STUDIUL SI REALIZAREA UNUI SISTEM AUTOMAT DE [624225]

1

Anexa 8

MINISTERUL EDUCAȚIEI NA ȚIONALE
UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIEȘTI
FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂ Ș I ELECTRICĂ
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ SI INFORMATICĂ APLICATĂ
FORMA DE ÎNVĂ ȚĂMÂNT: IF

Vizat
Facultatea I.M.E
Aprobat,
Director de de partament,
Prof.dr.ing. Cristian Pătrășcioiu

PROIECT DE DIPLOMĂ
TEMA: STUDIUL SI REALIZAREA UNUI SISTEM AUTOMAT DE
ACȚIONARE ELECTRICĂ REGLABILĂ, CU MICROCONTROLER

Conducător științific:
Sef lucr. dr. ing. Săvulescu Alexandru
Consultant științific:
Prof. dr. ing. Bucur Cristian
Absolvent: [anonimizat]
2017

2
Cuprins
INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……3
CAPITOLUL 1 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 5
ACȚIONAREA ELECTRICĂ REGLABIL Ă A MOTORULUI DE CURENT CONTINUU …………… 5
1.1 Motorul de curent continuu cu perii ………………………….. ………………………….. ……………………. 5
1.2 Motorul de curent continuu fără perii ………………………….. ………………………….. ………………….. 9
1.3 Sisteme de acționare cu motoare de curent continuu ………………………….. ………………………. 11
CAPITOLUL 2 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 13
PROIECTAREA SISTEMULUI AUTOMAT DE ACȚIONARE ELETRICĂ ………………………….. … 13
2.1 Modalități de control al turației ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 13
2.2 Structura hardware a siste mului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 15
2.3 Descrierea componentelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 16
CAPITOLUL 3 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 23
PUNERE A ÎN FUN CȚIUNE A SISTEMULUI ………………………….. ………………………….. ………………. 24
3.1 Obținerea semnalului PWM ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 24
3.2 Simularea procesului in Matlab ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 25
3.3 Rezultatele simulării procesului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 27
3.4 Interfața grafica a comenzii acționarii ………………………….. ………………………….. ……………………. 29
CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 30
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 31
REZUMAT ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 32
SUMMARY ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 333

3

INTRODUCERE

Sistemele de acționare electrice absorb cea mai mare parte din energia electrică produsă.
Conversia energiei electrice în energie mecanică implică motoare electrice cu puteri de la
câțiva wați până la zeci de MW. Datorită dezvoltării tehnologiei și control ului automat ,
sistemele automate de reglare a acționării electrice au o dezvoltare din ce în ce mai mare.
Rolul unui sistem de acționare electrică este de a realiza [7]:
– un „flux” de energie de la rețeaua electrică la procesul tehnologic prin intermediul
elementului de execuție, motorului electric, transmisei și mașinii de lucru ;
– un „flux” de comenzi care trebuie să asigure optimizarea fluxului de energie în funcție
de diverse criterii.
Schema bloc generală a unei acționări electrice este prezentată în figur a de mai jos :

Fig. 1 Schema bloc a unei acționări electrice
energie electrică
energie mecanică
S-au utilizat notațiile :
S.E.E. – sursă de energie electrică ,
M.E. – motorul electric care transformă energia electrică în energ ia mecanică.
De regulă , această energie este materializată printr -o mișcare de rotație, iar parametrii
ce o caracterizează sunt:
M – cuplu ( Nm)

4
Ω – viteza unghiulară ( rad/s )
𝑃=𝑀∗Ω
M.T. – mecanism de transmisie . Acesta are rolul de a adapta parametrii en ergiei
mecanice furnizate de către motorul electric la cerințele mașinii de lucru [M.L] . Acest
mecanism poate schimba și tipul de mișcare (de exemplu, mecanismul bielă -manivelă care
transformă mișcarea de rotație în mișcare de transla ție sau invers). Param etrii ce
caracterizează mecanismul de trans misie sunt:
i – raportul de transmisie
i =Ω/Ωs
randamentul mecanismului de transmisie

M.L. – mașina de lucru , reprezintă elementu l care transformă energia mecanică în
lucru util. Exemple: mașini -unelte, r oboții casnici, tramvaiul, etc.
Avantajele acționărilor electrice:
– transportul energiei electrice este foarte simplu pe distanțe mari și la puteri foarte
mari;
– există o gamă foarte variată de mașini electrice cu puteri și turații diferite ;
– la mașinile elec trice se poate realiza pornirea, frânarea și se poate modifica turația în
cele mai bune condiții ;
– funcționarea este economică și se poate recupera energie ;
– asigură posibilități foarte bune de automatizare .
Aplicații industriale tipice ale sistemelor elect rice de acționare :
– în industria cimentului: concasoare, mori de ciment ;
– în industria textilă: războaie de țesut ;
– în industria producătoare de bunuri de larg consum: frigider e, aparate de climatizare ,
mașini de spălat, alte echipamente electrocasnice ;
– centr ale hidroelectrice ;
– în industria metalurgică , a hârtiei s șa celulozei: mașina de tăiat și de decojire a
buștenilor, mașini de amestecat ;
– în industria producătoare de mijloace de transport : autovehicule, trenuri , ascensoare .

5

CAPITOLUL 1
ACȚIONAREA ELECTRI CĂ REGLABILĂ A MOTORULUI
DE CURENT CONTINUU

Motorul de curent continuu a fost inventat în anul 1873 de către Zenobe Gramme.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate , astfel
încât se creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului se află un colector care poate
schimba sensul curentului prin înfășurarea rotorică , astfel încât câmpul magnetic de excitație
să exercite în permanență o forța față de rotor.
Datorită performanțelor sistemelor de acționare electrică , acestea sunt mu lt superioare
celor hidraulice și pneumatice, iar aceasta ocupă î n mo mentul de față mai mult de 70% din
sistemele de acționare utilizate pe plan mondial.
1.1 Motorul de curent continuu cu perii
Rotorul mo torului de curent continuu are î n componență o bobină alimentată la o sursă de
tensiune continuă prin perii de carbon. Motoarele de curent continuu se pot comanda în
tensiune , deoarece viteza motorului este direct proporțională cu sursa de tensiune când sarcina
este constantă. Pentru rot irea în ambele sensuri, curentul rotorului trebuie să fie inversat,
deoarece trebuie respectat câmpul magnetic al statorului.
În funcție de modul de conectare a înfășurării de excita ție, motoarele de curent continuu pot fi
clasificate î n:
• moto are cu excita ție independentă ;
• motoare cu excitație derivație (paralel) ;
• motoare cu excitație serie ;
• motoare cu excitație mixtă (compound) .

6

a b

c d
Fig. 1.1 Tipuri de excitație ale motoarelor de c.c.
a. independentă b. paralel c. serie d. mixtă

Fig. 1.2 Caracteristicile mecanice ale motoarelor de c.c. după felul excitației
După cum se observă î n figura 1.2 , motoarele de c.c. cu excitați e independentă au o
caracteristică mecanică liniară rigidă ( puțin coborâtoare). Tot o astfel de caracteristică au și
motoarele cu excitație derivație. Acest tip de caracteristică face ca motoarele de c.c. cu acest
tip de excitație să fie utilizate în acționări electrice reglabile.
Caracteristica mecanică a motoarelor de c.c. cu excitație se rie este o caracteristică
moale (are formă hiperbolică). Aceasta face ca acest tip de motoare să fie preferate în
tracțiunea electrică și în instalațiile de rid icat.

7
Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli
magnetici echivalenți . Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii
rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși . În același moment, colectorul schimbă
sensul curenților rotorici , astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua
deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.
La acționări electrice de puteri mici și medii sau cele care nu necesită un câmp
magnetic de excitație variabil , se folosesc magneți permanenți în locul înfășurării statorice .
Acest mod este prezentat in figura 1.3
La motoarele de curent continuu, curentul Ia din indus nu trebuie să depășească de
2-2,5 ori curentul nominal, ni ci chiar un timp scurt, deoarece – în caz contrar – comut ația s -ar
înrăutăți foarte mult și în plus, încălzirea conductoarelor ar depăși limitele admisibile.
La pornire, când turația este nulă, întreaga tensiune de aliment are se regăsește pe
rezistenț a, destul de scăzută a indusului.
Observație : La funcționarea normală, cu o anumită turație , pe lângă tensiunea rețelei ,
în motor mai apare – prin inducție – și tensiune a contraelectromotoare , care se scade din
tensiunea de alimentare și astfel, pe reziste nța indusului se regăsește o tensiune mult mai
mică.
Rezultă valoarea curentului de pornire:
apRUI . Acest curent depășește de 20 – 50 de ori
curentul nominal, deci nu este admisibil pentru motor și nici pentru rețeaua care alimentează
motorul.

Fig. 1.3 Alimentarea motorului de c.c. cu magneți permanenți

8

Reducerea curentului de pornire se poate face prin:
• reducerea tensiunii de alimentare U . Această metodă se poate aplica numai dacă
tensiunea U poate fi reglată după voie, cu o inst alație specială.
• introducerea în circuitul principal al motorului a reostatului de pornire R p.

Prin alegerea convenabilă a lui Rp curentul de pornire poate fi mult diminuat:

p apR RUI = (2-2,5)I n.
Această metodă se aplică la motoarele alimentate de la rețele cu tensiune constantă. Pe
măsură ce turația motorului crește, reostatul Rp poate fi tr eptat scos din circuit astfel că , la
sfârșitul pornirii, el să fie scurtcircuitat [8].

Fig. 1. 4 Pornirea motoarelor de curent contin uu prin inserarea unui reostat î n
trepte în circuitul indusului
a. -Schema de principiu b. -Diagrama de pornire a motorulu i

UM
MM MnMmR1
R1R2R2R3 R3Ra
RaUexIex
r3r2r1N
n1n2n3nnn0
a b

9
1.2 Motorul de curent continuu fără perii

Un motor tipic fără perii are mag neți permanenți care se rotesc în jurul unei armături
fixe, eliminând problemele asociate cu conectarea prin conductor a bornelor rotorice la
armătura în mișcare. Un controler electronic înlocuiește ansamblul perie -colector al motorului
de curent continuu și comută continuu faza pe înfășurări pentru a menține motorul în
mișcare [4].

Fig. 1. 5 Motorul de c.c. fără perii , cu patru poli

Motoarele fără perii oferă mai multe avantaje față de motoarele de curent
continuu clasice ( cu perii ), cum ar fi :
– raportul cuplu maxim / cuplu este mare ,
– cuplu mai mare pe watt (eficiență sporită),
– fiabilitate sporită,

10
– zgomot redus,
– durată de viață mai lungă ( se elimină defectele datorate periilor și eroziuni
colectorului),
– se elimină posibilitatea apariției scânteilor ionizante de la colector,
– se reduc interferențe electromagnetice (EMI).
Deoarece nu au nici o înfășurare pe rotor, acestea nu sunt supuse forțelor centrifuge
și datorită faptului că înfășurările sunt susținute de carcasă, ele pot fi răcite prin conduc ție,
fără a necesita vreun flux de aer în interiorul motorului pentru răcire. Aceasta, la rândul
său, înseamnă că interiorul motorului poate fi complet închis și protejat de particule
străine.
Comutarea moto arelor fără perii poate fi implementată în softw are utilizând un
microcontroler sau un calculator cu microprocesor sau poate fi implementată alternativ în
hardware analogic sau în f irmware digital . Comutarea cu dispozitive electronice în loc de
perii permite o mai mare flexibilitate și facilități care n u sunt disponibile cu motoarele de c.c.
clasice , incluzând limitarea vitezei, operația "micro stepped" pentru controlul mișcării lente și
/ sau fine și un cuplu de fixare la staționa re. Software -ul de control poate fi personalizat
pentru motorul specific u tilizat în aplicație, rezultând o eficiență mai mare a comutării.

Fig. 1. 6 Motorul fără perii comandat cu microprocesor
care a cționea ză un avion control at de la sol

11

Puterea maximă care poate fi aplicată unui motor fără perii este limit ată aproape
exclusiv de căldură, deoarece prea multă căldura slăbește magneții și poate deteriora motorul.
La transformarea energiei electrice în energie mecanică, motoarele cu perii sunt mai
eficiente decât motoarele de c.c. clasice . Această îmbunătățire se datorea ză, în mare parte,
frecvenței la care comutarea este determinată de feedback -ul senzorului de poziție. Câștigurile
suplimentare se datorează absenței periilor, ceea ce reduce pierderea de energie mecanică
datorată frecării. Eficiența sporită este cea mai m are în regiunea fără încărcătură și sarcină
scăzută a curbei de performanță a motorului. La sarcini mecanice ridicate, motoarele fără perii
și motoarele cu perii de înaltă calitate sunt compatibile în eficiență.

1.3 Sisteme de acționare cu motoare de curent c ontinuu

La motoarele cu curent continuu , reglarea automa tă a viteze i de rotatie se poate re aliza:
– cu măsurare directă a turației prin tahogenerator (fig. 1.7)
– cu determinarea indirectă a turației prin calculul t .e.m. induse (fig. 1.8)

12

Fig. 1. 7 Reglar ea directă a turației prin tahogenerator

Fig. 1.8 Reglarea indirectă a turației prin calculul t .e.m. induse

13
CAPITOLUL 2
PROIECTAREA SISTEMULUI AUTOMAT DE ACȚIONARE
ELETRICĂ

2.1 Modalităț i de control al turaț iei

Pentru controlul vitezei este ut ilizat un senzor, necesar pentru ca
microcontroler ul să ș tie poziția rotorului și pentru a comanda sensul de rotaț ie. Metoda bazată
pe senzor poate fi implementată î n două moduri.
1. În buclă deschisă
Prin această metodă, viteza actuală a motorului nu este u rmărită și prin urmare, nu există nici
un feed back. Numai viteza de referință este utilizată pentru a controla viteza motor ului prin
actualizarea semnalului de PWM . Schema bloc a sistemului este prezentată în figura 2.1 .
Avantajele acestei metode sunt :
• algoritmul de control este simplificat;
• costul mai mic de punerea în aplicare ;
Dezavantajul este că acuratețea nu poate fi menținută, deoa rece nu există nicio modalitate de
a monitoriza viteza actuală a motorului.

2. În buclă închisă
La această metodă, viteza reală a motorului este urmărită , iar prin urmare, m ecanismul de
reacție este indispensabil . Aici se utilizează atât turația de referință, cât și turația efectivă
pentru a controla motorul (turația este dată de PWM ). Schema bloc este prezentată în figura
2.2[2].
Principalele avantaje ale acestei metode sunt :
• sistemul stabilitate ;
• tulburări minime în comparație cu controlul în buclă deschisă;
• sensibilitate redusă pentru variațiile dinamice ale sarcinii. ;
Pentru cont rolul ș i stabilitatea turației motorului se foloseșt e un regulator cu
algoritmul PI .

14
Componenta P este direct proporțională cu eroarea primită , iar o mică schimbare a
erorii poate destabiliza sistemul.
Componenta PI este precisă și oferă o bună stabilitate a sistemului

Fig. 2.1 Controlul turației in buclă deschisă

Fig. 2.2 Controlul turației in buclă închisă

15
2.2 Structura hardware a sistemului
Structura hardware a sistemului este formată din:
1. Sursa de alimentare
2. Frână motor
3. Motor de curent continuu
4. Senzor de măsurare a turației
5. Potențiometru
6. Circuit de comandă motor
7. Microcontrole r

Fig. 2.3 Montajul realizat

16
2.3 Descrierea componentelor

Sursa de alimentare
Aceasta sursă de alimentare transformă tensiunea alternativă 220V : 12V, pe care apoi
o redrese ază, dând la ieș ire tensiune continuă 12V, la un curent maxim de 3A. Te nsiunea de
alimentare trebuie să fie între 100 -240V c.a.

Fig. 2.4 Sursă de alimentare
Frâna
Frâna utilizată este o frână de tip electromagnetic, fixată pe axul rotorului m așinii.
Intensitatea frânei este comandată de un potențiometru de 10k Ω, tensiunea de alimentare fiind
12V c.c[4].

Fig. 2.5 Frâna electromagnetică

17
Dispozitivul motor de c.c. -reductor
Acest dispozitiv este alcătuit dintr -un motor de curent continuu cu tensiunea de
alimentare de 12 V, combinat cu un reductor 4.4: 1 și are un codificator integrat de 48 CPR pe
arborele moto rului, care asigură 211,2 impulsuri pe rotație a arborelui de ieșire al cutiei de
viteze. Motorul reductorului este cilindric, cu un diametru de sub 25 mm, iar arborele de ieșire
în formă de D are un diametru de 4 mm și se extinde la 12,5 mm față de placa frontală a cutiei
de viteze.
Viteza d e rotație la mersul în gol este de 7200 rot/min la tensiunea de 12V . Motorul
poate funcționa si când este a limentat la 6V, dar după specificațiil e producătorului este indicat
să fie folosit la 12V.
Curentul pe care îl consumă la mersul în gol este de 0. 65A, iar curentul de mers în
sarcina este de 2.1A.

Fig. 2.6 Motorul de curent continuu cu reduc tor 4. 4 : 1

18
Senzorul de măsurare a turație i motorului
Acest tip de motoare cu reductoare utilizează un senzor cu efect de câmp cu două
canale , pentru a detecta rotirea unui disc magnetic pe o proeminență posterioară a arbore lui
motorului. Codificatorul de cvadratură oferă o rezoluție de 48 de impulsuri pe o rotație
completă atunci când sunt numărate ambele semnale ale celor dou a canale. Motorul /
codificatorul are 6 cabluri codate cu culoare, de 8 "(20 cm), terminate cu cap ma mă 1 × 6 de,
cu un pas de 0.1", aceste a sunt prezentate în figura 2.7 . Senzorul Hall necesită o tensiune de
alimentare, între 3,5 și 20 V și consumă maximum 10 mA. Ieșirile A și B sunt valori pătratice
de la 0 V până la unghi aproximativ 90 ° din fază. Frecvența tranzițiilor va indica viteza
motoru lui, iar ordinea tranzițiilor va indica direcția. Prin numărarea atât a marginilor în
creștere , cât și a celor de scădere ale ieșirilor A și B, este posibil să se obțină 48 de impulsuri
pe rotație ale ar borelui motorului. Folosind doar o singură intrare a unui canal , apar 12
impulsuri pe rotație ale arborelui motor [4].

Fig. 2.7 Senzorul de măsurare a turației

Tabel 2.1 Descrierea intrarilor senzorului
Culoare Funcție
Roșu Alimentare motor 12V
Negru Masă motor
Verde Masă senzor
Albastru Alim entare senzor(3.5 -20V)
Galben Ieșire canal A
Alb Ieșire canal B

19
Potențiometru
Un potențiometru este un rezistor cu 3 terminale cu un contact glisant sau rotativ
care formează un separator de tensiune reglab il. Dacă se utilizează numai două terminale, un
capăt și butonul, funcționează ca un rezistor variabil sau reostat. Instrumentul de măsurare
numit potențiometru este în esență un divizor de tensiune utilizat pentru măsurarea
potențialului electric (tensiun e). Componenta este o implementare a aceluiași principiu, de
unde și numele său. Potențiometrele sunt utilizate în mod obișnuit pentru a controla
dispozitivele e lectrice, cum ar fi controalele de volum ale echipamentelor audio.
Potențiometrele operate de u n mecanism pot fi utilizate ca traductoare de poziție, de exemplu,
într-un joystick. Potențiometrele sunt rareori utilizate pentru a controla direct puterea
semnificativă (mai mult de un watt), deoarece puterea disipată în potențiometru ar fi
comparabilă c u puterea în sarcina controlată [3].

Fig. 2.8 Potențiometru cu trei terminale

20
Potențiometrele sunt construite dintr -un element rezistiv, un contact de alunecare
(ștergător) care se deplasează de -a lungul elementului, realizând un contact electric bun cu o
parte a acestuia, cu borne electrice la fiecare capăt al elementului, un mecanism care
deplasează șterg ătorul de la un capăt la altul ș i o carcasă care conține elementul și ștergătorul.
Multe potențiometre ieftine sunt construite cu un element rezis tiv (B) format într -un arc de
cerc, un ștergător (C) alunecând pe acest element atunci când este rotit, făcând un contact
electric. Elementul rezistiv poate fi plat sau înclinat. Fiecare capăt al elementului rezistiv este
conectat la un terminal (E, G) de pe carcasă. Ștergătorul este conectat la un al treilea terminal
(F), de obicei între celelalte două. Pe potențiometrele panoului, ștergătorul este, de ob icei,
terminalul central . Pentru potențiometrele cu turație unică, acest ștergător trece , în mod
obișnu it, cu puțin o rotație în jurul contactului. Singurul punct de intrare pentru contaminare
este spațiul îngust între arbore și carcasa pe care se rotește.

Fig. 2.9 Construcția potențiometru lui

21
Circuitul de comandă al motorului
Circuitul de comandă al motorului este un circuit monolitic integrat într -un pachet
Multiwatt 15 și PowerSO20. Acesta poate manevra tensiuni înalte, curenți î nalți, acesta a fost
proiectat ș i pentru a accepta nivelurile standard de logică TTL și de a manevra și sarcini
inductive , cum ar fi relee, solenoizi, motoare pas cu pas. Acesta are două intrări de acționare
care sunt independente de semnalul de intrare [4].
Emițătorul tranzistorilor inferiori sunt conectați împreună pentru a corespunde cu
terminalul extern ce poate fi conect ată și o rezistență suplimentară.
Acesta este utilizat în mare parte pe microcontrolere pentru controlul motoarelor de
curent continuu. Un microcontroler poate furniza un curent maxim de 40mA, total insuficient
pentru un motor. Dacă vom conecta un motor el ectric direct la un port al microcontrolerului ,
cel mai probabil vom obț ine arderea procesorului de pe microcontroler . Pentru evitarea
acestui lucru , trebuie folosit un tranzistor care să ia din sursa de alimentare (transformator,
bater ie) puterea necesar ă pentru a comanda motoarele cu ajutorul unui microcontroler.
Circuitul de comandă se conectează la microcontroler utilizând 4 pini digitali , și
anume 3, 5, 6, 9. Acest circuit se prezintă sub forma de shield, acesta se poate alimenta la 5V
sau 12V , având masa co mună a tensiunii de alimentare ș i a microcontrolerului. Cu acest
circuit de comandă putem seta ș i sensul de rotație de al motorului.

Fig. 2.10 Circuitul de comandă

22
Microcontrolerul
Microcontrolerul este un dispozitiv electronic în care modul de funcționare se poate
modifica prin programarea lui cu un soft special creat pentru acest scop. Pentru a se deosebi
de alte tipuri de soft -uri, programul încărcat și rulat într -un microcontroler se numește
firmware. Microcontrolerul poate fi cons iderat un m icrocalculator care deține circuite și
funcții speciale ce îi permite să interacționeze mai ușor cu mediul exterior. Un microcontroler
care are un firmware potrivit poate înlocui circuite electrice sau circuite electronice foarte
eficient, în acest mod ace ste microcontrolere ne permit să obținem aparate mici, ieftine ș i mai
performante [10].
În proiectul de față s-a folosit microcontrolerul ATMEGA328P -AU. S-au utilizat pini i
4, 5 și 6 digitali pentru a controla turația motorului.
• const byte pin_fwd = 4; Rot ire în sens orar ,
• const byte pin_bwd = 5; Rotire în sens anit -orar,
• const byte pin_pwm = 6; Setare pwm .
Pinii 2 și 3 sunt utilizați pentru a măsura turația motorului ei folosesc sistemul de
întreruperi.
const byte pin_a = 2; Semnalul de ieșire A,
const byte pin_b = 3; Semnalul de ieșire B.
Microcontrolerul de față are implementat rezistențe de pull -up ce asigură o intrare cu
stare implicită pe 1 logic. Intr area fiind dusă la alimentare, atunci când comutatoru l se
închide, intrarea este dusă la masă. Am folosit acest sist em pentru intrările digitale A ș i B.
pinMode(pin_a,INPUT_PULLUP);
pinMode(pin_b,INPUT_PULLUP).
Pentru inițializarea rutinei PID, se folosește o variabilă de tip boolean pentru
motor_start, atunci când motorul este pornit si este aplic ată comanda start_pid, firmware -ul
instalat pe microcontroler începe să detecteze cea mai mică eroare și încearcă să menț ină cât
mai aproape ieșire de valoare de referința stabilită.

23

Fig. 2.11 Placă de dezvoltare

24
CAPITOLUL 3
PUNEREA ÎN FUNCȚIUNE A S ISTEMULUI
3.1 Obținerea semnalului PWM
Sistemul de acționare electric realizat conține următoarele elemente componente: un
motor de c.c. cu perii, un microcontroler, un regulator (în cazul de față realizat software) și un
firmware. Acționarea electrică se reglează prin alimentarea motorul ui de c.c. cu tensiune
variabilă, obținută printr -un se mnal de tip PWM( Pulse Witdh Modulation). Acest semnal este
pe 8 biți pe microcontroler [0-255]. Această tehnică este folosită pentru a putea controla în
mod variat te nsiunea dorită a unui dispozitiv electronic. Se schimbă foarte rapid starea din ON
în OFF, în cazul de față din 0V în 12V. Această perioada de timp în care se face tranziția
stărilor se numește factor de umplere sau duty cycle și reprezintă î n medie tensiu nea care va fi
primită de dispozitivul electronic. Acest factor de umplere se exprimă în procente și
reprezintă perioada unui semnal cât timp va fi pornit
În cadrul proiectului dacă duty cycle este 0% atunci si tensiunea va fi 0V, iar dacă
duty cycle va f i 100% tensiunea va fi de 12V. În figura 3.1 se poate observa semnalul PWM
dar cu factori de umplere diferiți .
𝑑𝑢𝑡𝑦 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 =𝑃𝑜𝑟𝑛𝑖𝑡
𝑃𝑜𝑟𝑛𝑖𝑡 +𝑂𝑝𝑟𝑖𝑡∗100 (3.1)
𝑑𝑢𝑡𝑦 𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 =𝑝𝑢𝑙𝑠 𝑒 𝑤𝑖𝑑𝑡 ℎ
𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑∗100 (3.2)

Fig. 3.1 Duty cycle
Regulatorul este PI numeric scris în C++ unde eroare a este
e_speed = set_speed -pv_speed,
e_speed_pre este eroarea calculată anterior,
e_speed_su m este suma erorilor,

25
Ieșirea sistemlui este semnalul pwm_pulse având formula:
𝑝𝑤𝑚 _𝑝𝑢𝑙𝑠𝑒 =𝑒_𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 ∗𝑘𝑝+(𝑒_𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 _𝑠𝑢𝑚 ∗𝑘𝑖)+(𝑒_𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 −𝑒_𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 _𝑝𝑟𝑒)∗𝑘𝑑
(3.3)

3.2 Simularea procesului in Matlab
Un sistem de reglare automat este un sistem care urmărește menținerea valorii de
ieșire cât mai aproape de valoarea de referință în mod automat , fără ca omul să int ervină
asupra procesului pe baza unei legi , fie ea după cauză sau după efect. Sistemul este format
dintr -un dispozitiv automat si procesul care trebuie reglat [1].

Fig. 3.2 Schema bloc a unui SRA (a-după efect, b -după abatere)
DA-Dispozitiv de automatizare, P -procesul ce trebuie reglat, u – mărimea de execuție
Principiul de reglare a erorii , folosit în acest proiect este principiul de reglare dup ă
efect informația este obținută pe baza măsurării mărimii reglate pentru a menține valoarea
curentă cât mai aproape de valoarea de referință (fig. 3.1 a). În aceste sisteme de reglare după
efect, eroarea (diferența di ntre valoarea mărimii de referință si valoarea mărimii regl ate) nu
poate fi prevenită, dar apare acțiune a de reducere a erorii prin intermediul regulatorului [5].

26

Fig. 3.3 Schema bloc a sistemului realizat în Matlab
În fig. 3.2 motorul are funcția de tra nsfer 72
0.022+0.01+1 (3.4) [7], parametrul kp este
0.002, ki este 0.01 . Acești parametri au fost acordat i manual în urma unui set de testări și ca
urmare , sistemul funcționează optim, parametri kp și ki fiind validați .

27
3.3 Rezultatele simulării procesului

Fig. 3.4 Semnalul PWM [procentaj duty cycle]

Fig. 3.5 Comanda ieșire motor

Fig. 3.6 Comandă ieșire turație

28
În timpul simulării s -a utilizat turația de referință 3600 rot/min , adica un semnal PWM
de 50%. Frâna aplicată este de 300 rot /min la momentul 50 de sec. În regimul de mers normal
fără frâna sistemul ajunge la turația respectivă după aproximativ 40 de secunde . În momentul
aplicării frânei , după aproximativ 20 de secunde , prin intervenț ia regulatorului PI turația
ajunge la turați a de referință.
După cum se observă î n fig. 3.4 , sistemul crește semnalul PWM cu 5%, iar turația
motorului va fi în jurul valorii de 3900 rot/min, după cum se observă î n figura 3.5.

29
3.4 Interfața grafica a comenzii acționarii
Pentru un control al într egului sistem cât mai simplu , s-a creat o interfață grafică
dedicată pentru sistem , rolul ș i scopu l acestei interfețe grafice fiind acela de a putea seta kp și
ki în timp real , fără a mai fi nevoie de rescrierea firmware -ului pentru a seta kp și ki și a pu tea
alege modul de funcționare al sistemului în buclă deschisă sau în buclă închisă.
Pentru realizarea interfeței g rafice am folosit Visual Studio. A cest program este un set
complet de instrumente de dezvoltare folosit pentru generarea unor seturi de ap licații. Visual
Studio este un mediu integrat de dezvoltare. Limbajul de programare este C# acesta este un
limbaj simplu, cu aproximativ 80 de cuvinte cheie și 12 tipuri de date predefinite . El permite
permite programarea să fie structurată, modulară ș i orientată pe obiecte, datorită perceptelor
moderne ale programării profesionale.
Ca și elemente fundamentale ale programării C# sunt: încapsularea , moștenirea și
polimorfismul.

Fig. 3.7 Interfața grafica

30
CONCLUZII
Principalele concluzii ale prezentu lui proiect de diploma sunt urmatoarele:
• Viteza motorului poate fi modificata usor si foarte precis.
• PWM -ul poate fi folosit și pentru a seta sensul de rotație al motorulu i.
• Modificarea turației cu ajutorul PWM ofera eficiență energetică mult mai buna decâ t
metodele clasice (exemplu: modificarea turației motorului de c.c prin modificarea unei
rezistențe în circuitul rotoric ).
• Sistemele de acționare reglabile moderne sunt mult mai compacte decât cele clasice.
În prima fază de dezvoltare a proiectului s-a folosit microcontrolerul PIC18F46K80
deoarece semnalul de ceas era de 48 Mhz , ceea ce faciliteaza puterea de calcul . Semnalul
PWM era obțin hardware si astfel exista o rezoluție mult mai bună a semnalului PWM, dar
datorită problemelor întâmpinate la realiza rea unei interfețe grafice unde comunicarea serială
între microcontroler si interfața grafică era mai complicată de realizat, am ales să folosesc
microcontrolerul ATMEGA328P -AU unde implementarea interfeței grafice a fost mai simplă.
Programul Visual Studi o a fost foarte util în crearea interfeței grafice datorită
obiectelor care sunt deja create și nu mai necesită o alocare mare de timp pentru crearea
aplicație astfel încât programul a mai ușor de realizat.
În prezent sistemele de acționare electrică sunt foarte utilizate, ocupând astfel mai mult
de 70% din sistemele de acționare. Utilizarea algoritmului PID in buclă închisă sporește
eficiența si stabilitatea sistemului.

31
BIBLIOGRAFIE
[1] Cîrtoaje , V. Sisteme Automate, Ed. Univ. Petrol -Gaze din Ploiești,
2012
[2] Paraschiv , N., Introducerea în știința sistemelor și a calculatoarelor
– note de curs, 2013
[3] Moise , A., Sisteme de conducere a roboților – note de curs 2016
[4] Bucur , C., Electronica digital ă – note de curs 2014
[5] Băieșu , Alina, Tehnica regl ării automate , Ed. Univ. Petrol -Gaze
din Ploiești, 2013
[6] Dumitrescu , A., Ștefan, Iulia, Comanda numerică a acționărilor
electrice de tip sensorless , Ed. ICPE, București, 2000
[7] Ivanov, S. Modelarea și simularea sistemelor electromeanice,
Tipografia Un iversități din Craiova, 2002
[8] Soran, I.F., Kisch, D.O., Sîrbu, G.M. Modelarea sistemelor de
conversie a energiei, Editura ICPE, București, 1998
[9] Bolton W., Mechatronics Electric Control Systems in Mechanical
and Electrical Engineering, 2nd ed. Longm an, 1999
[10] Barett S., Pack D., Atmel AVR Microcontroller Primer:
Programming and interfacing, Morgan&Claypool, 2008
[11] www.arduino.cc
[12] www.visualstudio.com
[13] www.mathworks.com

32
REZUMAT
Studiul și realizarea unui sistem automat de acționare electrică
reglabilă cu micr ocontroler
Coordonator :
Șef lucr. dr. ing. Săvulescu Alexandru
Absolvent :
Miclea David – Cătălin
Sistemele de acționare electrice absorb cea mai mar e parte din energia electrică
produsă. Conversia energiei electrice în energie mecanică implică motoare electrice cu puteri
de la câțiva wați până la zeci de MW. Datorită dezvoltării tehnologiei și controlului automat,
sistemele automate de reglare a acțio nării electrice au o dezvoltare din ce în ce mai mare.
In cadrul proiectului s -a realizat un sistem automat de acționare electrică reglabilă a unui
motor de curent continuu cu perii, comandat cu microcontroler. Structura hardware a
sistemului este formată din: sursa de alimentare , frână motor , motor de curent continuu ,
senzor de măsurare a turației , potențiometru , circuit de comandă motor , microcontroler .
Circuitul de comandă al motorului este un circuit monolitic integrat într -un pachet
Multiwatt15 și Pow erSO20. Acesta a fost proiectat pentru a accepta nivelurile standard de
logică TTL și de a manevra și sarcini inductive, cum ar fi relee, solenoizi, motoare pas cu pas.
Acesta are două intrări de acționare care sunt independente de semnalul de intrare.
Principalele concluzii ale prezentului proiect de diploma sunt urmatoarele:
• viteza motorului poate fi modificata ușor si foarte precis.
• PWM -ul poate fi folosit și pentru a seta sensul de rotație al motorulu i.
• modificarea turației cu ajutorul PWM oferă eficien ță energetică mult mai buna decât
metodele clasice (exemplu: modificarea turației motorului de c.c prin modificarea unei
rezistențe în circuitul rotoric ).
• sistemele de acționare reglabile moderne sunt mult mai compacte decât cele clasice.

33
SUMMARY
Study and implementation of an automated electric drive
adjustable microcontroller
Coordinator :
Șef lucr. dr. ing. Săvulescu Alexandru
Graduate:
Miclea David – Cătălin

Electric drive systems absorb most of the electricity produced. Converting electricity into
mechanical energy involves electric motors with power from a few watts to tens of
MW. Thanks to technology development and automatic control, automatic control systems,
electric drive development are increasingly higher. The project has been made adjustabl e
automatic electric drive of a DC brush motor, controlled by a microcontroller. The hardware
structure of the system is made up of: the power supply, the brake motor, DC motor, a speed
measurement sensor, potentiometer, motor control circuit, microcontrol ler. The engine control
circuit is a monolithic integrated circuit in a package and PowerSO20 Multiwatt15. It was
designed to accept standard TTL logic levels and maneuver and inductive loads such as
relays, solenoids, stepper motors. It has two inputs dri ves that are independent of the input
signal.
The main conclusions of this diploma project are:
• the motor speed can be adjusted easily an d precisely,
• PWM can be used to set the dir ection of rotation of the motor,
• changing the speed by means of PWM provides much better energy efficiency than
conventional methods (for example, modifying the speed of the DC motor by changing the
resistance in the rotor circuit),
• adjustable modern drives are more compact than the classic.