectați protecțiile pe care doriți să le activați în timpul acționării. Pentru o primă evaluare, utilizați setările implicite.

9. Specificați prezența rezistorului de frânare (în cazul în care este conectat).

10. Setați polaritatea intrărilor:

Enable – Când intrarea este selectată, dispozitivul este activ. Pentru a executa acest proces, nivelul activ trebuie să fie selectat “Enabled after power on”.

Limit switch(+/-) – Când oricare dintre aceste două intrări sunt selectate, dispozitivul va intra în modul de oprire rapidă.

11. Selectează modul de pornire “Start Mode”.

Move till aligned with phase A – Setați valoarea curentă utilizată în timpul pornirii motorului și timpul necesar pentru a stabiliza după alinierea pe fiecare fază.

Direct, using Hall sensors – Poate fi în cazul în care motorul este echipat cu senzori Hall.

12. Selectează Axis ID-ul pentru dispozitiv (opțiune implicită fiind Axis ID 255).

După implementarea acestori parametri setarea dispozitivului va fi finisată. Faceți clic pe butonul OK, pentru a salva setările și a reveni la fereastra principală a aplicației.

Acum după ce toate setările au fost definite și ne-am reîntors la fereastra principală a aplicației v-om merge la pasul următor în care trebuie să descărcăm toate date de configurare în memoria EEPROM, apăsând pe butonul “Download to Drive/Motor” (fig. 3.10). La fiecare pornire datele de configurare sunt copiate în memoria RAM al dispozitivului (drive-ului), care este utilizat în timpul rulării.

Fig. 3.10. Download to Drive/Motor.

Odată ce datele de configurare sunt descărcate în dispozitiv (drive/motor), v-om continua cu partea programării a aplicației. Selectați “M Motion” pentru a accesa secțiunea principală a programului TML (Technosoft Motion Language). Pentru a vă ajuta să creați un program TML, platfoma EasyMotion Studio vă este disponibilă prin instrumente ajutătoare aflate în bara de sus și în bara din dreapta a secțiunii (fig. 3.11). Fiecare buton din bara de instrumente deschide o nouă fereastră de programare.

Fig. 3.11. Secțiunea programului TML (Technosoft Motion Language).

Pentru a reprezenta prima moțiune a acestei aplicații și a rulării programului precum și a echipamentului, deschidem dialogul “S-Curve Profile” pentru implementarea unor setări corespunzătoare. Programul TML va genera automat codul de rulare, care va fi reprezentat pe poziția “Main” a ferestrei. După această operațiune v-om deshide dialogul “Trapezoidal Profiles”, care ne permite să programăm o poziție sau profil de viteză într-o formă trapezoidală. Selectăm profilul “Speed” (fig. 3.12).

Fig. 3.12. Trapezoidal Profiles.

Fig. 3.13. Codul de rulare a programului TML (Technosoft Motion Language).

Aplicația este complet finisată (fig. 3.13), din acest moment puteți executa programul TML, apăsând butonul RUN , din bara de instrumente EasyMotion Studio (ESM).

În timp ce acționarea a fost executată, parametrii de acționare au fost stocați în memoria locală a dispozitivului.

Pentru afișarea datelor, apelați la funcția “Logger”, deplasați cursorul în bara de instrumente EasyMotion Studio (ESM) spre butonul LOGGER . Faceți clic dreapta pentru a deschide meniul de comandă, deplasați cursorul și faceți clic pe “Upload Data” sau apelați la tasta F10 (fig. 3.14).

Fig. 3.14. “Upload Data”. Funcția Logger.

Odată ce datele au fost încărcate, puteți evalua, mări sau salva pentru o analiză ulterioară (fig. 3.15).

Fig. 3.15. Reprezentarea datelor stocate. Funcția Logger.

În cazul în care doriți să schimbați anumiți parametri, va trebui pur și simplu să deschideți din nou fereastra principală a programului TML și să introduceți datele necesare.

Acestea sunt concluziile privind evaluarea unui proiect pe baza programului TECHNOSOFT EasyMotion Studio (ESM).

CAPITOLUL IV. REALIZAREA UNEI APLICAȚII SOFTWARE PENTRU ANALIZA PARAMETRILOR DE FUNCȚIONARE AL MOTORULUI DE CURENT CONTINUU

Descriere funcțională, părți componente

Se vor lua în considerație următoarele părți componente:

1. Două servo drive-uri pentru motoare de c.c. tipul TECHNOSOFT IDM640-8EI cu comunicație CAN încorporată. Tensiunea de alimentare a servo drive-ului este de 24 VDC și pentru motor de 80 VDC. Are rolul de a alimenta motorul cu tensiune variabilă. Tensiunea de ieșire 0 – 80 VDC.

2. Două motoare de c.c. identice, prevăzute cu encoder rotativ incremental.

Date de catalog ale motoarelor:

Date de catalog ale encoderelor:

Fig. 4.1. Simulator proces reglare tensiune/cuplu.

Acest stand folosește 2 motoare de curent continuu identice, cu un cuplaj mecanic între ele. Un motor este folosit ca motor de antrenare (foto stânga), iar cel de-al doilea ca sarcină electrică (foto dreapta). Fiecare motor este acționat de către un servo drive. Alimentarea servo drive-uilor se face de la o rețea monofazată printr-o sursă de tensiune de 24 VDC, iar motoarele cu tensiunea de 80 VDC. Cablul de alimentare trece printr-o cheie aflată pe panou.

Motoarele sunt prevăzute cu encodere rotative, cu 3 faze, A, B, C și sunt preluate de către servo drive.

Instrucțiuni de operare

După punerea platformei sub tensiune prin acționarea cheii de alimentare, cele două sevo drive-uri se vor alimenta. Se verifică starea indicatoarelor digitale de pe fiecare drive. În caz de erori se verifică manualul de utilizare.

Servo driverele pot comanda motoarele în trei moduri de funcționare:

reglarea vitezei

reglarea cuplului

reglarea poziției

Ca mărimi de reacție, se folosesc curenții, tensiunile și pulsurile date de encodere

Aceasta machetă va folosi pentru motorul de antrenare metoda reglării vitezei menținând viteza la o valoare impusă și pentru motorul de sarcină metoda reglării cuplului prin două moduri: menținerea cuplului (curentului) la o valoare impusă sau prin aplicarea unei tensiuni impuse.

Mărimile măsurate se pot vizualiza pe grafice în timp real și anume: turații, curenți, cupluri și tensiuni. De asemenea se pot salva în fișiere mărimile măsurate.

Setări hardware

Figura de mai jos prezintă schița de conexiune, necesară pentru buna funcționare a standului.

Fig. 4.2. Schema de principiu a standului.

Pentru executarea/rularea aplicației este nevoie de un HOST PC conectat serial cu AXA 1. La rândul ei AXA 1 este conectată prin CAN cu AXA 2. Prin intermediul rețelei CAN, AXA 2 este controlată la nivelul HOST PC prin axa releu AXA 1. În acest mod, utilizatorul poate comanda sistemul multiax, ca pe o singură aplicație.

Legătura serială cu calculatorul (PC-ul)

Legătura cu calculatorul se face prin cablul serial atașat platformei.

Parametrii de configurare ai comunicației:

Rata de transfer: 115200

Paritate: none

Număr de biți de date: 8

Număr de biți de stop: 1

Acești parametrii sunt setați implicit, iar modificarea acestora nu este necesară. Portul de comunicație este COM 1, (posibilități: COM 1, COM 2, COM 3, COM 4).

Descrierea softului de monitorizare și configurare

Definiții, abrevieri și acronime

TML – Technosoft Motion Language (Limbaj de Mișcare al drive-urilor Technosoft);

DRIVE – dispozitiv de comandă prevăzut cu microprocesor și etaj de putere (invertor trifazat comandat în regim chopper);

CC – Curent continuu;

CAN – Controller Area Network, aici cu semnificația de suport fizic de comunicare între drive-re;

ESM – Easy Motion Studio, programul folosit pentru dezvoltarea și controlul aplicației;

ID – Identificator de rețea, număr unic alocat unei axe pentru a se putea realiza o comunicație de tip ,,point to point,, într-o rețea de tip CAN;

M1, M2 – motor;

E1, E2 – encoder.

Setări software

Pentru a putea funcționa în parametrii normali, următoarele considerente de ordin softaware, trebuiesc avute în vedere:

Mediul de dezvoltare și executare al aplicației este ESM. Este de preferat a se utiliza o variantă updatată la zi a acestui program (vezi Help/Check updates….menu);

Drive-urile, în acest caz IDM640-8EI trebuie să fie programate cu firmware-ul F000 revizia I;

Aplicația TML utilizată pentru controlul instalației, este Macheta_CC_v1.1;

Aplicația folosită este o aplicație de tip NETWORK MULTIAX, de aceea este nevoie ca axa motorului M1 să fie programată cu AXIS ID = 1, iar axa sarcină M2 să fie programată cu AXIS ID 2;

Pentru comunicație se folosește o conexiune serială de tip RS232. Pentru inițializarea corectă a comunicației seriale, parametrii trebuie setați ca în Error! Reference source not found.

Fig. 4.3. Parametrii de comunicație.

Conceptul motor

Programul care gestionează funcționarea standului este realizat pe baza a două aplicații TML:

Axa motor M1 – realizează setarea parametrilor necesari controlului axei folosite în regim de motor. De asemenea, această aplicație se ocupă de managementul comunicației pe CAN între cele două axe și conține panoul de control al întregii instalații;

Axa motor M2 – realizează setarea parametrilor necesari controlului axei folosite în regim de sarcină. Conține programul de control al sarcinii. Această aplicație se execută în regim de sclav pe comunicația CAN.

Panoul de comandă

Pentru gestionarea/controlul programului se folosește un singur panou de comandă împărțit în mai multe zone, fiecare dintre aceste zone având un scop precis în controlul instalației.

Zona 1 – control motor M1

Este folosită pentru a comanda motorul M1. Acest motor poate fi controlat în regim de PROFIL VITEZĂ sau în mod de CONTUR VITEZĂ. Pentru cazul în care se alege modul profil viteză, utilizatorul poate modifica comanda de viteză (CSPD) în accelerația/decelerația (CACC) motorului M1.

Fig. 4.4. Panoul de comandă pentru Macheta_CC_v1.1.

În modul PROFIL VITEZĂ motorul M1 funcționează după principiul din figura de mai sus (fig. 4.4):

Fig. 4.5. Modul de generare a referinței pentru PROFIL VITEZĂ.

În modul CONTUR VITEZĂ, se introduce o curbă v=f(t) prin intermediul unui meniu special destinat acestui scop. Curba de variație poate fi introdusă în două moduri:

Introducerea de perechi de puncte Timp – Referință utilizând interfața grafică.

2. Utilizând meniul de ,,Import from File,,. Se pot importa astfel fișiere *.txt exportate din EXCEL.

Butonul RESTART, este folosit pentru restartarea aplicației care controlează motorul M1. După apăsarea acestui buton, funcționarea motorului M1 este oprită indiferent de modul de funcționare în care se află (PROFIL sau CONTUR), programul fiind adus la parametrii de funcționare default.

Fig. 4.6. Modul de generare a referinței pentru CONTUR VITEZĂ.

Butonul OPRIRE este folosit pentru oprirea de urgență a motorului M1. În acest caz, pentru a se prevenii o eventuală distrugere a etajului de putere sau a motorului, programul nu este reinițializat. În urma apăsării acestui buton, etajul de putere al drive-ului este dezactivat. Rămâne activă numai comunicația. Pentru a reporni aplicația sunt posibile două acțiuni:

1. Se apasă butonul RESTART;

2. Se execută resetarea sursei de alimentare atât pentru logică cât și pentru forță.

Zona 2 – control sarcină M2

Este folosită pentru comanda motorului M2 folosit pe post de sarcină. Acest motor poate fi controlat în regim de CONTROL TENSIUNE în bucla deschisă sau în modul de CONTROL CURENT.

În modul CONTROL TENSIUNE motorul M2 este alimentat cu un nivel de tensiune continuă (rezultată în urma chopper-ii tensiunii VDC de alimentare a etajului de forță).

În acest mod, motorul M2 se comportă similar unui motor alimentat de la o sursă comandată de tensiune. Nivelul tensiunii se poate modifica oricând pe durata funcționării din slide-rul Nivel tensiune sarcină [V].

La apăsarea butonului TENSIUNE, aplicația de pe axa 2, va primi comanda de trecere în modul de comandă aferent și va impune de asemenea nivelul de tensiune pe valoarea 0. Acest lucru este făcut pentru a preveni aplicarea unei tensiuni mari în cazul în care sarcina nu se mișcă, ceea ce ar duce la apariția unor curenți mari la pornire.

În acest mod, ecuația de funcționare a mașinii este:

unde R, L, sunt rezistența respectiv inductivitatea motorului M2, U este tensiunea comandată din panoul de comandă, iar E0 este tensiunea electromotoare indusă.

În cazul pornirii, din 0, curentul prin motor va fi limitat doar la rezistența electrică R.

În modul CONTROL CURENT motorul M2 este controlat în bucla închisă cu un curent dat de valoarea slide-rului Nivel curent sarcină.

În acest mod, motorul M2 se comportă similar unui motor alimentat de la o sursă comandată în curent.

Nivelul curentului se poate modifica oricând pe durata funcționării din slide-rul Nivel curent sarcină [A].

La apăsarea butonului CURENT aplicația de pe axa 2, va primi comanda de trecere în modul de comandă aferent și va impune de asemenea nivelul de curent pe valoarea 0. Acest lucru este făcut pentru a preveni pornirea și accelerarea motorului M2 la viteze mari ceea ce ar duce la solicitări mecanice asupra cuplajului mecanic.

Butonul RESTART, este folosit pentru restartarea aplicației care controlează motorul M2. După apăsarea acestui buton, funcționarea motorului M2 este oprită indiferent de modul de funcționare în care se află (TENSIUNE sau CURENT), programul fiind adus la parametrii de funcționare default.

Butonul OPRIRE este folosit pentru oprirea de urgență a motorului M2. În acest caz, programul nu este reinițializat, pentru a se prevenii o eventuală distrugere a etajului de putere sau a motorului. În urma apăsării acestui buton, etajul de putere al drive-ului este dezactivat. Rămâne activă numai comunicația. Pentru a reporni aplicația sunt posibile două acțiuni:

3. Se apasă butonul RESTART;

4. Se execută resetarea sursei de alimentare atât pentru logică cât și pentru forță.

Zona 3 – protecții motoare

Oferă utilizatorului posibilitatea de a impune restricții cu privire la curentul și tensiunea maximă ce poate fi utilizată la un moment dat într-o aplicație. Pentru activare trebuie apăsat butonul SET corespunzător fiecărei limitări.

În ceea ce privește funcționarea limitărilor trebuiesc precizate câteva detalii cu privire la opțiunile de control.

Limitări M1 – pentru axa care controlează motorul M1, pot fi aplicate două limitări, de curent și de tensiune. Aceste două limitări își păstrează valoarea impusă de utilizator atât timp cât aplicația nu este resetată. Prin impunerea unei limite de curent, se asigură că motorul nu va avea niciodată un curent mai mare decât acea limită.

Fig. 4.7. Panoul de vizualizare a mărimilor de interes.

Având în vedere modul de funcționare a drive-urilor IDM640-8EI, toate mărimile sunt prezentate în raport cu timpul de achiziție.

Panoul caracteristici mecanice

Deoarece, nu este accesibilă direct informația cu privire la cuplul dezvoltat, acesta a fost calculat pornind de la constanta de cuplu a motorului Kt și cunoscându-se valoarea curentului, s-a utilizat pentru determinarea cuplului formula M = Kt I.

Fig. 4.8. Panoul de vizualizare a caracteristicilor mecanice.

Panoul permite vizualizarea variației cuplului în funcție de viteza măsurată pentru fiecare motor în parte, în regim dinamic de funcționare.

Pentru a obține variația în timp, cât mai fidelă a mărimilor de interes, programul permite afișarea datelor în format LOGGER.

După afișarea în acest format, datele pot fi exportate și prelucrate în medii ca EXCEL/Matlab/etc.

Descrierea aplicației care controlează motorul M1

Așa cum a fost descrisă în 4.3.3, aplicația care controlează motorul M1 este cea mai complexă dintre cele două aplicații, aceasta ocupându-se în același timp și de comunicația cu axa care controlează sarcina.

Fig. 4.9. Codul sursă al aplicației care controlează motorul M1.

Aplicația este structurată pe mai multe grupuri:

DECLARAȚII VARIABILE – aici s declară variabilele folosite în program și tipul acestora. În cazul aplicațiilor multiax, ordinea de definire a variabilelor este foarte importantă. În cazul în care se dorește adăugarea unei noi variabile aceasta trebuie adăugată la urmă.

SECVENȚA DE RESTARTARE – conține o etichetă RESTART _M1 la care se execută un GOTO în caz de restart al aplicației pentru motorul M1. De asemenea, ca urmare a restart-ului de program trebuie reactivat cu comanda AXISON, etajul de putere.

INIȚIALIZĂRI VARIABILE – inițializează valorile default pentru variabile folosite în program și care apar în panoul de comandă.

ACTIVARE ÎNTRERUPERE DE TIMP – activează întreruperea de timp la un interval de 50 ms. În interiorul acestei întreruperi se calculează cuplul pentru cele două motoare. Se folosește această întrerupere pentru a nu încărca prea mult canalul de comunicație CAN, deoarece pentru calculul cuplului motorului M2 este necesară interogarea curentului I2 prin CAN.

BUCLA PRINCIPALĂ – după terminarea inițializărilor, programul intră într-o buclă infinită (loop_M1) în care se așteaptă comenzile utilizatorului. În funcție de variabila de comandă CMD_M1, programul poate chema funcția aferentă butonului apăsat. Prin acest mecanism se poate modifica ulterior programul pentru a îndeplini și alte funcționalități în afară de cele deja implementate.

VERIFICARE COMANDĂ – verifică dacă variabila de comandă s-a schimbat. În cazul în care nu s-a schimbat, programul se reia de la eticheta loop_M1.

PROFIL VITEZĂ – în cazul în care utilizatorul a apăsat un buton, se verifică dacă este cel aferent butonului PROFIL VITEZĂ. În caz afirmativ, se apelează funcția FCT1_profil_viteză.

CONTUR VITEZĂ – în cazul în care utilizatorul a apăsat un buton, se verifică dacă este cel aferent butonului CONTUR VITEZĂ. În caz afirmativ, se apelează funcția FCT2_contur_viteză.

Descrierea aplicației care controlează motorul M2

Aplicația care controlează motorul M2 este mai simplă decât cea pentru M1, însă structura ei este asemănătoare cu cea descrisă pentru aplicația M1

Aplicația este structurată în următoarele grupuri:

DECLARAȚII VARIABILE – aici s declară variabilele folosite în program și tipul acestora. În cazul aplicațiilor multiax, ordinea de definire a variabilelor este foarte importantă. În cazul în care se dorește adăugarea unei noi variabile aceasta trebuie adăugată la urmă.

DEZACTIVARE ETAJ DE PUTERE – pentru a se putea roti cu un cuplu de sarcină zero, drive-ul care controlează motorul M2 trebuie să aibă etajul de putere dezactivat.

INIȚIALIZĂRI VARIABILE – inițializează valorile default pentru variabile folosite în program și care apar în panoul de comandă.

BUCLA PRINCIPALĂ – după terminarea inițializărilor, programul intră într-o buclă infinită (loop_M2) în care se așteaptă comenzile utilizatorului. În funcție de variabila de comandă CMD_M2, programul poate chema funcția aferentă butonului apăsat.

VERIFICARE COMANDĂ – verifică dacă variabila de comandă s-a schimbat. În cazul în care nu s-a schimbat, programul se reia de la eticheta loop_M2.

CONTROL TENSIUNE – în cazul în care utilizatorul a apăsat un buton, se verifică dacă este cel aferent butonului CONTROL TENSIUNE. În caz afirmativ, se apelează funcția FCT1_control_tensiune.

CONTROL CURENT – în cazul în care utilizatorul a apăsat un buton, se verifică dacă este cel aferent butonului CONTROL CURENT. În caz afirmativ, se apelează funcția FCT2_control_curent.

Exemplu de funcționare

În acest paragraf se prezintă pașii care trebuiesc urmați pentru a executa un profil de viteză (cu viteza și accelerația impuse) cu motorul M1 și control de tensiune pe motorul cu rol de sarcină M2.

Se deschide ESM și se încarcă proiectul Macheta_CC_v1.1. În urma încărcării cu succes a proiectului, pe ecran va apărea PANOU COMANDĂ.

Se pornește panoul de comandă. Pentru a porni acest panou (ca de altfel oricare altul) apăsați tasta F7 sau executați click dreapta și selectați din meniul apărut opțiunea Start.

Modificați valorile inițiale propuse pentru comanda de viteză și accelerație în cazul în care acestea nu corespund cu cele dorite pentru test.

Apăsați butonul PROFIL VITEZĂ. În acest moment, motorul M1 va începe să se rotească în direcția indicată de sensul comenzii de viteza introdusă de utilizator. În orice moment de timp această viteză poate fi schimbată, efectul imediat fiind modificarea vitezei de instalație. Motorul M2 se va roti cu aceeași turație ca și M1, acesta neavând etajul de putere activat.

Pentru a impune un cuplu la axul motorului M1, trebuie selectată una din opțiunile TENSIUNE sau CURENT din zona asociată SARCINII. În momentul în care se apasă butonul TENSIUNE (pentru exemplul luat în considerare), etajul de putere aferent motorului M2 se activează și se impune tensiune 0 la bornele motorului. Deoarece motorul este rotit din afară, el va trece în regim de generator, injectând în rețeaua de alimentare un anumit nivel de curent, proporțional cu viteza motorului M1.

Pentru a crește nivelul cuplului dezvoltat, se mărește valoarea Nivel tensiune sarcină [V], prin impunerea unei valori pozitive de tensiune. Consecința imediată este creșterea curentului măsurat pentru motorul M1.

Pentru a scădea nivelul cuplului dezvoltat de M2 se micșorează valoarea tensiunii de comandă. În acest fel M2 trece din regim generator în regim de motor iar consecința imediată este scăderea curentului pentru motorul M1.

Studiu de caz. Rezultate experimentale.

În acest subcapitol vor fi reprezentate o serie de rezultate experimentale în urma elaborării practice al exemplului de funcționare prin modificarea valorilor pentru comanda de viteză și accelerație pe motorul M1 și control de tensiune pe motorul cu rol de sarcină M2.

În figurile de mai jos sunt afișate caracteristicile motoarelor M1 și M2 după modificarea valorilor pentru comanda de viteză (motorul M2 fiind dezactivat).

Fig. 4.10.a. Mărimi prezentate în raport cu modificarea valorii pentru comanda de viteză – 750[rpm].

Fig. 4.10.b. Mărimi prezentate în raport cu modificarea valorii pentru comanda de viteză – 1395[rpm].

Fig. 4.10.c. Mărimi prezentate în raport cu modificarea valorii pentru comanda de viteză – 2025[rpm].

Considerațiile observate sunt modificarea vitezei de instalație, creșterea vitezei comandată vs. măsurată[rpm], creșterea tensiunii M1[V] .

Fig. 4.11.a. Mărimi prezentate în raport cu aplicarea unei tensiuni pe motorul M2 și valori pentru comanda de viteză pe motorul M1. Comparație M1 și M2.

Fig. 4.11.b. Mărimi prezentate în raport cu aplicarea unei tensiuni pe motorul M2 și valori pentru comanda de viteză pe motorul M1. Funcția LOGGER.

Fig. 4.12.a. Mărimi prezentate în raport cu schimbarea sensului de rotație în modul CONTUR VITEZĂ.

Fig. 4.12.b. Mărimi prezentate în raport cu schimbarea sensului de rotație și modificarea valorii pentru comanda de viteză în modul PROFIL VITEZĂ.

Fig. 4.12.c. Panou caracteristici mecanice pentru monitorizarea schimbării sensului de rotație.

CONCLUZII

Motoarele de curent continuu se utilizează în numeroase acționări electrice datorită modului simplu și economic de modificare a turației prin tensiunea de alimentare. De asemenea, actulmente cu ajutorul electronicii de putere se poate obține relativ ușor modificarea continuă și până în limite largi a tensiunii de alimentare, ceea ce constituie o altă metodă eficientă de reglare a vitezei. Datorită cuplului considerabil de pornire la viteze mici și caracteristicile lor de viteze moi, motoarele de curent continuu sunt utilizate și în domeniul tracțiunii electrice ca motoare de acționare de forță în locomotivele electrice, electrocare, în travaie, troilebuze, metro. Motoarele electrice de curent continuu sunt utilizate și pentru a antrena diverse mecanisme suplimentare instalate pe mașinile de transport (autobuze, tractoare, avioane ș.a.).

La etapa actuală o deosebită importanță capătă servomotoarele de curent continuu cu magneți permanenți fiind utilizate cu succes în sistemele de comandă și automatizări, în acționările electrice automatizate.

Studiul acestei lucrări prezintă mediul de utilizare a motoarelor de curent continuu acționate fiecare de câte un servo drive de tip IDM640-8EI din familia TECHNOSOFT Intelligent Servo Drives, printr-o aplicație pe baza software-ului TECHNOSOFT EasyMotion Studio (ESM). Aplicația software permite executarea în ansamblu al dispozitivelor și motoarelor în trei moduri de funcționare: metoda reglării vitezei impusă de utilizator și pentru motorul de sarcină metoda reglării cuplului prin aplicarea unei tensiuni sau metoda reglării poziției.

Panoul de vizualizare monitorizează mărimile pe grafice în timp real în raport cu caracteristicile de funcționare, caracteristicile mecanice, comparații, turații, curenți, cupluri și tensiuni. De asemenea se pot realiza și alte construcții de program (TML) și ansambluri de dispozitive urmărind setările și principiile de utilizare a mediului de dezvoltare pe baza TECHNOSOFT.

BIBLIOGRAFIE

Aurel Cîmpeanu, Mașini electrice, SCRISUL ROMÂNESC, Craiova, 1977.

Mircea Popa, Constanțiu Popescu, Edy Dumbravă, Ovidiu Samoilescu, Stelian Popescu, Mașini electrice și acționări, Editura didactică și pedagocică – București, 1977.

Marian Pearsică, Mădălina Petrescu, Mașini electrice, Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov, 2007.

Marcu Marius-Daniel, Borca Dumitru, Convertoare statice în acționări electrice, Editura TOPOEXIM, București, 1999.

Marcu Marius-Daniel, Florin Popescu, Convertoare statice, – Lucrări de laborator –, Editura UNIVERSITAS, Petroșani, 2010.

Teodor Tăbăcaru, Mașini electrice și acționări, – Curs –, EDYRO PRESS, 2009.

Software TECHNOSOFT EasyMotion Studio, Build 2016031503, © Technosoft S.A. 2005.

TECHNOSOFT EasyMotion Studio Tutorial, © Technosoft S.A. 2006.

MotionChip™ II, TML Programming, TECHNOSOFT EasyMotion Studio User Manual Preliminary, © Technosoft S.A. 2006.

Technical Reference, IDM User Manual, IDM240-5EI / IDM640-8EI Intelligent Servo Drive, TECHNOSOFT Intelligent Drives, © Technosoft S.A. 2007.

http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%208.pdf

http://www.technosoftmotion.com/en/intelligent-drives-and-motors/other-drives/closed-frame/idm240-idm640