Tema lucrării de diploma : Modalități de comandă a unui MPP bipolar. Lucrarea de diploma se doreste a fii un stand prin care se pot prezenta metodele… [608215]

PREZENTAREA TEMEI

Tema lucrării de diploma : Modalități de comandă a unui MPP bipolar.

Lucrarea de diploma se doreste a fii un stand prin care se pot prezenta metodele de comanda
a unui motor pas cu pas bipolar.
Se face o prezentare generala a motoarelor pas cu pas insistând in primul rand asupra
regimurilor de comanda ale motorului bipolar.

In prima parte a lucrarii o sa pun accentul pe t ratarea teoretică a principalelor aspecte
tehnice ale acestor echipamente electrice (Motor pas cu pas) , urm and sa proiectez si sa realizez
modulul electronic al proiectului practic, iar in final o sa efectuez diferite teste si masuratori pe
baza lucrarii.

Capitolul 1 Consideratii teoretice

Ce este motorul pas cu pas?

Din punct de vedere t eoretic motorul pas cu pas este construit foarte simplu. Acesta nu are
perii sau contacte.În esenta motorul pas cu pas este un motor sincron al carui câmp
electromagnetic este comutat electronic pentru a realiza miscarea rotorului.

Motorul electric pas cu pas este un convertor electromagnetic care realizeaza conversia
impulsurilor de comanda aplicate fazelor motorului într -o miscare de rotatie ce consta din
deplasari unghiulare discrete, de marime egala si care reprezinta pasii motor ului. Numarul
pasilor efectuati trebuie sa corespunda, în cazul unei functionari corecte, cu numarul impulsurilor
de comanda aplicate înfasurarilor motorului.

Majoritatea motoarelor pas cu pas sunt bidirectionale si permit o accelerare, oprire si
reversa re rapida fara pierderi de pasi, daca sunt comandate cu o frecventa inferioara frecventei
limita corespunzatoare regimului respectiv de functionare. Pentru extinderea functionarii
motoarelor pas cu pas la viteze mai mari decât viteza corespunzatoare frecve ntei limita, este
necesara o accelerare prin crestere treptata a frecventei impulsurilor de comanda.

Motoarele pas cu pas sunt utilizate în special în aplicatiile unde se doreste realizarea unei
miscari incrementale, folosind sisteme de comanda numerica.

Aceste motoare sunt utilizate in mod obisnuit pentru aplicatii de masura si
control.Exemple de aplicatii ce utilizeaza motoare pas cu pas: imprimante cu jet continuu de
cerneala, pompe sau masini unelte cu comanda numerica. Cateva caracteristic i comune tuturor
motoarelor pas cu pas le fac pe acestea perfect potrivite pentru aceste tipuri de aplicatii. Aceste
caracteristici sunt:

1. Fara perii – Motoarele pas cu pas sunt fara perii. Comutatorul si periile motoarelor
conventionale sunt unele dintre cele mai predispuse componente la defectare, iar
acestea pot sa produca arcuri electrice ce sunt nadorite sau periculoase in anumite
medii.

2. Sarcina independenta – Motoarele pas cu pas vor porni la viteza setata indiferent de
sarcina atata timp cat sarci na nu depaseste cuplul maxim al acestora.

3. Pozitionare in bucla deschisa – Motoarele pas cu pas se rotesc in incremente
cuantificate sau pasi. Atata timp cat motorul ruleaza cu cuplul specific, pozitia
arborelui este cunoscuta in orice moment fara echipame nte specifice.

4. Mentinerea cuplului – Motoarele pas cu pas sunt capabile sa mentina arborele fix.

5. Raspuns excelent la pornire, oprire si inversare de sens.

Tipuri de moatoare pas cu pas

Exista 3 tipuri de baza de motare pas cu pas: cu magnet permanent, cu reluctanta variabila si
hibride.
Motoarele cu magnet permanent au rotorul magnetizat, in timp ce motoarele cu reluctanta
variabila au rotorul dintat din otel moale. Motoarele hibride combina tehnologiile celor doua
motoare, cu magnet permanen t si cu reluctanta variabila. Statorul sau partea fixa a unui motor
pas cu pas contine multiple infasurari. Organizarea acestor infasurari este factorul principal ce
deosebeste diferitele tipuri de motoare pas cu pas din punct de vedere electric.
Atat moto rul cu magnet permanent cat si cele hibride pot avea fie infasurari unipolare, bipolare
sau unifilare.

Dacă ar fi s ă facem o clasificare a motoarelor pas cu pas cea mai edificatoare ar fi
clasificarea lor în :

– Motoare pas cu pas cu reluctan ță variabil ă;
– Motoare pas cu pas cu magnet permanent ;
– Motoare pas cu pas hibride .

MPP cu reluctanta variabila

Aceste tipuri de motoare se impart in doua categorii de baza : motor pas cu pas cu o
singura unitate stator -rotor si motor pas cu pas cu mai multe unitati stator -rotor .

Ambele tipuri de motor pot fi cu întrefier axial sau intrefier radial. De asemenea, aceste
motoare pot fi realizate cu miscare liniara numite si motoare pas cu pas liniare. Aceste a sunt cu
rotor pasiv, având crestaturi si dinti repartizate uniform pe suprafata rotorului.

Statorul si rotorul MPP polistato rice au acelasi numar de dinti . Pachetele statorice se
regasesc toate in aceeasi carcasa, dar din punct de vedere electric si magnetic sunt independente,
Pachetele rotorice sunt si ele fixate pe ace lasi arbore, dar individual din punct de vedere
magnetic.
Motorul este alcătuit dintr -un rotor și un stator, fiecare avand un număr diferit de
dinți.Statorul motorului este alcătuit dintr -un miez magnetic din lamele din oțel , iar r otorul este
construit din fier moale nemagnetizat .

Motoarele cu reluctanta variabila au de la trei la cinci infasurari c onenctate la un terminal
comun.Figura 1 prezinta sectiunea transversala a celor trei infasurari. Rotorul la acest motor are
4 dinti, iar statorul are 6 poli, cu fiecare infasurare infasurata in jurul polului opus. Dintele notat
cu “X” al rotorului este atr as catre infasurare ‘1’ cand este alimentat. Atractia este cauzata de

catre fluxul magnetic generat in jurul bobinei si rotorului. Rotorul obtine un cuplu si se misca in
linie cu bobina alimentata, minimizand calea fluxului. Motorul se misca in sensul acel or de
ceasorinic cand infasurarea 1 nu se afla sub tensiune, iar infasurarea 2 este slimentata. Dintele
rotorului notat cu ‘Y’ este atras catre infasurarea 2. Rezulta miscare de 30 de grade in sens orar
pe masura ce ‘Y’ se aliniaza cu infasurarea 2. Miscar i continue in sens orar sunt obtinute prin
alimentarea si scoaterea de sub tensiune succesiva a infasurarilor din jurul statorului.
Urmatoarea secventa va roti motorul din Figura 1 in sens orar pentru 12 pasi sau o rotatie
complete.

Figura 1. ilustreaza cel mai de baza motor pas cu pas cu reluctanta variabila. In practica, aceste
motoare de obicei au mai multi poli si dinti pentru unghiuri mai mici de pasire. Numarul de poli
poate fi marit adugand mai multe infasurari, de exemplu, trecand la 4 sau 5 infasurari, dar pentru
unghiuri mici de pasire.

MPP cu magneti permanenti

Acest tip de motoare are rotorul realizat din magneti permanenti fara dinti, fiind magnetizati
perpendicular pe axa ce separa polii. Infasurarile sunt realizate pe stator.

Cand sunt alimentate fazele statorului se genereaza campuri magnetice ce interactioeaza cu
fluxirile magnetilor permandenti rezultand cupluri si forte ce pun in miscare rotorul . Miscarile
axului realizate de aceste motoare sunt intre 45ș si 120 ș. Cand nu se aplica curent, este nevoie de
un cuplu mic pentru a roti rotorul din pozitia sa de echilibru, datorita interactiunii dintre
magnetii permanenti si stator. Acest cuplu mai este denumit si cuplu rezidual.

Aceste tipluri de motoare sunt disponi bile cu doua tipuri de infasurari: bipolar si unipolar.
Infasurarea bipolara mai este cunoscuta si ca monofilara, iar cea unipolara ca bifilara. Singura
differenta este ca la cea bipolara/monofilara exista doar o infasurare per bobina. La infasurarea
unipo lara/bifilara avem doua infasurari per bobina. Consecinta infasurarii bipolare/monofilare
este necesitatea unui circuit special (punte H) pentru a inversa directia de rotatie a motorului.

Motoare hibride

Aceste motoare sunt o rezultanta a combinarii celor doua tipuri constructive discutate anterior.
Rotorul unui motor pas cu pas hibrid este format dintr -un magnet permanent dispus axial. La
fiecare capat al rotorului se regaseste cate un disc metalic dintat. Acest tip de motoare
functioneaza la viteze mari si cuplu mare. “Detant torque” este o caracteristica specifica acestui
tip constructive, acest cuplu asigura o mentinere fixa a pozitiei axului motorului in lipsa
energizarii bobinelor.

Marimi caracteristice ale MPP

Motoarele pas cu pas sunt caracterizate de mai multe marimi caracteristice dar, c ele mai
importante sunt:
– cuplu de lucru
– cuplu rezistent
– cupluri limita
– frecventa limita
– unghiul de pas

Cuplul de lucru

Deriva nd energi a magnetica in functie de unghiul de rotatie al rotorului (current de excitatie = ct)
obtinem cuplul electromagnetic.

𝑀𝑆= −(𝑑𝑊𝑚
𝑑𝛼𝑝)
𝑖=𝑐𝑡

Curbele de variatie a cuplului in functie de viteza de rotatie descriu caracteristicile dinamice ale
motoarelor pas cu pas. In grafic ul de mai jos sunt reprezentate curbele specific.

Curba 1 reprezinta cuplul maxim in cazul unui motor ce lucreaza in sarcina si arata faptul ca un
motor pas cu pas poate fi pornit sau oprit fara a pierde din pasi, in cazul in care viteza de rotatie
este constanta.

Curba 2 reprezinta cuplul maxim ce poate rezulta in cazul in care motorul este accelerat sau
decelerat la viteza nominala.

Aceste curbe ne sunt foarte utile atunci cand dorim sa alegem corect un motor in functie de
aplic atia la care va fi utilizat.

Cuplu rezistent

Pentru a fi posibila rotirea rotorului motorului cu un pas este necesar ca la alimentare,
cuplul sa fie de o anumita valoare. Acest cuplu poarta numele de cuplu rezistent.
Pentru a roti in mod continuu rotorul motorului, atunci cuplul aplicat trebuie sa fie mai
mare decat cuplul rezistent. In mod obisnuit cuplul rezistent este mai mare decat cuplul de lucru,
iar acest lucru determina o franare puternica ce tine rotorul in pozitie fixa.
MPP hibrid si MPP cu magnet permanent fiind magnetizate permanent au un cuplu de
franare chiar si in lipsa energiei din infasurarile statorice, acest cuplu poarta numele de cuplu de
retinere.

Cuplu limita

V aloarea maxima la care poate ajunge cupl ul rezistent, fara a scoate motorul din
sincronism se numeste cuplu critic cvasistationar. Acest cuplu este invers proportional cu
frecventa de lucru, din acest motiv cuplul critic de pornire este definit ca fiind valoarea maxima a
cuplului rezistent la ca re motorul poate porni cu frecventa data fara a pierde pasi. Astfel se pot
define si cuplurile critice de oprire respectiv reversare.

Frecventa limita

Frecventa limita poate fi definita luand ca refereinta un cuplu rezistent dat.

Unghiul de pas

Pasul pe care il realizeaza motorul este unghiul de rotatie ce corespunde unui impuls de
comanda. Unghiul de pas depinde de trei factori:
– secventa de comanda a infasurarilor statorice
– numarul de perechi de poli
– numarul infasurarilor de comanda

Unghiul de pas poate fi calculat cu urmatoarea relatie:

𝛼𝑝=360°
2∙𝑝𝑠∙𝑝𝑟

𝛼𝑝 – valoarea unghiului de pas
𝑝𝑠 – numarul perechilor de poli ai statorului
𝑝𝑟 – numarul perechilor de poli ai rotorului

Motoare pas cu pas u nipola r

In categoria motoarelor pas cu pas unipolare intra atat MPP cu magnet permanent cat si
cele hibride. Statorul acestor motoare e compus din doua bobine pe pol, avand unul din
inceputuri legate impreuna. Acest lucru se poate observa mai bine in figura de mai jos:

Pentru a obtine miscare de rotatie la acest tip constructiv nu este nevoie sa schimbam sensul
curentului prin bobinele statorului motorului. Din acest motiv, cicuitul de comanda necesar
acestui tip constructiv este unul foarte simplu, fiind nevoie de un element de comutatie pentru
fiecare bobina.

Motoare pas cu pas bipolare

Motoarele pas cu pas bipolare sunt construite avand o infasurare pe pol. Fata de
motoarele pas cu pas unipolare, la cele bip olare pentru a obtine miscare de rotatie a axului este
necesara schimbarea sensului curentului prin bobine. Acest lucru ducand la necesitatea unui
circuit de comanda mai complex .

Figura urmatoare prezinta mai bine conexiunea infasurarilor satorului la motorele pas cu pas
bipolare.

Circuitul de comanda la acest tip constructiv de motor este de obicei o punte H. O
diferenta fata de motoarele unipolare este faptul ca motoarele pas cu pas bipolare ofera unu cuplu
mai mare.

Motoare pas cu pas cu 8 fire

Acest tip constructiv este putin mai special fata de cele doua prezentate mai sus. Ceea ce
le face mai speciale este faptul ca au 2 bobine pe pol, adica 8 fire . Conectand cele 8 fire in
diferite moduri putem folosi aceste motoare ca si unipolare sau bipolare.

Motoarele bipolare obtinute prin legarea celor 8 fire se impart in doua categorii speciale:

-Motoare bipolare serie – se caracterizeaza printr -un current mic consumat si unu cuplu
ridicat la vireze mici

-Motoare bipolare paralel – se caracterizeaza printr -un current mai mare prin motor, dar
in acelasi timp se obtine un cuplu mare la viteze mari.

-Motoare bipolare cu o bobina pe faza

In figur a urmatoare sunt prezentate ele doua tipuri de conexiuni, s erie si paralel:

Cuplul si viteza

Viteza unui motor pas cu pas depinte de rata cu care sunt energizate/dezenergizate
bobinele , acest fenomen se numeste rata de pasire. Rata maxima de pasire, prin urmare, viteza
maxima, depinde de valoarea inductantei din bobinele statorului. In figura … sunt reprezentate un
circuit echivalent al unei infasurari statorice si un grafic ce prezinta relatia dintre cresterea
curentului si inductanta din infasurari. Este nevoie de un timp mai m are pentru a ajunge la
valoare nominala a curentului intr -o infasurare cu o inductanta m are comparative cu una cu
inductanta mica .

Atunci cand utilizam motor cu infasurare cu inductanta mai mare este nevoie sa asteptam
un timp pentru a ajunge la valoarea nominala a curentului inainte de a trimite comanda pentru
urmatorul pas.
Daca timpul dintre doi pasi consecutivi este mai mic decat timpul necesar curentului sa
ajunga la valoarea nominala rezulta o ‘scapare ’ a motorului, adica motorul v -a omite un pas.
Din nefericire inductanta infasurarilor nu este foarte bine specificata in documentatiile
tehnice ale motoarelor. In general, pentru motoare mai mici, infuctanta bobinei este mult mai
mica decat rezistenta sa, si constanta de timp este mai mica.
O constatnta de timp mai mica rezulta intr -o crestere mai rapdica a curentului in bobina,
ceea ce duce la o rata de pasire mai mare.
Cea mai buna metoda de a determina viteza maxima este prind studierea graficului
cuplului in functie de rata de pas ire (exprimata in pulsuri pe secunda – pps).

Cuplul “Pull-in” este cuplul maxim la care motorul poate sa porneasca sau sa se opreasca
fara a omite vre -un pas.

Cuplul “Pull-out” este cuplul disponibil cand motorul este in mod continuu accelerat
catre punctul de functionare.

In continuare pentru a putea trece la modurile de comanda ale motoarelor pas cu pas si la
tipurile de drivere utilizate trebuie sa discutam despre doua aspecte foarte importante fara de care
functionarea acestor motoare nu ar fi posibila.

Legea inductiei electromagnetice

Legea inductiei electromagnetice a fost fomulata de catre Faraday in anul 1831 si
este una din cele mai impoartante legi ale electromagnetismului. Fenomenul de i nductie
electromagnetica consta in aparitia unuei tensiuni electromot oare induse de un flux magnetic
variabil in timp.

Formula ce exprima aceasta lege este : 𝜀= −𝑑𝜙𝐵
𝑑𝑡

𝜀 – tensiunea electromotoar

𝜙𝐵- fluxul magnetic

Daca se aplica o tensiune alternativa la bornele unei bobine, va rezulta un curent variabil
in timp ce va transversa acea bobina. Totodata la aplicarea unui curent variabil in timp, la bornele
bobinei va rezulta o tensiune.

Ecuatia ce defineste relatia dintre tensiune si curent intr -o bobina este urmatoarea:

𝑈=𝐿∙𝑑𝑖
𝑑𝑡

U – tensiunea instantanee la bornele bobinei [V]
L – inductanta bobinei [H]
di/dt – rata de variatie a curentului [A/s]

Deoarece driverul care va actiona motorul din acest proiect este comand at in impulsuri cu
modulatie in latime este necesar sa precizam cateva aspecte teoretice legate de semnalele PWM.

PWM – Modularea Impulsurilor in Durata

PWM este un termen provenit din limba engleza de la Pulse Witdh Modulation si
presupune un semnal la care latimea impulsurilor este modulata. Semnalul PWM este un semnal
in impulsuri a caror latime este proportionala cu amplitudinea semnalului analogic modulator.

Forma de undea a unui semnal PWM este rezentata in figura de mai jos:

Aceasta tehnica poate fi utilizata pentru a indeplini foarte multe sarcini, una din ele ar fi
controlul vitezei unui motor, in cazul nostru motor pas cu pas.

Factrul de umplere sau duty cycle este una din caracteristicile semnalului PWM si poate fi
calcul at cu urmatoarea formula:

𝐷=𝜏
𝑇∙100 [%]

Unde: 𝜏 = perioada de timp in care pulsul este activ
T = perioada totala a semnalului

Lucrul cu PWM (microcontroller) presupune configurarea uni timer si a pinilor de out -put.
Fiecare timer are anumiti pini pe care poate genera un astfel de semnal.

Comanda motoarelor pas cu pas

Schema bloc de comanda a unui MPP:

Controler de intrare – Are rolul de a genera impulsuri necesare deplasarii axului motorului

Distribuitor de impulsuri – Acesta preia impulsurile si comenzile de sens generate de
controlerul de intrare si furnizeaza la iesire trenuri de impulsuri (m), decalate intre ele cu un
unghi de α = 2π/ m

Contactor static – Are rolul de a furniza un curent dreptunghiular fazelor motorului

Circuite de baza pentru comanda MPP

In aceasta seciune a lucrarii o sa discutam despre diferite circuite de baza utilizate pentru
a comanda diferite motoare pas cu pas.

Comanda motoare cu reluctant a variabila

Aceste motoare au multiple infasurari, de obicei de la trei pana la cinci, care sunt legate
toate impreuna la un sfarsit comun. Infasurarile sunt alimentate una cate una intr -o secventa
speci fica pentru a roti motorul. Figura … ne prezinta un circuit de baza pentru a comanda un
motor cu reluctanta variabila. Observam cate o dioda in paralel cu fiecare infasurare. La fel ca la
toate sarcinile inductive, deoarece avem cadere de tensiune de -a lungul unei infasurari, curentul
din infasu rare incepe sa creasca . Cand tranzistorul MOSFET este inchis apare o crestere brusca
de tensiune ce poate deteriora tranzistorul. Rolul diodei este de a proteja tranzistorul de aceste
cresteri bruste ale teniunii.

Comanda moto r pas cu pas unipolar

Circuitul de comanda pentru acest tip constructiv de motor este prezentat in figura.. ,
acest circuit este similar cu cel al motoarelor cu reluctanta variabila. Deosebirea dintre cele doua
o reprezinta cateva diode suplimentare in paralel cu fiecare tranzi stor. Acestea sunt necesare
deoarece bobina la motoarele unipolare este cu priza mediana. Aceste diode previn scaderea sub
zero a caderii de tenisune de pe tranzistor.

Unele MOSFET -uri au in constructia lor integrate diode care permit curentului invers s a
circule indifferent de tensiunea de pe poarta. Daca in constructia circuitului de comanda se
utilizeaza astfel de tranzistoare, iar diodele integrate pot suporta curentul motorului, atunci, diodele
din figura de mai jos nu mai sunt necesare.

Toate diodele trebuie sa aiba viteza de comutatie asemanatoare cu cea a tranzistoarelor.

Comanda moto r pas cu pas bipolar

Circuitul de comanda pentru acest tip constructiv de motor pas cu pas este punte H,
reprezentata in figura … de mai jos. O pun te H poate fi configurata sa permita trecerea curentului
in amble directii de -a lungul unei infasurari . Referitor la figura de mai jos, curntul va circula de la
stanga la dreapta in infasurarea ‘1’ cand tranzistorul Q1 si Q4 sunt deschise in timp ce Q2 si Q3
sunt inchise. Curentul va circula de la dreapta la stanga cand Q2 si Q3 sunt deschise, iar Q1 si Q4
sunt inchise.