Ș.L. DR. ING. TRIPE VIDICAN CĂLIN A BSOLVENT NISTOR EMANUEL ORADEA 20 20 Lucrare de Licen ță [630595]

Lucrare de

Licen
ță

1

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI
TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL
MECATRONICĂ
ȘI ROBOTICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU
MECATRONICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT
Învățământ cu frecvență

PROIECT DE DIPLOMĂ

CONDUCĂTOR

ȘTIINȚIFIC

Ș.L. DR. ING. TRIPE VIDICAN CĂLIN

A
BSOLVENT

NISTOR EMANUEL

ORADEA

20
20

Lucrare de

Licen
ță

2

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI
TEHNOLOGICĂ

DOMENIUL
MECATRONICĂ
ȘI ROBOTICĂ

PROGRAMUL DE STUDIU
MECATRONICĂ

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT
Învățământ cu frecvență

AUTOMATIZAREA UNUI
STAND DE MĂSURARE A
CUPLULUI UNUI
ACTUATOR

CONDUCĂTOR

ȘTIINȚIFIC

Ș.L. DR. ING. TRIPE VIDICAN CĂLIN

A
BSOLVENT

NISTOR EMANUEL

ORADEA

20
20

Lucrare de

Licen
ță

3

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIALĂ ȘI TEHNOLOGICĂ

DEPARTAMENTUL

MECATRONICĂ

TEMA

27

Lucrare de finalizare a studiilor a student: [anonimizat]

1). Tema lucrării de finalizare a studiilor

AUTOMATIZAREA UNUI STAND DE
MĂSURARE A CUPLULUI UNUI ACTUATOR

2). Termenul pentru predarea lucrării
IUNIE 2020

3). Elemente inițiale pentru elaborarea lucrării de finalizare a studiilor
SISTEME DE
ACHIZIȚII DE DATE, MĂSURARE A CUPLULUI,
PROGRAMELE DE
AUTOMATIZARE
ȘI CONTROL

4). Conținutul lucrării de

finalizare a studiilor

Capitolul 1

PREZENTARE GENERALĂ A SISTEMELOR DE ACHIZIȚII DE DATE

Capitolul

2
.

METODE DE MĂSURARE A CUPLULUI

Capitolul

3
SOLU
ȚIA CONSTRUCTIVĂ

Capitolul

4
PROGRAMELE DE AUTOMATIZARE
ȘI CONTROL (LABVIEW)

Concluzii

Bibliografie

5). Material
grafic:_______________________________________________________________

6). Locul de documentare pentru elaborarea lucrării:

Universitatea din Oradea

7). Data emiterii temei

Noiembrie 201
9

Director de
Departament,

Conducător
științific,

Conf. dr. ing.

Șef .lucrări
dr.Ing.

PATER SORIN

TRIPE VDICAN
CĂLIN

Absolvent: [anonimizat]

4

Lucrare de

Licen
ță

5

Cuprins

Cuprins

…………………………..
…………………………..
…………………………..
…………………………..
…….

1

CAPITOLUL 1

…………………………..
…………………………..
…………………………..
……………………..

6

PREZENTARE GENERALĂ A
SISTEMELOR DE ACHIZIȚII DE DATE

……………………..

6

1.1

Definiții

…………………………..
…………………………..
…………………………..
…………………..

6

CAPITOLUL 2.

…………………………..
…………………………..
…………………………..
…………………….

9

METODE DE MĂSURARE A C
UPLULUI

…………………………..
…………………………..
………….

9

2.1 Metoda cu senzor si conectare directă la PC

…………………………..
…………………………..
…

9

2.2 Solu
ția oferită de National Instruments

…………………………..
…………………………..
………

11

CAPITOLUL 3

…………………………..
…………………………..
…………………………..
……………………

13

SOLU
ȚIA CONSTRUCTIVĂ
…………………………..
…………………………..
…………………………..
.

13

3.1 Alegerea pieselor componente

…………………………..
…………………………..
…………………..

13

3.2. Partea mecanică

…………………………..
…………………………..
…………………………..
…………

15

3.3 Partea electronică a sistemului

…………………………..
…………………………..
…………………..

25

CAPITOLUL 4

…………………………..
…………………………..
…………………………..
……………………

37

PROGRAMELE DE AUTOMATIZARE
ȘI CONTROL (LABVIEW)

…………………………..
.

37

4.1
Interfa
ța CAN, unitatea de control motor și actuatorul
…………………………..
………………

38

4.2 Motorul Maxon
și controlerul EPOS2

…………………………..
…………………………..
………..

41

4.3 Senzorul de unghi
și interfața externă de control

…………………………..
………………………

44

4.4 Senzorul de cuplu

…………………………..
…………………………..
…………………………..
………..

49

4.5 Automatizarea sistemului
…………………………..
…………………………..
………………………….

50

4.6 Modul de operare a sistemului

…………………………..
…………………………..
…………………..

53

Concluzii

…………………………..
…………………………..
…………………………..
…………………………..
..

55

Bibliografie.

…………………………..
…………………………..
…………………………..
………………………..

56

Lucrare de

Licen
ță

6

CAPITOLUL 1

PREZENTARE GENERAL
Ă A SISTEMELOR DE ACHIZIȚ
II
DE DATE

1.1

Defini
ț
ii

Majoritatea oamenilor de
știința, ingineri și utilizatori de PC sunt de acord cu
următoarele elemente comune:

Calculatorul PC este folosit pentru programarea echipamentului de
testare, pentru
manipularea și stocarea datelor. Termenul de PC în general acoperă orice calculator pe care
ruleaz
ă

un sistem de operare cu software
–
ul aferent. Calculatorul poate fi de asemenea folosit
pentru trasarea curbelor în timp real sau pentru gene
rarea unui raport. El nu trebuie neaparat să
controleze sistemul de măsurare sau nici măcar să rămână în legatur
ă

permanent
ă

cu acesta.

Echipamentul de testare poate fi alc
ă
tuit din pl
ă
ci de achizi
ț
ie pentru PC, sisteme de
achizi
ț
ie externe PC
–
ului sau ins
trumente de m
ă
sur
ă

de sine st
ă
t
ă
toare.

Echipamentul de testare poate realiza una sau mai multe m
ă
suratori
ș
i controla procese
folosind diverse combina
ț
ii de intr
ă
ri analogice, ie
ș
iri analogice, intr
ă
ri/ie
ș
iri digitale sau alte
func
ț
ii
specializate.

Dificultatea diferen
ț
ierii clare a termenilor de “
achizi
ț
ie de date
”, “
testare
ș
i
masurare
”
ș
i “
m
ă
surare
ș
i control
” apare din cauza grani
ț
ei neclare care separ
ă

diferitele tipuri
de aparate de m
ă
sur
ă

î
n func
ț
ionalitate, facilit
ăț
i
ș
i
performan
ță
. De exemplu, anumite
instrumente de sine st
ă
t
ă
toare con
ț
in microprocesoare sau pl
ă
ci de tip “plug
–
in”, folosesc
sisteme de operare
ș
i functioneaz
ă

mai degrab
ă

ca un calculator dec
â
t ca un instrument
traditional.

Exist
ă

instrumente care fac pos
ibil
ă

construirea unor echipamente de testare care
achizitioneaza date de la un num
ă
r foarte mare de canale
ș
i le stocheaz
ă

într
–
un calculator.

Pl
ă
cile de achizitie transform
ă

calculatorul
î
ntr
–
un multimetru digital, osciloscop sau
alt instrument, instrume
nt care are un panou virtual de comand
ă

pe ecranul calculatorului.

Pl
ă
ci de achizitie “plug
–
in”

Ca si pl
ă
cile video, modem
–
uri sau alte tipuri de pl
ă
ci destinate calculatorului, si
pl
ă
cile de achizi
ț
ie se montez
ă

î
ntr
–
un slot din placa de baz
ă

a calculatorului. Ast
ă
zi,
î
n marea
lor majoritate, pl
ă
cile sunt de tipul PCI (Peripheral Component Interconnect), vechea generatie
pe bus ISA (Industry standard Architecture) fiind pe cale de disparitie.

Lucrare de

Licen
ță

7

Aceasta categorie de pl
ă
ci ofer
ă

un numar mare de c
anale de intrare (intre 8 si 64),
vitez
ă

ridicat
ă

de achizitie (
î
n general, aceasta se situeaza sub 1250Mhz), sensibilitate destul
de bun
ă

pentru m
ă
surarea semnalelor mici, rezolutie de 12..16 biti si un pret relativ mic de cost.

Sisteme de achizitie de da
te externe

Alternativa a sistemelor de achizitie plug
–
in, aceste sisteme externe ofera un numar
ridicat de intrari/iesiri intr
–
un mediu mult mai bine protejat la zgomote electromagnetice si o
mai mare versatilitate de modelare la diverse cerinte.

Astazi, a
ceste sisteme iau adesea forma unor solutii stand
–
alone de testare si masurare
orientate in special catre aplicatiile industriale. Aceste aplicatii cer mai mult decat poate oferi
un PC cu placi de achizitie incorporate. Sistemele moderne externe de achizit
ie de date ofera:



Sensibilitate mare pentru semnalele de nivel mic;



Aplicabilitate mare pentru diferite tipuri de senzori;



Aplicabilitate pentru aplicatii de timp real;

Ca si sistemele plug
–
in, sistemele de achizitie externe au nevoie de prezenta unui
calc
ulator pentru prelucrarea si stocarea datelor. Acesta se monteaza direct in rack
–
ul sistemului
de achizitie de date. Cele cateva tipuri de arhitecturi folosite pentru sistemele de achizitie
externe folosesc rackuri industriale standardizate. Anumite sistem
e includ si module dotate cu
microprocesor care suporta toate facilitatile unui PC obisnuit: tastatura, mouse, monitor si
porturi de comunicatie.

Sisteme de timp real

Un loc aparte in locul sistemelor de masurare si control este ocupat de asa
numitele
sisteme de timp real. In general, acestea sunt sisteme de masura autonome, dotate cu procesor
si sistem de operare dedicat. Aceste procese se preteaza a fi rulate mult mai bine pe sisteme
externe dacat pe un sistem PC dotat cu placa de achizitie.
Desi Microsoft Windows a devenit
sistemul standard de operare pentru calculatoarele PC, acesta nu este un sistem determinist si
nu poate garanta un raspuns predictibil in cazul unor masurari si procese de control critice. De
aceea solutia este de a lega P
C
–
ul la un sistem ce poate functiona autonom si care garanteaza
un anumit timp de reactie la aparitia unor stimuli externi.

Instrumente discrete

La inceputuri, aceste instrumente electronice de test constau adesea dintr
–
un aparat de
masura cu o singura int
rare si sursa de alimentare. De
–
a lungul anilor, datorita progresului
tehnologic in design, fabricatie si in tehnologii de masurare s
–
au extins posibilitatile si
domeniile instrumentelor de masura. Aparitia unor noi instrumente ca scannere, multiplexoare,
calibratoare, counter timere, nanovoltmetre, micro
–
ohmmetre si altele au facut posibila crearea

Lucrare de

Licen
ță

8

sistemelor de testare bazate pe controlul microprocesorului, sisteme ce ofera o sensibilitate si
rezolutie excelenta. Anumite sisteme de acest tip pot prelucra
informatia doar pe maxim cateva
canale de intrare ceea ce duce la un pret per canal ridicat. Prin adaugarea unei matrici sau a
unor scanere acest pret poate fi micsorat, permitand unui singur instrument de precizie sa
prelucreze informatia de mult mai mult
e canale de intrare. Aceste instrumente pot fi de
asemenea conectate la un sistem PC
–
placa de achizitie.

Sisteme de achizitie de date hibride.

Recent aparute, aceste sisteme dezvoltate in tehnologia sistemelor de achizitie de date
externe combina un instru
ment discret gen multimetru digital interfatabil cu cateva functii
caracteristice sistemelor de achizitie de date plug
–
in, forma finala fiind tipica pentru un
instrument compact. Functiile tipice includ masurarea tensiunii si al curentilor continui si
alte
rnativi, masurarea temperaturii, frecventei precum si facilitati pentru controlul proceselor.

Lucrare de

Licen
ță

9

CAPITOLUL 2
.

METODE DE MĂSURARE A CUPLULUI

2.1
Metoda cu senzor si conectare directă la PC

Un senzor este un dispozitiv care colectează date ce
reprezintă, în general, starea

exterioară a unui sistem. Aceste date reprezintă un semnal, care este transmis către un

dispozitiv de citire
și afișare, spre exemplu un calculator
.

Mediu
Senzor
Informație
Semnal

Fig. 2.1 Schema principală a unui senzor

Informa
ția se poate defini ca o reprezentare a mediului, a lumii reale, printr
–
un set de

simboluri ce pot fi în
țelese de om. Conform Figurii 2.1, informația poate exista ca semnal, o

tensiune, un curent, sau material, o reprezentare, un text. De asemenea,
se poate spune că un

semnal se poate caracteriza ca un purtător de informa
ție.

Metoda aleasă pentru măsurarea cuplului este cu ajutorul unui senzor de cuplu alcătuit

dintr
–
un element elastic, un efector, o carcasă, o placă de referință
și un traductor ind
uctiv.

În majoritatea cazurilor, elementul elastic al senzorilor de cuplu este o bară circulară,

prin care se transmite momentul dorit a se măsura,
și pe care sunt așezate TER (traductoare

electric rezistive), Figura 2.2, ce formeaza o punte
Wheatstone. Sunt necesare, de obicei, patru

TER care măsoară deformația specifică indusă în axul solicitat. Astfel, semnalul este

proporțional cu cuplul dat de actuator. De asemenea, mai sunt senzori cu arbore tip inel,

cruciform sau pătrat. Cel pătrat ofe
ra avantaje față de cel circular, mai ales în capacități de

peste 55N/m. Astfel, oferă rezistență la încovoiere
și integrare ușoară în sistemele de

măsurare.

Această metodă are câteva avantaje: sensibilitate redusă la efectele apărute in timpul

turațiilor
ridicate din timpul funcționării, opțiunea demontării sau înlocuirii
dispozitivului. De

asemenea, montajul este relativ simplu.

Semnalul dat de senzor este o tensiune, de ordinul mV, transmis prin inele (contacte)

de
alunecare. Inelele de alunecare sunt de

obicei folosite pentru măsuratori de cuplu la viteze

mici.
O măsurătoare integrată viteză/unghi este standardizată la majoritatea senzorilor de acest

tip.

Lucrare de

Licen
ță

10

Fig. 2.2 A
șezarea traductoarelor electric rezistive

Un inel de alunecare este o componentă
electromecanică ce permite transferul de

semnal
și tensiune între un element staționar și unul rotativ. Acesta simplifică operarea

sistemului
și
elimină firele ce atârnă
și se pot defecta, fiind folosit în diverse sisteme

electromecanice care
au
nevoie să se rotească în timp ce transmit un semnal sau o tensiune.

Senzorul de unghi (encoder), altfel spus, senzor de pozi
ție rotativă, este un dispozitiv

electro
–
mecanic care transformă o deplasare liniară sau de rota
ție într
–
un semnal digital sau de

t
ip impuls. Cel mai des întâlnit tip este encoderul optic, care constă într
–
un disc rotativ, o sursă

de lumină, si un detector foto, adică un senzor de lumină. Discul, care este montat pe arborele

de rota
ție, are două trasee cu sectoare tipizate, opace și t
ransparente.

La rotirea discului, aceste sectoare întrerup lumina emisă către detectorul de lumină,

generând la ie
șire un semnal de tip digital sau impuls.

Un encoder incremental generează un
impuls pentru fiecare pas incremental din

propria rota
ție. Totu
ș
i, chiar dacă encoderul
incremental nu afi
șează poziția absolută, acesta

permite o rezolu
ție mare, adică un număr mare
și precis de măsurători la un preț bun. Ca

exemplu, un encoder mai simplu, cu un singur canal,
de tip tahometru, generează un semnal

imp
uls al cărui frecven
ță indică viteza de deplasare.
Semnalul dat de acest encoder cu un

singur canal nu indică
și direcția. Pentru a determina
direc
ția, un senzor cu două canale,

folose
ște două detectoare și două trasee separate.

Cel mai întâlnit tip de enc
oder incremental folose
ște două ieșiri (canale), A și B, pentru

a detecta pozi
ția
–

Figura 2.3. Folosind două trasee pozi
ționate cu un defazaj de 90°, cele două

canale de ie
șire indică atât poziția cât și direcția rotației. Dacă A este în fața lui B, de exe
mplu,

discul se rote
ște în sensul acelor de ceasornic. Dacă B este în fața lui A, discul se rotește în

sens contrar acelor de ceasornic. În plus, există senzori cu trei canale, numite zero sau de

referin
ță, care transmit un singur impuls pe rotație. Acesta

poate fi folosit pentru determinarea

cu precizie a unei pozi
ții de referință.

Sistemul a fost conceput pentru măsurarea cuplului dezvoltat de un actuator, datorită

cerin
țelor din industria automotive în ce privește actuatoarele din cadrul motoarelor și a
altor

Lucrare de

Licen
ță

11

sisteme ale ma
șinii. Astfel, va
putea
fi folosit în cadrul laboratorului pentru testarea
actuatoarelor de

diverse tipuri.

Fig. 2.3. Senzor (encoder) cu două canale

2.2 Solu
ția oferită de National Instruments

De
și nu există altă metodă de
măsurare a cuplului pentru cazul acesta, în laborator,

există
posibilitatea utilizării unei alte solu
ții constructive din

punct de vedere al colectării datelor.
Aceasta a fost

oferită de

National Instruments, fiind o configura
ție complexă de

module care
pr
eiau
și analiează datele de la senzori. Ea

con
ține un număr ridicat de elemente, printre care
NI 9218

(Figura 2.4), un modul universal cu două canale, de 24 bi
ți,

care preia un număr de
51200 de e
șantioane pe

secundă/canal, cu suport pentru accelerometre,
senzori,

măsurători de
voltaj. Un alt modul oferit este NI 9263

(Figura 2.5), folosit pentru utilizarea ie
șirilor sub formă
de tensiune, analogic, ce permite

fixarea firului cu
șurub. Acesta permite 100 000 de eșantioane
pe secundă/canal, tensiuni de

până
la 10 V, 4 canale,
și este izolat împotriva zgomotului. NI
9402 (Figura 2.6) este un modul

cu 4 canale, intrări
și ieșiri Digitale, de tip TTL (Transistor
–
transistor logic), ce se pot

configura individual, pe orice direc
ție. Modulul cu două porturi
CAN/LIN

(Figura 2.7),

permite sincronizarea cu alte dispozitive specifice National Instruments
și conține un driver de

dezvoltare a aplica
țiilor in LabVIEW, LabWindows, C sau C++. Acesta
permite manipularea

semnalelor si datelor cu mare viteză în timp ce are loc
o altă achizi
ție de
date ori un control

sau monitorizare a altor elemente în acela
și cadru (șasiu) specific National
Instruments.

Fig. 2.4. Modul universal de colectare a datelor (
NI 9218)

Lucrare de

Licen
ță

12

Fig.2.5
M
odul de ie
șiri analogice

(
NI 9263
)

Fig.2.
6
Modul digital

(
NI 9402
)

Fig.2.
7 Modul interfa
ță
CAN/LIN

Fig. 2.8
Șasiu achiziție de date

(
cDAQ
–
9184)

Ș
asiul de achizi
ție date (Figura 2.8), cDAQ
–
9184 este creat pentru măsurători cu

senzori,
de anvergură redusă. Acesta controlează
temporizarea, sincronizarea,
și transferul de

date intre
module
și o gazdă externă. Se poate folosi o combinație de module, analogice,

digitale sau de
contorizare.

Totu
și, datorită costurilor și complexității sistemului, s
–
a preferat solu
ția simplă,

preze
ntată în capitolul următor.

Lucrare de

Licen
ță

13

CAPITOLUL 3

SOLU
ȚIA CONSTRUCTIVĂ

3.1 Alegerea pieselor componente

Pentru realizarea achizi
ției datelor este folosit un PC Hewlett
–
Packard cu configura
ție
Intel. Pentru o achizi
ție de date precisă este necesară o viteză de calc
ul foarte mare deoarece

aceasta influen
țează performanța sistemului de achiziție (DAQ).

PC
–
ul este dotat cu multiple intrări
și ieșiri, transferul de date se realizează între acesta și

elementele componente ale sistemului cu ajutorul instruc
țiunilor de int
rare
și ieșire, respectiv

interfa
ța LabVIEW.

Fig. 3.1. Schema de principiu

În schema de componen
ță (Figura 3.1) sunt așezate la nivelul de sus al ansamblului

propriu
–
zis actuatorul, senzorul de unghi, senzorul de cuplu, ambreiajul
și motorul. Între

senzorul de unghi
și cel de cuplu, respectiv
î
ntre senzorul de cuplu
și ambreiaj, există câte un

cuplaj mecanic. La nivelul intermediar (de legătură) sunt elementele electronice care au rolul

de a analiza, respectiv transfera datele de stare, comenzile,
ș.
a.m.d. .De la st
â
nga la dreapta,

Unitatea de control motor (ECU
–

Engine Control Unit), o interfa
ț
ă

CAN
–
USB; o unitate

externă
de comandă
și un cablu Ethernet normal; un amplificator și un controler.

Actuatorul este produs de Continental S.R.L. si func
țione
ază pe baza unui semnal

PWM
(Pulse Width Modulation), care înseamnă practic că, cu cât lă
țimea semnalului este mai

mare,
cu atât viteza de mi
șcare (rotație) a actuatorului este mai mare. Acesta a fost controlat

prin
intermediul unui ECU (Engine Control Uni
t), adică o unitate de control motor, care se

poate
găsi in orice ma
șină modernă. Informația este transmisă prin intermediul unei interfețe

CAN
–
USB, care comunică direct cu pc
–
ul prin intermediul unui driver pus la dispozi
ție,

public. Cu
ajutorul acelui dr
iver, interfa
ța Labview poate să comunice cu acesta prin

intermediul unei
adrese de tip Communication Port (COM). Unitatea de control motor

prime
ște comenzile sub

Lucrare de

Licen
ță

14

formă de mul
țimi de numere prestabilite în software
–
ul din ea,

analizând datele primite
și
tr
imi
țând mai departe un semnal, dacă este cazul, și un raspuns

către PC, în cazul unei erori,
sub forma unui cod.

Senzorul de unghi a fost ales datorită specifica
țiilor sale foarte bune, fiind foarte

precis
și permițând un afișaj la nivel de miime de grad,
fiind sensibil la orice mi
șcare. Acesta

are o
rată de e
șantionare de 4096 de valori pe secundă, transmițând un set de impulsuri

specifice.
Senzorul de unghi func
ționează împreună cu o unitate externă de control de tip

Heidenhain
EIB 700 care permite citire
a datelor
și conexiunea cu un PC. Conexiunea cu PC
–
ul

se realizează
printr
–
un port Ethernet (fibră optică), ce permite un transfer practic instantaneu al

informa
ției
către utilizator. Acesta func
ționează ca o rețea LAN și are o adresă IP (Internet

Protocol
)
specifică.

Senzorul de cuplu este de tip Lorenz
și funcționează pe principiul descris în capitolul

2.
Acesta are o tijă de care se prind cuplajele mecanice
și, datorită momentului de torsiune

datorat
for
ței date de actuator și frânării motorului din part
ea opusă, se poate măsura

deformarea tijei,
și astfel determina cuplul.

Ambreiajul (Clutch
–
ul) este electromagnetic, produs de Kendrion, cu plaja de lucru

intre
0.2
și 150 Nm. Acesta are rolul de a face legătura între motor și restul sistemului, cu

scopul
de
a îl putea cupla
și decupla la nevoie. Acest lucru este necesar datorită prezenței

penelor
și
actuatorului care are o cursă limitată
și bine definită. Astfel, trebuie permisă rotirea

arborelui
pentru pozi
ționarea actuatorului, manual, lucru care nu s
–
ar

putea sub ac
țiunea

motorului
(frânei).

Motorul Maxon ECmax40 este folosit ca frână pentru actuator, permi
țând măsurarea

cuplului motor produs, la nivelul senzorului de moment. Acesta are un reductor 936:1, tura
ția

maximă fiind de 10100 rpm, respectiv, la
ie
șire de 936 ori mai puțin, adică aproximativ 10

rpm.
Motorul este ac
ționat prin intermediul unui controler de tip Epos 2, ce permite

ini
țializarea
unor module de func
ționare, printre care rotația la o valoare de destinație (care

prin
intermediul
unui calculator implementat în LabVIEW este transformată în unghi) dorită;

rota
ția cu o viteză
dorită, rota
ția la o valoare dorită cu o accelerație selectată de utilizator,

ș
.a.m.d. .

Acesta este conectat la PC printr
–
o interfa
ță USB 2.0. Motor
ul este dotat
și cu un

senzor
de unghi (encoder) intern, care însă va fi neglijat
și pur informativ, pentru scopul final

al
aplica
ției.

Această solu
ție constructivă a fost aleasă deoarece oferă o măsurare suficient de

precisă
și se pot controla sau citi to
ț
i parametri dori
ți. Elementele individuale au fost sugerate

de către exper
ții Hardware din Continental. Pozițiile actuatorului sunt de o parte și de alta a

ansamblului, între ele sunt pozi
ționate restul elementelor. Senzorul de unghi este folosit și

Lucrare de

Licen
ță

15

a
șeza
t astfel pentru a măsura pozi
ția reală a arborelui si nu s
–
a folosit senzorul din motor

datorită jocurilor si frecărilor care pot apărea la trecerea prin ambreiaj, arbori, rulmen
ți,

senzorul de moment
și cuplaje. Poziția optimă pentru senzorul de moment es
te în mijlocul

sistemului, la distan
ță egală față de motor și actuator.

3.2.
Partea mecanică

Sistemul mecanic, adică piesele fixe
și cele care produc mișcarea, este alcătuit din:

1. ansamblul mecanic, fixare, elemente intermediare;

2. actuator, care produc
e mi
șcarea;

3. ambreiaj, care face legătura între frână
și ansamblu;

4. motor, care realizează frânarea;

5. cuplajele mecanice;

6. senzorul de cuplu;

7. senzorul de unghi;

8. suporturile de fixare;

1. Ansamblul, placa de fixare, elemente intermediare.

Fig. 3.2 Imagine de ansamblu a sistemului (CAD)

Lucrare de

Licen
ță

16

Rulmen
ții folosiți sunt de tip SKF E2.6001
–
2Z
și SKF E2.6002
–
2Z (Figura 3.3),
încapsula
ți. Principial, aceștia sunt identici, diferă dimensiunea și caracteristicile fizice. Printre
specifica
țiile lor se enum
eră:

Rulment

E2.6001
–
2Z

E2.6002
–
2Z

Diametru interior d

12 mm

15 mm

Diametru exterior D

28 mm

32 mm

Lă
țime W

8 mm

9 mm

Viteză limită

33000 rpm

28 000 rpm

Fig. 3.3 Rulment cu bile E2.XXXX
–
2Z

A
șa cum se cunoaște deja, forța de frecare
rezultată în urma alunecării este mult mai

mare
decât cea rezultată în urma rostogolirii. Pentru utilizarea obi
șnuită, puterea pierdută prin

frecarea in rulment în diferite mecanisme, se neglijează. Totu
și, este necesară cunoașterea

coeficientului de freca
re datorată rulmentului în cazul în care se dore
ște un anumit moment de

frecare.

Acest moment de frecare se poate calcula cu rela
ția :

=
0
.
5
∙

∙

∙

[1]

unde:

M
–

moment de frecare [Nmm];

μ
–

Coeficient de frecare;

P
–

Sarcina;

D
m
–

Diametrul mediu al rulmen
ților axiali, (d+D)/2.

Arborii sunt din o
țel, prevăzuți cu canale de pană, ambii cu diametru de 12mm la un

capăt
și 15mm la celălalt. Aceștia au fost dimensionați astfel datorită pieselor, respectiv 12

mm în
senzorul de unghi
și cu
plaje,
și 15 mm la ambreiaj, respectiv actuator.

Lucrare de

Licen
ță

17

2. Actuatorul

Fig. 3.4. Actuator de uz general

Actuatoarele sunt dispozitive mecanice sau electro
–
mecanice care permit mi
șcări și

pozi
ționări controlate sau uneori limitate, operate electric, manua
l, sau prin diverse fluide

precum aer, ulei, etc. Mi
șcările tipice actuatoarelor sunt de translație și de rotație.

Actuatoarele liniare transformă energia în mi
șcări de translație, liniare, în general

pentru
aplica
ții de poziționare, care au de obicei o f
unc
ție de tragere și împingere. Unele

actuatoare
liniare nu sunt ac
ționate automat, ci manual prin folosirea unui mâner rotativ sau a

unei ro
ți
manuale. Actuatoarele de rota
ție, așa cum le spune și numele, transformă energia

pentru a
ob
ține o mișcare de ro
ta
ție. O utilizare intâlnită des este controlul diverselor valve.

Fiecare tip
de actuator are configura
ții diferite de putere, și poate exista în multe dimensiuni

sau forme,

Lucrare de

Licen
ță

18

depinzând de aplica
ție și de proiectant. Actuatoarele mai pot fi și pe lanț, pentr
u o

mi
șcare de
tragere sau împingere.

Actuatoarele electrice de rota
ție sunt dispozitive mecanice, care funcționează pe baza

curentului electric. Acestea au în componen
ță mecanisme motoare și arbori de transmisie, cu o

cursă de rota
ție limitată. Specifica
ț
iile de bază includ aplica
ția pentru care se folosește, metoda

de antrenare, numărul de pozi
ții, configurația de montaj și de transmitere a mișcării,

dimensiunile fizice
și caracteristicile electrice. Actuatoarele electrice de rotație sunt folosite în

pri
ncipiu în aplica
țiile automatizate în care o poartă, valvă sau alte elemente necesită o

mi
șcare
controlată pentru a ajunge la ni
ște poziții unghiulare specific definite. Deci, sunt

folosite în
multe industrii, unde este necesară pozi
ționarea și au diverse
tipuri de motoare.

Printre
aplica
țiile de bază se află robotica, ferestrele automate, și valvele din diverse domenii.

Actuatorul (Figura 3.4) are o cursă limitată, teoretic de 112 de grade, practic între 109

ș
i 115
grade. Această limită o
reprezintă defapt două opritoare mecanice din aluminiu,

respectiv ro
țile
din
țate din plastic care se lovesc de opritoare la capătul cursei, acestea fiind de

o anumită
dimensiune, calculată pentru a ob
ține unghiul și funcționalitatea dorită.

3. Ambreiajul

A
mbreiajul activ marca Kendrion este compus din ambreiaje cu un singur disc,
alimentate de un curent continuu de 24V. În reprezentarea 2D (Figura 3.5) sunt descrise
dimensiunile,
și armătura fără butuc cu flanșă (mijloc), respectiv armătura cu butuc cu flan
ș
ă
(dreapta)

Acesta face legătura între motor
și restul sistemului, datorită necesității deconectării
frânei pentru a putea fi roti
ți arborii, deoarece datorită raportului foarte mare, de 936:1 efortul
rotirii arborelui este prea mare pentru o
utilizare rapidă
și ușoară. În funcție de curentul cu care
este alimentat, dezvoltă un cuplu mai mare sau mai mic, limita inferioară fiind de 0.2 Nm iar
cea superioară fiind de circa 150 Nm.

Lucrare de

Licen
ță

19

Fig. 3.5.
Ambreaj

În cadrul sistemului, for
ța maximă va fi totu
ș
i de până la 15 Nm, datorat faptului că
actuatorul nu este unul de putere foarte mare. Totu
și, pentru teste, ambreiajul nu va primi un
curent mare pentru a se preveni o eventuală defectare a actuatorului sau a senzorilor. Acest
lucru s
–
ar putea datora uno
r probleme mecanice sau de software.

F
ig. 3.6. Motor Maxon EC 40 (SolidWorks)

Motorul are un reductor cu ajutorul căreia se ob
ține raportul de transmisie de 936:1.
Încărcarea radială maximă este de 80 N, viteza maximă (teoretică) este de 12000 rpm.
Motor
ul are rulmen
ți cu bilă, și un joc axial de maxim 0.14 mm.

Lucrare de

Licen
ță

20

Fig. 3.7. Motor Maxon EC 40 (2D)

5. Cuplajele mecanice

Cuplajele mecanice sunt de la RW Couplings, BKH
–
15, ele fiind făcute pentru un

cuplu
de până la 15 Nm.

Specifica
ții:



Lungime: 59mm;



Diametru exterior: 49mm;



Diametru interior posibil: 8
–
28mm;



Se fixează cu
șuruburi M5;



Material: Aluminiu;



Deplasare axială: maxim 1 mm;



Deplasare laterală: maxim 0.15 mm;



Deplasare unghiulară: maxim 1°;

Cuplajele (Figura 3.8) sunt
compuse din două bucă
ți complet separabile, și se strâng cu

două
șuruburi radiale. Acestea suportă viteze de până la 10000 rpm. S
–
au ales aceste cuplaje

care se pot desface complet pentru a putea scoate senzorul de cuplu din sistem fără o

deschidere a mai
multor elemente componente.

Lucrare de

Licen
ță

21

Fig. 3.8. Cuplaj mecanic
BKH
–
15

(
RW Couplings
)

6. Senzorul de cuplu

Fig. 3,9 Senzor de cuplu (2D)

7. Senzorul de unghi

Senzorul de unghi (Figura 3.10) este incremental, el nu are o limită maximă de
măsurare, ci poate
ajunge în teorie la orice valoare. Acesta are, din punct de vedere mecanic:

viteză maximă de rota
ție de 12000 rpm;

o deplasare axială maximă a arborelui de măsurat de ± 1 mm;

temperatură maximă de exploatare de 80 ° Celsius;

Lucrare de

Licen
ță

22

temperatură minimă de e
xploatare de 10 ° Celsius;

masă proprie de aproximativ 300 grame.

Fig. 3.10 Senzor de unghi incremental (ERN
–
480
HEIDENHAIN
)

Principala problematică a sistemului este păstrarea coaxialită
ții intregului ansamblului,
adică a arborilor
și
componentelor acestuia. Aceasta se datorează faptului că atât cuplajele, cât
și senzorul de unghi permit o deplasare radială de până la un grad. Astfel, în proiectare s
–
a
ținut
cont de ac
țiunea și reacțiunea stânga
–
dreapta, folosindu
–
se mai multe seturi de

rulmen
ți si de
elemente de fixare.

8. Suporturile mecanice

În două din suporturi au fost a
șezați doi rulmenți pentru o mai bună preluare a forțelor
din sistem,
și pentru a reduce deplasările radiale ale arborilor, iar în celălalt suport nu a fost
pus
niciun rulment datorită faptului că reductorul are propriul său rulment. Senzorul de unghi
este pozi
ționat cât mai aproape de actuator pentru a avea o deviație unghiulară foarte mică.

Pentru fixarea acestor suporturi pe placă s
–
au folosit
șuruburi speciale
, de păsuire (Figura
3.12), cu cap cilindric
și locaș hexagonal, toleranță h8. S
–
a folosit această variantăpentru
centrare,
șuruburile au diametrul M6.

Lucrare de

Licen
ță

23

Fig. 3.11 Suport cu 2 rulmen
ți

Fig
.

3.12
–
Șurub de păsuire

Măsurarea coaxialită
ții se poate
face prin mai multe procedee, cele la indemână sunt cu
ajutorul unui comparator sau măsurarea 3d cu o ma
șină automată. Pentru măsurarea cu un
comparator, se folose
ște un suport magnetic, sub formă de braț, care are ca rol fixarea acestuia
pe una din piese,

în cazul de fa
ță pe un arbore. Brațul are ca efector final comparatorul, care se
a
șează pe arborele alăturat, de măsurat. Astfel, se încep măsurătorile pentru o poziție, apoi se
continuă cu rotirea arborilor, colectarea datelor,
și așa mai departe, pentru

a se observa orice
modificare ce poate apărea odată cu rotirea, adică orice modificare apărută ca urmare a ac
țiunii
actuatorului asupra ansamblului mecanic
și electric.

Fig. 3.13 Măsurarea cu comparatorul

În Figura 3.13 se observă metoda de măsurare cu
comparatorul în cazul de fa
ță, a
sistemului de măsurare a cuplului, reprezentată grosolan, pentru o mai bună vizualizare. Un

Lucrare de

Licen
ță

24

comparator are o tijă palpatoare, un cadran gradat
și un ac indicator, și un șurub de blocare.
Acesta indică valoarea deplasării pa
lpatorului la contactul dintre acesta
și suprafețele arborilor
de măsurat.

Pentru calculul
și dimensionarea arborilor, a fost făcut un program de calcul ale abaterilor
unghiulare în arbori dar
și în întregul sistem. Acesta folosește formule din rezistența
materialelor pentru calculul abaterii, pentru fiecare arbore în parte dar
și pentru fiecare dintre
cele două cuplaje mecanice, în func
ție de rigiditatea lor, adică rezistența la deformări
unghiulare.

În cazul arborilor, materialul este o
țel, și este folosi
t modulul lui Young pentru o
țel și
coeficientul lui Poisson.

Pe lângă acestea, cuplul maxim considerat a fost de 15 Nm, de
și sistemul, mai exact

actuatorul nu va avea această for
ță. Formula folosită pentru calculul torsiunii în arbori este:

∙


=

∙

[2]

Unde:

d
–

diametrul arborelui

∙

–

moment de iner
ție polar pentru diametrul 1.

Pentru calculul deformării unghiulare în cazul arborilor s
–
a folosit formula:

∆


=

∙




∙


∙

[3]

∆


=
1
,
062°

Unde:

∆

–

deformare
unghiulară

L
–

cuplul maxim

l
1

–

lungimea arborelui

G
–

modulul elastic transversal

∙

–

torsiunea din arbori

La cuplaje, deformarea unghiulară este egală cu valoarea maximă a cuplului adică 15

Nm
împăr
țită la rigiditatea de torsiune, 20000
Nm/rad.

Din rezultate, se poate observa că deformarea unghiulară în arbori este mult mai mare

decât cea din cuplajele mecanice, care sunt folosite pentru păstrarea coaxialită
ții și centrarea

arborilor. Astfel, deformarea arborilor va fi de 0.976 ș iar cea
a cuplajelor de 0.08 ș

Deformarea unghiulară totală maximă a sistemului (Figura 3.14) va fi astfel de 1.06 ș.
Aceasta este o valoare acceptabilă pentru această aplica
ție și reprezintă eroarea mecanică

Lucrare de

Licen
ță

25

maximă, care alături de erorile electronice
și de softw
are, va ajuta în calculul erorii totale de
măsurare.

Fig. 3.14 Reprezentarea generală a sistemului în vederea calcului deforma
ției unghiulare

3.3 Partea electronică a sistemului

Din punct de vedere electric, ansamblul este format din:

1. Motor
și
controlerul acestuia, de tip EPOS
2
;

2. Ambreiaj;

3. Actuator, controlerul său, unitatea de control motor (ECU)
și interfața CAN
–
usb;

4. Senzorul de unghi
și unitatea externă de control;

5. Senzorul de cuplu
și amplificator.

1. Motorul Maxon EC
–
Max
și contr
olerul EPOS
2

(Figura 3.15).

Specifica
ții electrice:



Putere 120 wa
ți;



Alimentare nominală la 48 V;



Viteză reală fără încărcare de 10100

rpm;



Curent la sta
ționare 310mA;



Curent maxim 4.06 A;



Eficien
ță maximă 85%;



Constantă de viteză
213rpm/V;

Lucrare de

Licen
ță

26

Fig
.

3.15
–
Controlerul EPOS2

Motorul este fără perii, cu alimentare la curent continuu, de tip EC, adică este controlat
electronic. Asta înseamnă că motorul are magne
ți permanenți pe rotor și este folosită
electronica pentru
controlul voltajului
și curentului aplicat motorului. Ele funcționează pe baza
interac
țiunii câmpurilor magnetice, unul din ele fiind creat de rotor și unul de stator. Specific,
motoarele EC folosesc magne
ții permanenți pentru a crea câmpul rotorului, și o

serie de bobine
controlate de un comutator (controler) electronic pentru a crea câmpul magnetic al statorului.

Datorită lipsei periilor, durata de via
ță a motorului crește, și riscul de scurt
–
circuit dispare.
Pentru că statorul este controlat electronic,
ș
i nu este nevoie de o irosire a curentului electric
pentru inducerea câmpului pe stator, are o performan
ță și un control mai bun, și de asemenea,
emană mai pu
țină caldură deci au pierderi mai mici decât motoarele obișnuite. Din aceste
motive sunt folosite

in multe aplica
ții de puteri mici unde eficiența și controlul precis sunt
dorite.

În Figura 3.16 se poate observa schema electrică a controlerului EPOS2, cu ajutorul

căreia se comandă
și se citesc datele de stare ale motorului. Acesta vine cu un software
de

comandă, cu care se face o setare ini
țială a motorului, permițând funcționarea acestuia în mai

multe moduri. Din reprezentare, se vede felul in care se conectează controlerul,
și anume:

sursă
de tensiune standard sau logică, pe pozi
ția J1, respectiv J1A
. Motorul se conectează pe

pozi
ția
J2, iar dacă acesta este dotat cu un senzor Hall, există pozi
ția J3, în timp ce pe J4 este

conectat
encoder
–
ul motorului Maxon.

Controlerul mai permite conectarea diverselor interfe
țe de comunicare, dar și a unor

dispozit
ive care pot fi citite sau controlate. Acestea sunt interfa
ța CAN pe J10/J11, USB pe J9,

interfa
ța serială RS232 pe J8, iar diversele tipuri de dispozitive se pot conecta la J5, J6 și J7.

Lucrare de

Licen
ță

27

Fig. 3.16 Controler motor de tip EPOS2

2. Ambreiaj
Kendrion 86 011

Acesta este alimentat la o tensiune continuă de 24 de V,
și la un curent de maxim 0.7A.
Pentru utilizarea normală
și testarea inițială însă, acesta va fi alimentat cu aproximativ 0.1A
pentru a permite o alunecare, care să prevină distrugere
a componentelor în cazul unei erori de
citire, de software,
ș.a.m.d. . Ambreiajul poate fi controlat prin controlerul EPOS2 sau direct
de la sursa de alimentare, prin pornirea sau oprirea alimentării.

Lucrare de

Licen
ță

28

Fig. 3.17
Ambreiaj Kendrion

El suportă un cuplu ma
xim de 150 Nm, la curentul maxim de 0.7A, fiind făcut din mai
multe ambreiaje cu un singur disc fără inel de alunecare. Se caracterizează prin faptul că efectul
dinamic al câmpului electromagnetic este folosit pentru transmiterea cuplului (ambreiajele în
s
ine vin în contact datorită acestui câmp electromagnetic). Tipul acesta de ambreiaj asigură o
eliberare în siguran
ță, fără probleme de fiabilitate, respectiv fără cuplu rezidual în nicio poziție
in care este montat. Pentru acest ambreiaj nu este nevoie de
mentenan
ță pe parcursul duratei
lui de via
ță.

Aplica
țiile lui pot fi în diverse domenii:

industria automotive;

industria de fabricat echipamente;

tehnologiile de manipulare de obiecte;

instala
ții ale clădirilor;

Lucrare de

Licen
ță

29

tehnologii medicale;

ma
șini de î
mpachetat.

Fig
.

3.18
–
Ansamblul
și conexiunile electrice dintre sursele de alimentare și motor, controler și
ambreiaj

Din figura 3.18 se poate observa cu ro
șu alimentarea, adică borna pozitivă și cu albastru
borna negativă. Atât controlerul cât
și ambreia
jul sunt conectate la surse de tensiune,
alimentarea motorului facându
–
se prin intermediul controlerului. Între alimentarea pozitivă
și
cea negativă a ambreiajului a fost pozi
ționată o diodă pentru a limita tensiunea apărută la
bornele bobinei ambreiajului

odată cu deschiderea circuitului (oprirea). La nivelul comunicării
dintre motor
și controler există cablurile de alimentare, respectiv cablul de transfer date.

3. Actuator, unitatea de control motor
și interfața CAN
–

USB

Timpul de răspuns al
actuatorului este de sub 100ms chiar
și la 140 de grade Celsius.
Viteza de rota
ție maximă fară încărcare este de 6000 rpm, iar curentul în cazul acesta este de
0.5 A. Acesta se alimentează la 12 V curent continuu, de la o sursă externă. În timpul
func
ționă
rii, motorul de curent continuu actuează arborele de ie
șire prin intermediul unei roți
din
țate cilindrice către un arc de resetare. În modul normal de operare, actuatorul funcționează
pe baza semnalului PWM descris în capitolul 3. Arcul de resetare readuce

arborele la pozi
ția
normală, daca motorul nu este alimentat. Astfel, arcul de resetare trebuie să aibă o for
ță mai
mare decât frecarea din motor.

Actuatorul con
ține un senzor magneto
–
rezistiv KMA210 (Figura 3.19), care poate
măsura un unghi între 0
și 180

de grade. Acesta poate fi folosit pentru citirea pozi
ției
actuatorului, prin intermediul unită
ții de control motor.

Lucrare de

Licen
ță

30

Fig
.

3.19
–
Senzor KMA210

Specifica
ții:

Temperaturi de func
ționare de până la 16
0̊

C.

Protec
ție la supratensiuni de până la 16 V.

Poate fi programat de utilizator.

Calibrat din fabrică.

Cei trei pini care se pot observa în Figura 3.19 reprezintă, de la stânga la dreapta, Vdd,
alimentarea , GND, masa,
și OUT/DATA, pinul prin care se transmite informația de la senzor.

Senzorul amplif
ică două semnale diferen
țiale, care sunt mai apoi transformate într
–
un
domeniu digital. Unghiul se calculează folosind un algoritm specific, iar semnalul analogic este
transmis către ie
șire. Asta se întâmplă după conversia digital
–
analogic, valoarea efecti
vă fiind
reprezentată liniar.

Lucrare de

Licen
ță

31

Senzorul KMA210 mai face o verificare constantă de redundan
ță, alături de o verificare
a erorilor, precum
și o detecție a firelor rupte. Un circuit de detecție a întreruperii alimentării
trimite semnalul analogic către pinul r
ămas, daca alimentarea sau masa sunt întrerupte.
Parametri de configurare se salvează în memoria non
–
volatilă, la care poate avea acces
utilizatorul prin pinul OUT/DATA. Memoria mai are o func
ție de blocare, dacă este folosită,
con
ținutul acesteia nu mai p
oate fi schimbat.

Interfa
ța USB
–
CANmodul1, este folosită la conectarea unui bus CAN la PC prin
intermediul conexiunii USB. Tehnologia CAN (Controller Area Network) a fost dezvoltată in
1985 de Bosch pentru re
țelele din interiorul auovehiculelor. Înainte de

aceasta, producătorii
automotive foloseau conexiuni simple, directe, între diverse elemente electronice din ma
șini.
Acestea, odată cu apari
ția diverselor tehnologii și funcții de confort au început să ocupe prea
mult spa
țiu și să adauge greutate mașinii.
Astfel, tehnologia CAN, adoptată
și devenită standard
interna
țional imediat, a înlocuit o mare parte din fire, creând o rețea în autovehicul.

CAN oferă posibilitatea comunicării diverselor dispozitive între ele. Un avantaj este chiar
la unitatea de control

motor (ECU), care folose
ște o singură interfață CAN în locul intrărilor
analogice sau digitale separate pentru fiecare dispozitiv din sistem. Fiecare dispozitiv este
inteligent, ele pot vedea toate mesajele transmise
și gestiona importanța și relevanța

ac
estora
individual. Aceste mesaje au o prioritate, fiind transmise in func
ție de aceasta, cele care nu sunt
prioritare fiind întârziate.

În Figura 3.20 este reprezentată o compara
ție între un sistem de dimensiuni reduse cu
interfa
ța CAN și fără interfața CA
N.

Principalul tip de CAN folosit este cel de viteză mare, care permite un transfer de până
la 1 Mbit/s. Acestea sunt folosite pentru sistemele ABS (Antilock Brake System), care nu
permite blocarea ro
ților la frânare, module de control motor și sisteme de
emisii. Un tip modern
de interfa
ță CAN este cea cu rată flexibilă de transfer a datelor. Anumiți producători, pe baza
unor drivere specializate, au optimizat transferul de date ob
ținând astfel viteze de până la
8Mbit/s.

Lucrare de

Licen
ță

32

Fig
.

3.20
–
Sistem fără CAN (stânga)
și cu CAN (dreapta)

O unitate de control motor (ECU), denumit de unii creierul ma
șinii, este folosit pentru
controlul
și monitorizarea funcțiilor motorului, precum determinarea poziției pedalei de
accelera
ție la ralanti. Asta

face ca ma
șina să știe cât combustil sa dea motorului bazat pe
apăsarea accelera
ției. Unitatea de control motor mai controlează transmisia, spunându
–
i ma
șinii
când să schimbe vitezele, în cazul unei cutii automate. De asemenea, unele unită
ți ECU,
denumite

module de confort sau de control, gestionează geamurile, închiderea, senzorii
și alte
accesorii din ma
șină.

Înainte de apari
ția ECU, singurul dispozitiv nemecanic din mașină era radioul. Astfel,
închiderea automată, geamurile automate,
și toate funcțiile
pe care majoritatea le consideră
normale erau manuale. Printre principalele func
ții ale ECU este monitorizarea acțiunilor
ma
șinii, pentru înregistrarea erorilor, și, în funcție de problemă apare un martor de avertizare
în bordul ma
șinii, în general martoru
l de verificare motor.

Dezavantajul este că în cazul unei defec
țiuni, ECU
–
ul trebuie reparat sau schimbat, dacă
placa de bază din acesta este corodată sau arsă.

Fig. 3.21.
Schema de conectare a unită
ții de control motor, actuatorului și a interfeței CAN

Lucrare de

Licen
ță

33

În Figura 3.21 este reprezentată o diagramă de conectare a componentelor în cazul
sistemului de măsurare a cuplului. Alimentarea se face de la o sursă de curent continuu, doar
la ECU. Acesta face legătura între interfa
ța CAN și actuator, fiind cel ce trans
mite instruc
țiunile
primite de la PC către acesta.

4. Senzorul de unghi
și unitatea externă de control EIB 741

Senzorul de unghi Heidenhain ERN 480 este un senzor incremental, numit
și encoder, și
func
ționează prin procedeul deja explicat în capitolul 2, c
u specifica
ția că măsoară fiecare

incrementare (pas) de la un anumit punct de origine. Acesta, având nevoie de o referin
ță

absolută, are un traseu în plus pe discul de rota
ție, care conține un marcaj de referință. Acesta

are un singur pas de măsurare,
și t
rebuie scanat pentru a stabili o referin
ță sau a găsi o poziție

selectată. Numărul de măsurări pe o rota
ție este de 1000 de valori.

Acestea operează pe principiul fără contact, deci fără uzură, a scanării fotoelectrice

explicat în capitolul 2.
Senzorul con
ține celule fotovoltaice care convertesc variațiile luminii

în semnale aproape sinusoidale. Dimensiunea celulelor este de 10 µm.

Fig
.

3.22
–

Unitatea externa EIB 741

Unitatea de control (Figura 3.22) are rolul de a facilita citirea datelor
de la senzor
și
transferul lor către un calculator sau alt dispozitiv cu port Ethernet. Pe lângă aceasta, mai

Lucrare de

Licen
ță

34

permite utilizarea unui “trăgaci”, adică a unui dispozitiv extern tip generator de semnal care să
activeze citirea senzorului la un interval dorit

de timp.

Se permite conectarea simultană a patru senzori de unghi,
și a unui singur dispozitiv de
activare a citirii. Totu
și, interfața are integrat un astfel de “trăgaci” care se poate selecta din
programul făcut în LabVIEW.

Func
ționarea unității se
realizează prin crearea unei noi re
țele, similară cu cea de internet
dar cu datele oferite de producător, prin care se stabile
ște portul de comunicare între aceasta și
PC. Din punct de vedere func
țional, este prevăzută cu un buton de on/off și trei leduri,

unul
care indică dacă este alimentată sau nu, unul care indică dacă există o comunicare LAN între
aceasta
și un dispozitiv (PC), și unul de status care arată dacă aceasta primește date de la senzor
sau nu.

Specifica
ții:

Intrare de tip D
–
sub, cu 15 pini,

mamă, pentru 4 senzori.

Alimentare pentru senzori : 5.12 V ± 0.15 V, maxim 450mA per senzor, cu protec
ție
la supracuren
ți, la 550 mA.

Lungime maximă a cablului de 150m.

Frecven
ță a datelor de intrare de maxim 500kHz.

Interfa
ță de comunicare Ethern
et IEE 802.3 (maxim 1Gbit).

Temperatură de func
ționare între 0 si 45 grade Celsius.

Intrare de tip D
–
sub, 9 pini, tată.

Memorie de 250000 de valori per canal.

Fig
.

3.23

S
chema de conectare a senzorului de unghi

În figura 3.23 se poate observa conec
tarea senzorului prin intermediul elementelor
intermediare, la PC,
și anume la interfața LabVIEW. Senzorul de unghi se conectează direct la
amplificator, adică la unitatea EIB 741, oferită de producătorul senzorului, Heidenhain.
Aceasta la rândul ei este a
limentată de la re
țea, fără alte intervenții. Prin intermediul portului

Lucrare de

Licen
ță

35

Ethernet se realizează comunicarea cu PC
–
ul, cu ajutorul unei conexiuni automate de tip
Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) sau a unei conexiuni stabilite manual.

5. Senzorul de

cuplu

Multe din automatizările industriale mari cuprind o acționare electrică cu motor și un
utilaj de producție, însă arbori în rotație pot fi întâlniți în multe alte aplicații. Iar uneori se
întâmplă să fie imperios necesar să se urmărească valoarea cup
lului din arborele de antrenare.
Lăsând, deocamdată, la o parte faptul că mărimea efortului de torsiune din arbore depinde atât
de forța motorului de antrenare, cât și de reacțiunea cu care sarcina de lucru se opune în arbore,
aflăm că senzorii de cuplu
–

adică acele dispozitive (discrete din punctul global de vedere al
acționării electrice) care evaluează solicitarea din arbore
–

sunt destul de complicați (cel puțin
tehnologic). Dacă un cuplu static (în piese fără mișcare ori cu mișcare limitată) este mai
ușor
de citit, cuplul dinamic (în rotație completă și continuă) ridică multe probleme la conceperea
și la implementarea senzorilor de cuplu.

Majoritatea senzorilor de cuplu folosesc sensibilitatea magnetică tensiometrică
–

ei
sesizează abateri foarte discr
ete ale câmpului magnetic la suprafața arborelui de rotație, știind
că distorsionarea liniilor de flux magnetic constituie o măsură a solicitării de torsiune. Aceasta
deoarece reluctanța (impedanța, rezistența magnetică) anumitor materiale feromagnetice es
te
minimă de
–
a lungul planului de solicitare.

Un traductor de cuplu poate fi alcătuit din trei inele de materiale speciale în corporate în
jurul arborelui, fiecare inel având patru poli electromagnetici: inelul din mijloc joacă rolul
înfășurării primare a
unui transformator, iar inelele exterioare sunt secundarul. Inelele
secundare au polii decalați la 45° față de polii primarului. Dacă se alimentează inelul central al
senzorului cu curent alternativ, câmpul magnetic generat de acesta va induce o tensiune e
lectro
–
motoare (t.e.m.) în cele două inele exterioare. Legând aceste două inele secundare în serie,
t.e.m. generată înele se anulează câtă vreme arborele de rotație nu este solicitat la torsiune.
Când apare un cuplu în arborele monitorizat, deformările mec
anice de torsiune din acesta (deși
infinitezimale) vor distorsiona liniile de câmp magnetic, ceea ce va determina un dezechilibru
între t.e.m. induse în cele două inele secundare. Mărimea diferenței dintre cele două t.e.m.(de
ordinul milivolților) este pro
porțională cu solicitarea de torsiune din arbore.

Cam același principiu magneto
–
tensiometric (numit și „magneto elastic”) este folosit și
în cazul senzorilor de cuplu fără contact direct cu arborele, situație în care inelele sunt înlocuite
de
înfășurări polare sau de traductoare Hall. Senzorii de torsiune fără contact (CTS) au
avantajul de a se putea integra și ulterior în acționarea electrică, fără pretenții prea mari.

Lucrare de

Licen
ță

36

Mai observăm doar că, pentru a se obține o mărime cât mai clară a cuplului
măsurăt,
majoritatea dispozitivelor folosesc (intercalându
–
l între arborii motor și cel de sarcină) un
segment de arbore nu foarte rigid la torsiune.

Fig
.

3.24

S
enzor de cuplu Lorenz

( Imagine si CAD)

Specifica
țiile senzorului de cuplu (Figura
3.24):

Cuplu nominal de 10 Nm;

Viteză limită de

For
ță de apăsare limită 780 N;

Repetabilitatea rezultatului de ±0,05;

Conexiune electrică tip 6
–
pini, serie 723;

Sensibilitate: 1 mV/V.

Lucrare de

Licen
ță

37

CAPITOLUL 4

PROGRAMELE DE AUTOMATIZARE
ȘI CONTROL
(LABVIEW)

LabVIEW, sau Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, este un mediu de
programare prin care se creează programe folosind simboluri grafice conectate între ele cu fire
prin care trec datele. Astfel, diferă de limbajele de programare clasice pre
cum Java sau C++,
în care se programează text (cod). Totu
și, LabVIEW nu este doar un mediu de programare ci
un sistem de execu
ție și dezvoltare creat pentru persoane din diverse domenii, precum ingineri
sau cercetători, care au nevoie să programeze ca part
e din activitatea lor.

LabVIEW func
ționează pe calculatoare cu Windows, Mac OS, sau Linux și poate crea
aplica
ții pentru acestea sau multe alte sisteme de operare, precum Microsoft Pocket PC, sau
platforme dedicate, inclusiv procesoare de semnal (DSP) sau
microprocesoare.

Folose
ște un limbaj de programare foarte versatil și potent, numit de mulți utilizatori “G”
de la grafic,
și poate crește productivitatea foarte rapid. Programele ce pot fi scrise în LabVIEW
în doar cateva ore durează, în scrierea sub form
ă de cod, chiar
și câteva zile sau săptămâni.
Aceasta se datorează faptului că LabVIEW a fost creat special pentru simulări, măsurători
și
afi
șarea rezultatelor experimentale, se folosește des pentru prezentare de noi idei, prezentarea
unor concepte de pro
gramare,
ș.a.

De asemenea, datorită faptului ca LabVIEW e bazat pe software, utilizatorul decide
func
ționalitatea instrumentului. Astfel, se poate crea instrumentul virtual (programul) dorită
și/sau necesară în funcție de aplicație, la un cost mult
redus fa
ță de soluțiile tradiționale. Când
nevoile se schimbă, se poate schimba foarte u
șor și instrumentul virtual.

LabVIEW are biblioteci de func
ții și subprograme care realizează mare parte din funcțiile
obi
șnuite ale programării fără problemele și difi
cultă
țile apărute în programarea scrisă. De
asemenea, există func
ții prestabilite pentru achiziția de date (DAQ), interfața GPIB (General
purpose interface bus), interfe
țe seriale și comunicarea pe internet. Bibliotecile conțin diverse
func
ții, cum ar fi g
eneratoare de semnal, filtre, statistică, algebră liniară
și operații cu mulțimi
de numere.

Datorită naturii grafice a LabVIEW, acesta este practic o formă de prezentare a datelor.
Ie
șirea poate fi sub orice formă, inclusiv grafice sau alte tipuri de repre
zentări. Programele
LabVIEW sunt portabile între platformele de operare (sisteme de operare precum Microsoft
Windows, Macintosh,
ș.a.), deci pot rula între ele fără vreo modificare a aplicației. În felul ăsta,
LabVIEW este folosit în inginerie, controlul p
roceselor, chimie, fizică, învă
țământ, etc.

Lucrare de

Licen
ță

38

Fluxul de date din LabVIEW este diferit de dezvoltarea standard a sistemelor precum C
sau Java prin crearea unor diagrame bloc, adică programe grafice, fa
ță de liniile de cod bazate
pe text. Acesta elimină detali
ile sintactice ale mediilor de programare precum prezen
ța
punctului
și virgulei, sau a poziției parantezelor de diferite tipuri.

Astfel, se permite concentrarea pe fluxul de date, care se bazează pe principiul că o
func
ție nu se execută până când nu primeș
te datele necesare. De asemenea, chiar dacă
LabVIEW nu este bazat pe linii de cod text, principiile programării sunt acelea
și, fiind folosite
structuri specifice, precum cele repetitive.

Un program în LabVIEW constă într
–
unul sau mai multe instrumente vir
tuale (VI
–

virtual instrument), fiind numite astfel deoarece aspectul lor (interfa
ța) arată deseori precum
un instrument fizic.

Panoul frontal este o interfa
ță interactivă cu utilizatorul, și poate conține butoane simple,
butoane radio, grafice, controale
,
și indicatori, adică ieșirile din program. Diagrama bloc este
codul sursă a programului făcut în LabVIEW, reprezentând actualmente programul ce se
execută. Componentele diagramei bloc sunt alte diagrame bloc, numite subVI, func
ții
prestabilite, constante
,
și structuri de control a execuției. Pentru conectarea obiectelor din
diagrama bloc
și definirea fluxului de date, se trag fire virtuale între acestea. Panoul frontal are
terminale corespondente celor din diagrama bloc pentru transferul datelor între uti
lizator,
program
și retur.

Pentru folosirea unei subrutine (subprogram
–
subVI), care reprezintă un alt program de
sine stătător, acesta trebuie să prezinte o imagine cu un conector. Reprezentarea vizuală a unui
subprogram este folosită ca bloc în programul
în care este refolosit acesta.

4.1
Interfa
ța CAN, unitatea de control motor și actuatorul

În programul pentru controlul actuatorului s
–
a urmărit controlul acestuia cu viteza dorită
și automat, fără intervenția umană pe durata procesului, cu scopul de a rea
liza un număr finit
de curse, pentru testare.

Actuatorul se rote
ște odată cu primirea impulsurilor electrice de la ECU. ECU
–
ul
func
ționează pe baza unor instrucțiuni sub formă de mulțimi de numere de până la 8 biți fiecare
număr. Asta înseamnă, valori într
e 0
și 255. Aceste numere semnifică valorile zecimale a unor
instruc
țiuni sub formă hexadecimală. Aceste instrucțiuni înseamnă totul pentru actuator, de la
activare
și la transmiterea unui semnal de tip PWM (pulse width modulation), a cărui
caractestici se

vor traduce în viteza de rota
ție a actuatorului.

Lucrare de

Licen
ță

39

Fig
.

4.1
–
Schema bloc de func
ționare a actuatorului

prin ECU
și CAN

În schema bloc (Figura 4.1) se poate observa felul în care func
ționează actuatorul, cu
ajutorul LabVIEW. În panoul frontal (Figura 34) se

poate vedea butonul de RESET, numărul
de curse (number of runs),
și 3 mulțimi de numere. Aceste mulțimi reprezintă instrucțiunile
transmise pentru fiecare cursă dar
și răspunsul ECU
–
ului. ECU
–
ul transmite un răspuns după
fiecare instruc
țiune primită, care

poate însemna diverse lucruri, precum reu
șită, eșec, eroare de
comunicare, comandă gre
șită, etc. Există și un timp de așteptare între instrucțiuni, care permite
actuatorului să termine rota
ția într
–
un sens, înainte de a se roti în celălalt.

Astfel, înaint
e de rularea programului, se alege o viteză, un număr de curse,
și în funcție
de butonul Reset se porne
ște sau se resetează comunicația cu ECU
–
ul. Programul func
ționează
până la atingerea numărului de curse, asta înseamnă o rota
ție de tip 0
–
112, 112
–
0 grad
e.

Lucrare de

Licen
ță

40

Fig. 4.2
–
Panou frontal de control al actuatorului

Comunicarea se realizează ini
țial prin instalarea unui driver al interfeței CAN, transferul
de date mai apoi se face în LabVIEW prin ini
țializarea unei conexiuni în funcție de numărul
de port,
setarea unei stări a interfe
ței CAN, o rată de eșantionare a datelor și multe altele.
Această ini
țializare complexă a fost creată de programatorii din Germania care au realizat și o
parte din software
–
ul pentru ECU.

Datele numerice de control, men
ționate m
ai devreme, sunt transmise, după cum se poate
obseva în Figura 4.2, către blocul de ini
țializare a interfeței CAN, care permite transferul
datelor. Acest lucru se întâmplă concomitent, iar după răspunsul actuatorului, conexiunea se
închide. Pentru o singur
ă cursă au loc patru transferuri de date, în Figura 4.3 este reprezentat
programul descris. În program, mai există în fundal o secven
ță aproape în totalitate identică,
diferind doar aranjamentul blocurilor
și comanda direcției de rotație a actuatorului. As
tfel, au
loc 4 deschideri
și închideri a comunicării cu interfața CAN, deci, cu ECU
–
ul,
și astfel patru
transferuri de instruc
țiuni.

Lucrare de

Licen
ță

41

Fig. 4.3
–
Programul pentru rota
ția actuatorului spre stânga

4.2 Motorul Maxon
și controlerul EPOS2

Pentru motor (frână), p
rogramul a fost oferit de către producător, cu men
țiunea că deși
acesta permitea selectarea modului de lucru, software
–
ul în sine a trebuit ajustat în mare măsură
pentru func
ționarea în felul în care s
–
a dorit. În schema bloc (Figura 4.4), asta a însemnat
blocul
5, rota
ția cu o viteză selectată.

Configurarea setărilor este primul pas,
și anume setările de comunicare, interfața, în cazul
de fa
ță USB, numele controlerului, viteza de rotație, cu un sens sau altul, și accelerația,
respectiv frânarea. Motorul nu

permite acelera
ții sau frânări diferite. De asemenea, pe partea
de software a trebuit implementată o func
ție de setare a vitezei maxime de accelerare/decelerare
la fiecare rulare a programului, datorită faptului că la oprire, motorul se reseta pe o viteză

maximă sub 4000 de rota
ții pe minut. De asemenea, controlerul nu acceptă decât rata de
e
șantionare standard, de 1Mbit/s, adică un milion de valori pe secundă.

Lucrare de

Licen
ță

42

Fig. 4.4
–
Schema bloc de func
ționare a motorului

La rulare, software
–
ul activează portul de c
omunicare, identifică dispozitivul
și apoi îl
activează pe starea de func
ționare. Următorul eveniment îl reprezintă accelerarea arborelui
motorului până la viteza dorită.

Aceasta poate fi controlată pe parcursul rulării, la fel
și accelerarea, decelerarea
ș
i
schimbarea sensului. Motorul continuă să fie activ până la oprirea rulării programului. Viteza
controlată din software este cea de la motor, de până la 10100 rpm, nu cea de la arbore, de 936
ori mai mică.

În Figura 4.5, pe panoul frontal de control al m
otorului Maxon se poate observa blocul
de control a comunicării dintre PC (LabVIEW)
și motor, prin intermediul controlerului, viteza
de rota
ție 1 și viteza de rotație 2, care este cea folosită în rularea obișnuită a programului. Cu
“Velocity “ s
–
a notat co
ntrolul numeric al vitezei pentru aplica
ția de față.

Butonul de delay este folosit pentru încetinirea rulării programului, el reprezintă o func
ție
de a
șteptare, și oprește programul timp de un număr de milisecunde selectat de utilizator, pentru
eliberarea
procesorului, având un efect considerabil în reducerea puterii de calcul folosite.
NodeID este o identificare a pozi
ției pe care o ia dispozitivul cand este citit de PC.

Lucrare de

Licen
ță

43

Controalele de timeout controlează oprirea programului, urmată de o eroare, în cazul î
n
care acesta nu mai are activitate timp de un anumit timp.

Fig
.

4.5

Panoul frontal de control al motorului

În Figura 4.6 este reprezentat programul de control al motorului,
și reprezintă “codul”
propriu
–
zis din LabVIEW. Blocul (chenarul) mare, gri,
este un Loop, o secven
ță repetitivă, care
func
ționează până este apăsat butonul Stop.

Fig
.

4.6
–
Programul din LabVIEW de control al motorului

Blocurile de sus sunt cele de ini
țializare, iar în interior se petrece rularea continuă a
programului, deci este
transmisă viteza selectată, accelerarea, decelerarea
și alte informații și
setări.

Lucrare de

Licen
ță

44

În Figura 4.7 este reprezentat un subprogram (SubVI) al motorului,
și anume cel de
control al vitezei. Func
țiile din interiorul blocurilor au fost incluse în biblioteca ofer
ită de
producător. De asemenea, trebuie respectată o ordine de activare a func
țiilor motorului, fără
aceasta el nu poate func
ționa. Mai mult decât atât, motorul nu funcționează nici fără funcțiile
care nu ajută activ la vreuna din ac
țiunile sale, ele fiind

“catalogate” ca necesare de producător,
pentru informare
și/sau siguranță.

Cele trei blocuri din interior reprezintă setarea vitezei cu care dorim să se rotească

acesta,
răspunsul motorului care afi
șează viteza țintă, el nefiind necesar la funcționare,

re
spectiv
pornirea fizică a rota
ției motorului, până la viteza dorită
.

Fig
.

4.7
–
Subprogramul de control al modului de lucru

4.3 Senzorul de unghi
și interfața externă de control

În Figura 4.8 se poate observa panoul frontal din LabVIEW, în care sunt
afi
șate valorile
citite. Există un buton de reset a cărui func
ție se poate vedea în schema bloc de funcționare
(Figura 4.9)
și care repornește unitatea de control externă, resetând întreaga configurație,
inclusiv comunicarea cu PC
–
ul. De aceea, după reseta
re, senzorul are nevoie de 30
–
45 de
secunde pentru a putea afi
șa valori din nou.

Există un control al adresei IP a re
țelei și un buton de control a declanșatorului pentru
senzor. Acesta controlează numărul de valori măsurate pe secundă,
și poate fi intern
sau extern,
în func
ție de un
dispozitiv separat, pentru măsura doar la apari
ția unor evenimente.

Lucrare de

Licen
ță

45

Fig
.

4.8

Panoul frontal al senzorului

Fig. 4.9
Schema bloc a programului
de control
și

citire a
senzorului

Cele 4 axe reprezintă intrările în unitatea de control, adică cele 4 pozi
ții pe care se pot
pune senzori.

Level in bytes

reprezintă cantitatea de date în format binar analizată,
și unghiul propriu
–
zis se afi
șează la indicatorul Angle.

Acest program a fost

pus integral la dispozi
ție de catre producător însă datorită
compatibilită
ților cu LabVIEW și rețeaua, a trebuit adăugată o funcție de reset deoarece la
oprirea defectuoasă a programului, senzorul rămâne activ
și nu mai poate fi citit.

Programul propriu
–
z
is începe cu configurarea adresei IP, dacă nu este făcută deja, iar la
rulare are loc detec
ția și deschiderea comunicării cu unitatea de control și configurarea axelor
(cite
ște pe ce poziție este fiecare senzor). Starea butonului de reset decide continuare
a
programului, acesta rulează până este oprit de catre utilizator.

Lucrare de

Licen
ță

46

La final, este extrem de importantă func
ția de închidere a senzorului și a comunicării
dintre PC
și unitate. În caz contrar, la o a doua rulare a programului, senzorul nu va mai putea
fi ci
tit
.

Fig
.

4.10

Programul de conversie a valorii numerice afi
șate de senzor în unghi

În Figura 4.10 este reprezentat subprogramul realizat pentru conversia valorii primite de
la senzor în unghiul real. Acesta este situat în programul final sub formă de
bloc reprezentat
vizual ca un calculator, cu acela
și titlu.

Func
ționarea acestuia se bazează pe faptul că senzorul nu prezintă valorile în grade, ci
doar o unitate proprie, care nu semnifică nimic pentru utilizator. Acesta are 1000 de linii, adică
1000 de
valori ON
–
OFF a luminii. Altfel spus, la o rota
ție completă, în teorie, senzorul poate
face 1000 de măsurători, de acolo
și înmulțirea cu 360, respectiv împărțirea cu 1000. De
asemenea, senzorul are un factor de subdiviziune de 4096, ceea ce înseamnă că pe
ntru fiecare
din cele 1000 de linii, senzorul de lumină poate reprezenta intensitatea luminii în alte 4096 de
valori diferite. Deci, este nevoie de încă o împăr
țire, cu 4096 pentru afișarea unghiului real, în
grade.

După efectuarea acestor opera
ții este ne
cesară condi
ționarea valorilor, respectiv alegerea
fiecărui prim număr din mul
țimea de numere transmisă de la senzor, care reprezintă poziția
propriu
–
zisă. De asemenea, precizia senzorului este de ~360/(4096*1000) adică aproximativ
0.0001ș.

Lucrare de

Licen
ță

47

Fig
.

4.11

Pro
gramul de resetare a valorilor unghiului

În Figura 4.11, se poate vedea un program de resetare a unghiului la atingerea valorii

de
360ș. Datorită faptului ca encoderul este incremental
și valoarea măsurată poate ajunge

până la
o valoare de zeci de mii de g
rade, a fost necesară integrare unui subprogram de
readucere a
unghiului la valoarea 0 odată ce senzorul măsoară 360ș. Pentru asta au loc

multiple opera
ții de
verificare, împăr
țire, scădere și rotunjire. Dacă valoarea netransformată

este între 360 si
–
360,

nu are loc nicio opera
ție suplimentară.

În Figura 4.12, se află o imagine a programului complex de citire a encoderului

(senzorului) de unghi Heidenhain ERN 480 prin intermediul unită
ții de control Eib 741, a

cărui
func
ționare a fost descrisă pe scurt ma
i sus, cu ajutorul schemei bloc.

Lucrare de

Licen
ță

48

Fig
.

4.12

Programul de citire și control a senzorului de unghi

Lucrare de

Licen
ță

49

4.4 Senzorul de cuplu

Senzorul de cuplu comunică cu interfa
ța LabVIEW prin intermediul unui amplificator,
conectat direct la un USB. Acesta
func
ționează ca un instrument serial, conexiunea făcându
–
se
rapid. Este necesar un driver oferit de producător pentru detec
ție, și specificat portul la care
este conectat senzorul.

În panoul frontal (Figura 4.13) se poate observa o sec
țiune de setări și un
a de măsurări.
În partea setărilor se observă datele de intrare, portul de comunicare, numărul de măsurători
efectuate, statusul
și ale setări. Acestea permit controlul atât înainte cât și în timpul rulării
programului. În sec
țiunea de măsurători este afiș
ată valoarea măsurată, care poate fi un cuplu
sau o for
ță. Factorul de scalare trebuie schimbat pentru reprezentarea reală a valorilor, în funcție
de unitatea de măsură. Se poate face o medie a valorilor citite,
și selecta numărul de zecimale
afi
șate.

Fi
g. 4.13 Panoul frontal al senzorului de cupru

Pentru func
ționare trebuie configurat un număr ridicat de setări și astfel pregătit transferul
de date, caracterele transferate, fluxul de date,
ș.a.m.d. Acestea se pot observa și în Figura 4.14,
fiind repreze
ntat întreg codul de func
ționare a acestuia.

Lucrare de

Licen
ță

50

Fig. 4.14 Programul de citire a senzorului de cuplu

4.5 Automatizarea sistemului

Pentru realizarea automatizării trebuie creat un program final, de control a tuturor
elementelor prezentate până acum. Astfel,

trebuie integrate: interfa
ța de control a actuatorului,
prin CAN
și unitatea de control motor, motorul și controlerul său, senzorul de unghi și interfața
de control, respectiv senzorul de lucru.

Programul de automatizare a fost anexat
și alăturat lucrării
. În acesta am adăugat
numeroase func
ționalități, pentru controlul și rularea programului în felul dorit.

Astfel, am adăugat un buton de resetare a senzorului de unghi, care opre
ște rularea
întregului program. De asemenea, am creat o buclă repetitivă în ca
re am integrat aproape tot,
cu excep
ția: setarea și deschiderea comunicării a senzorului de unghi, setarea și activarea
func
țiilor motorului, alegerea portului pentru senzorul de cuplu și inițializarea unui control a

erorilor respectiv după rulare, resetar
ea interfe
ței CAN și închiderea funcțiilor și comunicării
cu motorul.

Lucrare de

Licen
ță

51

Prima parte a buclei o reprezintă rularea
și activarea funcțiilor motorului și ale
actuatorului. Pentru început, are loc citirea pozi
ției și vitezei motorului, urmată de
transformarea în

valoare reală (unghi)
și comparată cu pozițiile (unghiurile) dorite a se atinge.
Acestea sunt incluse într
–
o serie de casete booleene (cu valoare de adevăr),
și în funcție de
pozi
ția motorului și unghiurile selectate, minim și maxim, între cele ~112
ș de r
ota
ție ale
motorului, are loc rota
ția motorului către unul din unghiuri, și rotația actuatorului, care este
însă frânat de motor.

Viteza poate fi controlată distinct pe fiecare direc
ție la motor, dar și la actuator (puterea),
prin semnalul PWM. La fel, acc
elera
ția și frânarea motorului sunt controlate de utilizator. La
rularea acestor casete, adică la rota
țiile propriu
–
zise, am implementat un numărător, care
afi
șează stadiul măsurării, comparat cu un număr de curse selectat de utilizator. De reamintit,
o cu
rsă reprezintă un drum complet ~0ș
–
112ș, ~112ș
–
0ș. La atingerea numărului de curse
selectat, are loc oprirea programului
și închiderea comunicației cu dispozitivele.

Pentru ob
ținerea valorii unghiulare minime și maxime pe care o poate avea
actuatorul,
măsurate la nivelul senzorului de unghi, am creat un afi
șaj, tip mulțime de numere, care
analizează toate valorile măsurate
și selectează doar minimul și maximul.

Senzorul de unghi are integrate în buclă citirea continuă,
și calculatorul, respe
ctiv

programul de resetare prezentate în subcapitolul 4.3, precum
și un status care oprește rularea

programului.

Programul senzorului de cuplu nu are func
ții în plus față de cele prezentate anterior, și

a
putut fi implementat rapid, doar printr
–
o
restructurare a transferului de date
și eliminarea

buclei
proprii.

Datele intră într
–
un subprogram (Figura 4.15) care transformă datele în informa
ție de

tip
grafic,
și calculează derivata unghiului în funcție de timp, adică viteza, de la senzorul de

unghi,

bazat pe un algoritm de calcul
și formulei de transformare în radiani. Pentru a putea

calcula
eficient derivata la nivelul senzorului de unghi, trebuie
ținută o numărătoare a

valorilor citite
de acesta. Astfel, timp de o secundă, are loc împăr
țirea a 1000

de milisecunde

la numărul de
valori citite, proces care se repetă continuu. De
și derivata nu este de interes

pentru măsurătoarea
finală, aceasta a fost folosită pentru verificarea func
ționării optime și

observarea fluctua
țiilor
în măsurătoare datorate div
erselor erori dar
și a deformațiilor

mecanice, rezultatul (viteza) fiind
în final foarte apropiat de viteza măsurată la motor.

Lucrare de

Licen
ță

52

Fig. 4.15 Subprogramul de transformare a datelor în reprezentare grafică

În panoul frontal al aplica
ției finale (Figura 4.16)

se pot vedea elementele
și
func
ționalitățile descrise în paginile anterioare. Fiecare dispozitiv este poziționat în propria
sec
țiune, controlul motorului în stânga sus, controlul și afișajul senzorului de unghi în
stângamijloc, actuatorul
și starea testul
ui în stânga jos,
și afișajul și controlul senzorului de
cuplu în dreapta
–
jos. Pentru testul din imagine, atât unghiul cât
și cuplul au fost afișate în
func
ție de timp

Fig. 4.16
–
Panoul frontal al aplica
ției finale

Lucrare de

Licen
ță

53

4.6 Modul de operare a sistemului

GPA
–
ul

(General Purpose Actuator) produce mi
șcarea ca urmare a instrucțiunilor primite
de la ECU (Engine Control Unit). Acesta este controlat din calculator prin intermediul unei
interfe
țe CAN (Controller Area Network), prin USB. Fluxul de date se realizează atâ
t dinspre
calculator către GPA cât
și invers, actuatorul având un senzor de poziție care oferă informații
despre unghiul arborelui de ie
șire din actuator. De asemenea, ECU
–
ul oferă informa
ții despre
erorile apărute sub formă de coduri hexazecimale. Aceste
coduri pot fi din diverse cauze, de la
lipsa unui răspuns, la erori de scriere a comenzilor.

Sistemul mecanic are o parte motoare (GPA
–
ul)
și o parte de frânare (motorul cu
reductorul). Frânarea este folosită pentru măsurarea momentului produs de GPA, ca
ș
i
reac
țiune. Pentru a putea poziționa arborele GPA
–
ului in interfa
ța mecanică, este nevoie de un
ambreiaj, care poate decupla frâna atunci când se montează GPA
–
ul în ansamblu. Aceasta se
datorează raportului de transmisie mare, de 936:1, care nu permite ro
tirea manuală a arborilor
(ansamblului) pentru fixarea actuatorului.

Între GPA
și frână sunt poziționați senzorii de unghi și de moment, care măsoară precis
unghiul
și momentul dat de GPA. Pe frână (motor) mai este poziționat un senzor de unghi, care
are r
olul de a controla pozi
ția și viteza frânei. Atât ambreiajul cât și motorul sunt legate de un
controler, care prime
ște instrucțiuni de la calculator prin interfața software. Senzorul de
moment trimite date calculatorului după ce semnalul este amplificat de

către un amplificator
integrat pe cablul USB. Acesta func
ționează pe principiul acțiunii și reacțiunii din arborele
propriu, având o precizie de 10
–
3 N.

Senzorul de unghi a fost pozi
ționat cât mai aproape de actuator, pentru determinarea
unghiului cu eror
i cât mai mici. Din acest motiv, nu s
–
a folosit senzorul de unghi de la motor,
for
țele cu direcții opuse produc o deformare unghiulară a arborilor și a cuplajelor, fiind astfel
una din cauzele apari
ției erorilor. Pentru fiecare componentă există o alimenta
re electrică de la
sursele men
ționate anterior, și cablaj pentru transferul semnalului, care poate fi o tensiune sau
un curent.

Interfa
ța software din LabView realizează automatizarea acestui proces, urmărindu
–
se o
citirea datelor cât mai precisă. Ea integrează atât semnalele primite de la senzori cât
și
instruc
țiunile de comandă trimise către elementele intermediare de control. Ac
easta va putea

fi
reutilizată pentru produse de acela
și tip, sau cu mici modificări, pentru alte produse (ACVuri,
ETC
–
uri, ECV
–
uri).

ACV
–

Air Controlled Valve;
(Supapa de aer reglabilă)

Lucrare de

Licen
ță

54

ETC
–

Electronic Throttle Control;

(
Control electronic al clapetei de a
ccelera
ție
)

ECV
–

Exhaust Control

Valve.

(
Supapă de control al gazelor de evacuare
)

Programul din LabVIEW pentru comanda actuatorului a fost conceput pentru transmisia
directă a unui flux de comenzi numerice, adică a unor mul
țimi de numere, fiecare cu un
caracter
și o dimensiune bine stabilite de programul intern al unității de control motor (ECU). Legătura
dintre ECU
și LabVIEW (PC) este realizată cu ajutorul interfeței CAN, care trebuie găsită și
folosită în software pentru transmiterea de date. Fiind US
B, trebuie selectat portul pe care
aceasta se află.

Acesta se bazează pe transmisia instruc
țiunilor, adică a mulțimilor de numere secvențial,
pentru efectuarea unei mi
șcări de tip ~0°
–
112°, ~112°
–
0°, ceea ce reprezintă o cursă completă.
Programul mai permi
te transmisia semnalului PWM (Pulse Width Modulation) care
controlează durata impulsului
și puterea, deci viteza cu care actuatorul face cursa.

Senzorul de unghi are o unitate de control, care comunică, a
șa cum s
–
a men
ționat, printr
–
o interfa
ță Ethernet cu

PC
–
ul. Ca
și în cazul CAN, această interfață trebuie gasită și folosită
programatic pentru utilizare. Pentru func
ționare, trebuie setată poziția fizică de citire
senzorului, fiind disponibile patru intrări, stările interfe
ței iar apoi setarea propriu
–
zisă

a
senzorului
și modul în care acesta funcționează. Rezultatul afișat este transformat în unghi tot
în software, cu ajutorul unor opera
ții matematice și a unor condiții logice.

Motorul prime
ște instrucțiunile prin intermediul controlerului EPOS, și se per
mit diverse
moduri de func
ționare, care trebuie setate din software. Acesta primește instrucțiunile numeric,
fără transformări vizibile în LabVIEW, spre deosebire de actuator, care prime
ște comenzile în
format hexazecimal. Pentru acest sistem s
–
a folosit m
odul de viteză cu profil de accelera
ție, în
care motorului i se dă o viteză
țintă și o anumită accelerație.

De asemenea, motorul a mai fost testat
și pe modul de rotație la un anumit unghi, cu
profil de accelera
ție. Datorită naturii aplicației însă, motoru
l va fi controlat doar în func
ție de
pozi
ția măsurată de senzorul de unghi.

Toate aceste programe din LabVIEW au fost puse împreună pentru controlul
și citirea
simultană a dispozitivelor,
și au fost făcute legăturile între ele.

De asemenea, a fost implemen
tat un grafic care să calculeze derivata unghiului în func
ție
de timp, care folose
ște atât date din motor cât și senzorul de unghi. Aceasta este comparată cu
viteza reală a motorului, afi
șată de senzorul acestuia, și face disponibilă observarea erorii și
o
scila
țiilor datorate deformărilor unghiulare și preciziei programelor de citire și control.

În cele din urmă, odată cu implementarea senzorului de cuplu, se cite
ște cuplul produs în
urma ac
țiunii și reacțiunii date de actuator, respectiv de motor.

Lucrare de

Licen
ță

55

Concluz
ii



Am realizat asamblarea virtuală a sistemului;



Am realizat programele software în Labview pentru :

a) Setarea
și controlul actuatorului;

b) Setarea
și citirea senzorului de unghi;

c) Setarea
și citirea senzorului de cuplu;

d) Setarea
și controlul motorul
ui;



Am
simulat
alimenta
rea

ambreiajul cu un curent foarte mic pentru teste, pentru a
exista o alunecare în cazul în care se produce o eroare de software, citire,
ș.a.



Am făcut două variante ale programului de control pentru motor, unul de control a
pozi
ție
i pe baza senzorului unghiular din acesta,
și unul de control al vitezei, fără
controlul pozi
ției;



Pe viitor se va folosi exclusiv senzorul de unghi pentru controlul pozi
ției motorului;



Se va finisa interfa
ța finală și calculul erorilor;



Se vor putea test
a diverse tipuri de actuatoare, cu un număr mare de curse făcute

Lucrare de

Licen
ță

56

Bibliografie.

1.

Ț
arcă R.
–

Introducere în robotică, Editura Universită
ții din Oradea, 2003

2.

Ț
arcă R.
–

Sisteme de fabrica
ție flexibilă, Editura Universității din Oradea, 2004

3.

Craciun Dan .
–

Proiectarea
și construcția sistemului mecanic al roboților, notițe de
curs

4.

Vesselenyi T.
–

Comanda
și programarea roboților,
Editura Universită
ții din
Oradea, 2001

5.

Tripe V. C
–

Bazele sistemelor mecatronice
–

note curs

6.

Pop M. Elemente de teorie și aplicați
i CAD Editura Universității din Oradea, 2004

7.

Pop M. Proiectare asistată de calculator curs Editura Universității din Oradea;

8.

Țarcă, I
.

Organe de ma
șini, Ed. Universității din Oradea, 2004

9.

Dolga, V., Senzori și traductoare, Editura Eurobit, Timișoara, 1999

10.

. Travis, J., Kring, J., LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy
and Fun, 3rd Edition, 2006

11.

Urbgroup
–

Curs electronic despre frecarea in rulmen
ți

12.

http://www.resist.pub.ro/Cursuri_master/MEVSM/curs_8.pdf

13.

http://www.ti.com/
–

Texas Instruments

14.

https://www.pc
–
control.co.uk

15.

http://www.thomasnet.com/articles/pumps
–
valves
–
accessories/types
–
of
–
actuators

16.

http://www.wdtl.com/

17.

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/K
MA210.pdf

18.

http://www.ni.com/white
–
paper/2732/en/

19.

http://www.maxonmotor.com/maxon/view/product/283870

20.

http://www.lorenz
–
sensors.com/english/products/rotating_slipring/dr
–
2.php

21.

http://www.heidenhain.de/de_EN/products/subsequent
–
electronics/evaluationelectronics/eib
–
700/

22.

https://www.ni.com/ro
–
ro/.html