18_PETRU _LIVINTI

Analele Universităţii “Constantin Brâncuşi” din Târgu Jiu, Seria Inginerie, Nr. 3/2010

Annals of the „Constantin Brâncuşi” University of Târgu Jiu, Engineering Series, Issue 3/2010

162

SISTEM DE ACTIONARE CU MOTOR PAS CU PAS PENTRU

ROBOTUL DE JUCAT SAH

Livinti Petru , Universitatea “Vasile Alecsandri” din Bacau, ROMANIA

REZUMAT: In lucrare se prezinta un sistem de actionare electrica realizat cu motor electric pas cu pas. Pentru studiul sistemului de actionare electrica s-a realizat un stand experimental in laboratorul de Masini electrice a Universitatii din Bacau. Acesta se compune din: motor electric pas cu pas (MEPP), driver pentru comanda motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0-5) V.c.c. pentru alimentarea driverului de comandă a motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0- 30) V.c.c. pentru alimentarea motorului electric pas cu pas si calculator compatibil IBM PC echipat cu placa de achiziţie date PCI 6221. Pentru comanda motorului pas cu pas s-a realizat un program în mediul de programare LabVIEW. Sistemul de actionare electrica prezentat este inclus in structura unui robot de jucat sah. CUVINTE CHEIE: motor pas cu pas, sistem de actionare electrica, placa de achizitie date

1. INTRODUCERE Motorul electric pas cu pas reprezintă un caz particular al masinii sincrone si are faţă de aceasta anumite particularităţi constructive si de funcţionare. Înfăsurările de comandă ale motorului fiind alimentate cu impulsuri de tensiune dreptunghiulare, rotorul său are o miscare de rotaţie intermitentă sub formă de deplasări unghiulare succesive. Spre deosebire de motoarele sincrone clasice motoarele pas cu pas intră în sincronism fără alunecare, iar frânarea se realizează fără iesirea din sincronism. Datorită acestui fapt ele asigură în domeniul de funcţionare porniri bruste, opriri si reversări fără pierderea informaţiei sau fără omisiuni de pas. Înfăsurările de comandă a motoarelor pas cu pas se pot alimenta în mod separat sau în

THE DRIVE SYSTEM WITH STEP BY STEP MOTORS FOR THE

ROBOT OF CHESS PLAY

Livinti Petru , “Vasile Alecsandri” University of Bacau, ROMANIA

ABSTRACT: This work presents an electrical drive system, built with a step-by-step motor. For studying the electrical drive system an experimental stand was built at the Electrical Machinery Laboratory of the University of Bacau. This is composed of: step-by-step electric motor (MEPP), driver for controlling the step-by-step electric motor, D.C. voltage (0-5 V) for supplying the step-by-step motor driver, D.C. voltage source (0 -30 V) for supplying the step-by-step motor and an IBM –PC compatible computer equipped with the data acquisition board PCI 6221. For the control of the step-by-step motor a program was edited in the LabVIEW programming environment. The electric driving system being presented is included to the structure of a chess-playing robot.

KEY WORDS: Step-by-step motor, electric drive system, data acquisition board

1. INTRODUCTION The step-by-step electric motor is a particular case of the synchronous machine and has several particularities in terms of design and functioning. Since the control windings of the motor are supplied with rectangular voltage pulses, its rotor has an intermittent rotation motion under the shape of sequent angular motions. Unlike the classical synchronous motors, the step-by-step motors enter synchronism without slipping and braking is performed without leaving the synchronism. Due to this fact, these motors assure sudden start-up within the running range, as well as stops and reversals without loose of information and without step omissions. The control windings of the step-by step motors can be supplied separately or by groups, in



163

grupuri în diferite combinaţii. Fiecărei combinaţii sau tact de comutaţie îi corespunde o orientare spaţială determinată a câmpului magnetic rezultant în întrefierul masinii. Ca si motoarele sincrone clasice, motoarele pas cu pas se clasifică în funcţie de construcţia circuitului magnetic si de numărul înfăsurărilor de comandă. Se deosebesc două tipuri de bază: 1. Motoare pas cu pas de tip activ cu înfăsurări de excitaţie în rotor sau cu magnet permanent. 2. Motoare pas cu pas de tip reactiv sau cu reluctanţă variabilă. Ambele tipuri pot fi realizate cu un singur stator sau cu mai multe statoare, pentru fiecare corespunzând o înfăsurare de comandă. 2. MOTOARE PAS CU PAS DE TIP ACTIV

Statorul motorului are patru poli aparenţi, pe care sunt dispuse două înfăsurări de comandă si un rotor cu magnet permanent sau înfăsurări de excitaţie având doi poli. Fiecare înfăsurare de excitaţie este dispusă pe doi poli statorici diametrali, fig. 1, [1]. Prin alimentarea primei înfăşurări în bornele '11 cu o tensiune având polaritatea indicată în figura 1, rotorul se va orienta astfel încât direcţia axei polilor să coincidă cu direcţia axei înfăşurării. În această poziţie atracţia între polii statorici şi rotorici este maximă. Prin decuplarea primei înfăşurări şi alimentarea celei de-a doua înfăşurări între bornele '22 , rotorul se va roti cu 090 astfel încât polii statorici şi rotorici de nume contrar vor fi faţă în faţă.

various combinations. A determined space orientation of the magnetic field resulting into the machine air gap corresponds to each switching combination or pulse. Like in the case of classical synchronous motors, the step-by step motors are split in function of the magnetic circuit design and number of the control windings. Two basic types are noticed: 1. Step-by–step motors of active type, with operating windings into the rotor or with constant magnet. 2. Step-by-step motors of reactive type or with variable reluctance. Both types may be built with one or more fixed coils (stators), with one control winding for each one. 2. STEP-BY-STEP MOTORS OF ACTIVE TYPE The motor stator has four apparent poles on which two control windings are located and a rotor with constant magnet or operating windings that have two poles. Each operating winding is located on two diametric stator poles, as shown in Fig. 1, [1]. By supplying the first winding at the terminals '11 with a voltage of the polarity shown in Fig.1, the rotor will be oriented so that the direction of the pole axis coincides to the direction of the winding axis. At this position, the attraction between the stator and rotor poles is maximal. By switching off the first winding and supplying the second one through the terminals '22 , the rotor will rotate by 090 , so that the stator and rotor poles of contrary names are face to face.



164

Figure 1: Step-by-step motor of active type.

În continuare pentru ca rotorul să-şi menţină sensul de rotaţie este necesar ca la o nouă cuplare a înfăşurării 1 şi apoi a înfăşurării 2 polaritatea tensiunii aplicate să fie inversă. Figura 2 reprezintă succesiunea poziţiei rotorului precum şi polaritatea polilor statorici pentru patru tacturi succesive.

Further on, for the rotor to keep its rotation direction, it is necessary that upon a new coupling of the winding 1 and then winding 2, the polarity of the voltage being applied to be reversed. Fig. 2 shows the sequence of the rotor position as well as the polarity of the stator poles for four successive pulses.

Figure 2: Sequence of the rotor of the step-by-step motor

În cazul prezentat unghiurile succesive efectuate de rotor pentru fiecare impuls de comandă sunt de 090 . 3. MOTOARE PAS CU PAS DE TIP REACTIV SAU CU RELUCTANŢĂ VARIABILĂ Din punct de vedere constructiv există 6 tipuri de MPP, [2]: solenoidal, cu reluctanţă

In the case being presented the successive angles performed by the rotor for each control pulse are 090 . 3. STEP-BY-STEP MOTORS OF REACTIVE TYPE OR WITH VARIABLE RELUCTANCE In terms of design there are 6 types of MEPP (step-by-step motors), [2]: solenoid, with



165

variabilă, cu magnet permanent în stator, cu magnet permanent în rotor, cu magnet permanent şi reluctanţă variabilă (hibrid) şi electromecanic. Varianta cea mai utilizată în prezent este cea a motorului pas cu pas cu reluctanţă magnetică variabilă. Prin alimentarea unei faze statorice, rotorul se va roti astfel încât circuitul magnetic să prezinte reluctanţa magnetică minimă, adică dinţii statorici şi cei rotorici vor fi faţă în faţă. Comutând alimentarea pe faza următoare, se realizează o rotaţie a rotorului şi o deplasare a dinţilor rotorici faţă de cei statorici, astfel încât nu vor mai fi aliniaţi. Apare astfel un cuplu electromagnetic reactiv, care creşte cu unghiul de decalaj între poziţia dinţilor statorici şi rotorici. Creşterea cuplului electromagnetic atinge un maxim, după care cuplul scade din nou la zero. În figura 3 este reprezentată secţiunea transversală printr-un MPP monostatoric cu patru faze statorice. Se observă că statorul are 8 dinţi (un dinte pe pol) în timp ce rotorul are numai 6. Înfăşurările unei faze statorice sunt dispuse pe doi dinţi statorici, astfel încât dacă este alimentată o fază, doi dinţi rotorici se aşează în faţa dinţilor statorici pe care este aşezată faza de comandă. La alimentarea fazei următoare, rotorul se va roti cu 150, pentru ca dinţii rotorici să ocupe o poziţie asemănătoare. Atât MPP cu trei faze cât şi cele cu patru faze pot fi comandate prin alimentarea simultană a două faze statorice (secvenţa dublă). În cazul MPP cu patru faze, printr-o astfel de comandă se obţine cu un cuplu electromagnetic mai mare, [3].

variable reluctance, with constant magnet into the stator, with constant magnet into the rotor, with constant magnet and variable reluctance (hybrid) and electromechanical. The most used version is currently the step-by-step motor with variable magnetic reluctance. By supplying one phase of the stator, the rotor will rotate so that the magnetic circuit features the minimum magnetic reluctance, i.e. the stator teeth and rotor teeth will be face to face. By switching the supply to the next phase, the rotor rotation is obtained as well as a displacement of the rotor teeth from the stator teeth so that they will no longer be aligned. Thus an electromagnetic torque occurs that increases along with the distance angle between the position of the stator and rotor teeth. The increase of the electromagnetic torque will reach a maximum rate; afterwards the torque will decrease back to zero. Fig. 3 shows the cross section through a single-stator MPP with four stator phases. It may be noticed that the stator has 8 teeth (one tooth per pole) whilst the rotor only has 6. The windings of a stator phase are located on two stator teeth, so, if one phase is supplied, two rotor teeth will be located in front of the stator teeth on which the control phase is located. Upon the supply of the next phase, the rotor will only rotate by 150, for the rotor teeth to get a similar location. Both three and four phase MPP’s can be controlled through the simultaneous supply of two stator phases (double sequence). In case of four phases MPP’s, through such a control a higher electromagnetic torque is obtained, [3].



166

Figure 3: Single-stator MEPP with variable reluctance and four stator phases 4. DETERMINARI EXPERIMENTALE 4.1. Descrierea standului experimental Schema bloc a sistemului de acţionare realizat cu motor electric pas cu pas este prezentata în figura 4. Standul experimental din figura 5, utilizat pentru studiul sistemului de actionare electrica, a fost realizat in laboratorul de Masini electrice al Universitatii din Bacau si se compune din: a) motor electric pas cu pas (MEPP). b) driver pentru comanda motorului electric pas cu pas. c) sursă de tensiune continuă (0-5) V.c.c. pentru alimentarea driverului de comandă a motorului electric pas cu pas. d) sursă de tensiune continuă (0- 30) V.c.c. pentru alimentarea motorului electric pas cu pas. e) calculator compatibil IBM PC echipat cu placa de achiziţie date PCI 6221, [4]. f) cupla de conexiuni a plăcii de achiziţie date. Caracteristicile echipamentelor din structura standului experimental sunt: a) Parametrii principali ai motorului electric

pas cu pas: 1) Număr de faze: Nf = 4 2) Unghiul de pas: �p = 1,80 3) Număr de paşi pe rotaţie: Np/rot = 200 4) Curentul pe fază: If = 2 [A] 5) Rezistenţa fazei: Rf = 3 [�]

4. EXPERIMENTAL RESULTS 4.1. Description of the Experimental Stand The block diagram of the drive system equipped with step-by-step motor is presented in Fig. 4. The experimental stand shown in Fig. 5 that is used for the study of the electrical drive system was built at the Electric Machinery Laboratory of the University of Bacau. It is composed of: a) Step-by-step motor (MEPP). b) Driver for controlling the step-by-step motor. c) D.C. source (0-5) V for supplying the control driver of the step-by-step electric motor. d) D.C. source (0- 30) V for supplying the step-by-step motor. e) IBM PC compatible computer, equipped with the data acquisition board PCI 6221, [4]. f) Connection coupling of the data acquisition board. The characteristics of the equipment composing the experimental stand are the following:

a) The main parameters of the step-by-step motor:

1) Number of phases: Nf = 4 2) Step angle: �p = 1,80 3) Number of steps per revolution:

Np/rot = 200 4) Phase current: If = 2 [A]

5) Phase resistance: Rf = 3 [�]

Faza 1

Pol statoric cu un dinte

Rotor cu 6 dinţi



167

6) Inductivitatea fazei: Lf = 6,8 [mH] 7) Tensiunea de lucru: Uf = (12-50) [V] 8) Cuplul: M = 2,2 [N�m] 9) Greutate motor: G = 1,5 Kg 10) Grosime ax: 10=φ mm 11) Lungime motor: L= 100 mm

6) Phase inductivity: Lf = 6,8 [mH] 7) Working voltage: Uf = (12-50) [V] 8) Torque: M = 2,2 [N�m]

9) Motor weight: G = 1,5 Kg

10) Shaft diameter: 10=φ mm 11) Motor length: L= 100 mm

Figure 4: Block diagram of the experimental stand for the control of the step-by-step motor b) Driverul pentru motoare pas cu pas unipolare este realizat cu microcontroler PIC 16F864 şi are caracteristicile: - tensiune alimentare pentru motor 50V.c.c. maxim. - tensiune alimentare pentru logică 5 V.c.c./100 mA. - curent 5 A maxim (limitat software). - se comandă cu ”Step/Dir” izolate cu optocuploare faţă de circuitul de comandă. - impulsuri pentru ”Step” 35 000 /secundă maxim. - durata minimă a impulsului pentru intrarea ”Step” este de 20 Secμ . - durata minimă după care se poate schimba intrarea ”Dir” este de 8 Secμ . - menţine curentul constant în motor pentru cuplu constant. - funcţie autodiagnostic. - semnalizare erori. c) Placa de achiziţie date PCI 6221 are

b) The driver for single pole step-by-step motors is equipped with a microcontroller of PIC 16F864 type and has the following characteristics: - Supply voltage for motor, max. 50 V, D.C. - Supply voltage for logics 5 V D.C./100 mA. - Max. current of 5 A (limited through software). - Controlled through ”Step/Dir”, isolated through optic couplers from the control circuit. - Pulses for” Step”: max 35 000 /sec - Minimum duration of the pulse for the ”Step” input is 20 Secμ . - Minimum duration after which the input ”Dir” can be changed is 8 Secμ . - It keeps the current constant into the motor for a constant torque. - Auto-diagnosis function. - Error signaling.

PC computer + Data acquisition board

Driver for step-by-step motor control

D.C. source, 5 V D.C.

Connection coupling

MEPP

D.C. source, 12 V D.C.



168

caracteristicile: - convertor analog/numeric pe 16 biti ; - 16 intrări analog/numerice ; - 2 ieşiri numeric/analogice ; - 24 de intrări/ieşiri digitale ; - domeniul semnalelor de intrare/ieşire:

± 10 V.c.c.; - rata de eşantionare 833 kS/s.

Pentru comanda motorului pas cu pas s-a folosit ieşirea digitală PFI 12/P2.4. d) Calculatorul compatibil IBM PC are următoarele caracteristici tehnice:

- Procesor Intel Pentium 4, 3 Ghz, - memorie 1GB DDR2, Hard Disk 200

GB SATA, - Unitate Optica: DVD+/-RW, - Placa Video: nVIDIA GeFORCE

8400GS, - Placa Sunet: 6 Canale, - Sursa: 450W.

c) The PCI 6221 data acquisition board has the following characteristics:

- Analog/digital converter on 16 bites ; - 16 analog/digital inputs ; - 2 analog/digital outputs ; - 24 digital inputs/outputs ; - Range of the input/output signals:

± 10 V D.C.; - Sampling rate: 833 kS/s.

For the step-by-step motor control the digital output PFI 12/P2.4 has been used. d) The IBM-PC compatible computer has the following technical characteristics:

- Intel Pentium 4, 3 GHz processor, - Memory 1GB DDR2, Hard Disk 200

GB SATA, - Optical unit: DVD+/-RW, - Video board: NVIDIA GeFORCE

8400GS, - Sound board: 6 Channels, - Source: 450W.

Figure 5: Photo of the experimental stand

c a b

e f d



169

4.2 Functionarea standului experimental Se alimentează calculatorul. Pentru comanda motorului pas cu pas s-a realizat un program în mediul de programare LabVIEW. Panoul frontal al dispozitivului virtual de comandă a motorului electric pas cu pas este prezentat în fig. 6, iar diagrama bloc în fig. 7. Se alimentează driverul de comandă de la sursa de tensiune continuă de 5 V. Se alimentează motorul electric pas cu pas de la sursa de tensiune continuă de 12 V. Impulsurile generate de placa de achiziţie date PCI 6221 se aplica pe intrarea “STEP” a driverului de comandă. Pentru schimbarea sensului de rotaţie se aplica impulsurile generate de placa de achiziţie date şi pe intrarea ”Dir” a driverului de comandă. Pentru modificarea turaţiei motorului electric pas cu pas se vor da diferite valori pentru frecvenţa impulsurilor de comandă generate de placa de achiziţie pe panoul frontal al dispozitivului virtual de comandă. Programul permite prescrierea unui anumit numar de pasi de catre motorul electric de actionare. De asemenea a fost realizat un program in Labview pentru comanda simultana a doua motoare electrice pas cu pas. Sistemul de actionare electrica prezentat este inclus in structura unui robot de jucat sah.

4.2 Running of the Experimental Stand The computer will be supplied. For controlling the step-by-step motor a program has been edited in the LabVIEW programming environment. The front panel of the virtual control device of the step-by-step motor is shown in Fig. 6, and the block diagram is shown in Fig. 7. The control driver will be supplied from the 5 V D.C. source. The step-by-step motor will be supplied from the 12 V D.C. source. The pulses generated by the data acquisition board PCI 6221 will be applied on the “STEP” input of the control driver. For changing the direction of rotation, the pulses generated by the data acquisition board will also be applied on the ”Dir” input of the control driver. For modifying the rpm of the step-by-step electric motor, various values will be given to the frequency of the control pulses generated by the data acquisition board on the front panel of the virtual control device. The program allows presetting one number of steps by the electric drive motor. A program has also been edited in Labview for the simultaneous control of two step-by-step electric motors. The electric drive system is included to the structure of a chess playing robot.

Figure 6: Front Panel



170

Fig. 7 Block diagram

5. CONCLUZII In lucrare se prezinta un sistem de actionare electrica realizat cu motor electric pas cu pas. Standul experimental utilizat pentru studiul sistemului de actionare electrica se compune din: motor electric pas cu pas (MEPP), driver pentru comanda motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0-5) V.c.c. pentru alimentarea driverului de comandă a motorului electric pas cu pas, sursă de tensiune continuă (0- 30) V.c.c. pentru alimentarea motorului electric pas cu pas si calculator compatibil IBM PC echipat cu placa de achiziţie date PCI 6221. Pentru comanda motorului pas cu pas s-a realizat un program în mediul de programare LabVIEW. Sistemul de actionare electrica prezentat este inclus in structura unui robot de jucat sah. BIBLIOGRAFIE [1] Livinti P: Micromasini electrice si actionarea lor. Editura Alma Mater Bacau, 2007. [2] Livinti P.: Sisteme de conducere in robotica. Editura Alma Mater Bacau, 2007. [3] Keleman A., s.a.: Motoare electrice pas cu pas. Editura Tehnică Bucuresti, 1975. [4] DataSheet 6221.pdf . National Instruments S.U.A. [5] ***** Program LabWIEW 8.6 trial.

5. CONCLUSION This work presents an electrical drive system, built with a step-by-step motor. The experimental stand used for studying the electric drive system is composed of: step-by-step electric motor (MEPP), driver for controlling the step-by-step electric motor, D.C. source for supplying the control driver of the step-by-step electric motor (0-5) V, D.C. source (0- 30) V for supplying the step-by-step electric motor and a IBM PC compatible computer, equipped with the PCI 6221 data acquisition board. For the control of the step-by-step electric motor a program has been edited in the LabVIEW programming environment. The electric drive system presented above is included to the structure of a chess playing robot. REFERENCES [1] Livinti P: Micromasini electrice si actionarea lor. Editura Alma Mater Bacau, 2007. [2] Livinti P.: Sisteme de conducere in robotica. Editura Alma Mater Bacau, 2007. [3] Keleman A., s.a.: Motoare electrice pas cu pas. Editura Tehnică Bucuresti, 1975. [4] DataSheet 6221.pdf . National Instruments S.U.A. [5] ***** Program LabVIEW 8.6 trial.

18_PETRU _LIVINTI

Documents

Transcript of 18_PETRU _LIVINTI