FACULTATEA: INGINERIE MECANICĂSECŢIA MECATRONICĂ

ACŢIONĂRI ELECTRICE ŞI ELECTRONICĂ DE PUTERE

PROIECT

MOTOR PAS CU PAS

Student: Grupa:

Anul: IV

PROIECT

MOTOR PAS CU PAS

I. Generalităţi

I.1. Sistemele de acţionare. I.2. Motoare pas cu pas (construcţie şi funcţionare, clasificare, definiţii).

II. Datele proiectului. Schema generală a sistemului de acţionare proiectat.

III. Calculul momentului de inerţie redus şi al momentului rezistent redus. (Mathcad)

IV. Modelul matematic al motorului. Rezolvarea sistemului de ecuaţii diferenţiale (simulare Matlab)

V. Simularea motorului în Matlab - Simulink. Alegerea motorului în funcţie de graficele Matlab – Simulink.

VI. Comanda motorului folosind mediul de lucru programul LabView.

VII. Determinarea stabilităţii sistemului.

VIII. Desenarea şi schiţa cuplajului (Catia). Analiza cuplajului

(Element finit).

I. GENERALITĂŢI2

I.1. Sistemele de acţionare

Prin element de acţionare electrică se înţelege un motor electric ce urmăreşte un semnal de comandă (acest semnal poate fi tensiune electrică sau curent electric), pe care îl transformă într-un semnal mecanic (deplasare liniară/unghiulară sau viteză liniară/unghiulară) pentru a obţine un randament energetic.

Pentru microacţionări, elementul de acţionare (motorul electric) are în plus proprietatea de a fi un convertor electro-mecanic ~ să respecte proporţionalitatea între mărimea electrică de comandă şi mărimea mecanică de ieşire (semnalul de ieşire).

Sistemele de acţionare sunt compuse dintr-un element de acţionare, dintr-un dispozitiv de lucru (mecanism acţionat) şi traductorul de viteză şi / sau poziţie. Acestea reprezintă totalitatea elementelor din componenţa dispozitivelor de lucru şi a instalaţiilor, care asigură mişcarea elementelor conducătoare după o anumită lege în conformitate cu funcţiile stabilite pentru aceste elemente.

O caracteristică a elementelor de acţionare o reprezintă reversibilitatea (elementul de acţionare poate funcţiona atât în regim de motor cât şi în regim de generator).

Din punct de vedere energetic un sistem de acţionare transformă energia primită de la o sursă de energie primară, în lucru mecanic util, pe care apoi îl furnizează mecanismelor acţionate. Transmiterea se face prin intermediul arborilor pentru mişcarea de rotaţie, sau prin intermediul tijelor pentru mişcarea de translaţie alternativă.

Clasificare:

Marea majoritate a elementelor de acţionare funcţionează în trei regimuri, şi anume:

Regim de motor (primeşte energie electrică şi cedează sistemului acţionat energie de natură mecanică);

Regim de generator (are o comportare exact opusă decât cea din regimul de motor);

Regim de generator (are o comportare exact opusă decât cea din regimul de motor);

Regim de frână electrică (primeşte atât energie electrică cât şi energie de natură mecanică pe care le transformă în căldură).

3

I.1.1. Clasificarea elementelor de acţionare electrice în funcţie

de modul de alimentare:

Motoare de curent continuu (şi ca un caz particular servomotoare

de curent continuu care au performanţe mai bune în ceea ce priveşte

mişcarea incrementală a poziţiei şi a vitezei);

Motoare de curent alternativ care sunt la rândul lor de două

tipuri, şi anume:

Sincrone (frecvenţa curentului de comandă este în raport

constant cu turaţia motorului);

Asincrone (frecvenţa curentului de comandă depinde de

încărcarea motorului).

I.1.2. Cerinţe importante ale motoarelor electrice:

Trebuie să aibă o mare amplitudine (gamă largă) de variaţie a vitezei;

Să fie autofrânat în absenţa semnalului de comandă;

Să aibă variaţii largi ale cuplului/forţei în funcţie de gama de viteze

controlate;

Răspunsul electric şi electromecanic să fie rapid (se controlează prin

constanta mecanică şi constanta electrică a motorului);

Caracteristica mecanică (diagrama M - ) să fie aproximativ liniară,

ceea ce ajută la utilizarea motorului în Sistemele de Reglare Automată;

Caracteristicile de reglare: semnal de comandă – poziţie şi semnal de

comandă – viteză trebuie să fie univoce;

Posibilitatea motorului de a lucra în sistem închis şi de a-şi menţine

poziţia.

4

I . 1 .3 .Avanta je le acţ ionăr i i e lect r ice sunt :

1. Disponibilitate de energie mare, care poate fi stocată pe termen lung.

2. Fluxul de putere electrică, se pretează cel mai bine la automatizări, ceea ce duce la obţinerea unor performante maxime în funcţionare.

3. Pot fi comandate de la distanţă.

4. Este constituită din elemente modularizate, tipizate care se pretează miniaturizării.

5. Randamentul acestor tipuri de acţionări este mult mai mare decât la celelalte tipuri de acţionări.

6. Sunt silenţioase şi fiabile.

7. Reglarea vitezei se face într-un raport foarte mare 10.000 : 1, performanţă care este mult superioară celorlalte tipuri de acţionări.

8. Timpul de răspuns la motoarele electrice speciale utilizate pentru automatizări sunt net superioare celorlalte tipuri de acţionări.

I.1.4.Dezavantajele acţionării electrice

1. Încălzirea motorului, care apare datorită intensităţii mari a curentului care

este absorbit, ceea ce duce la modificarea celorlalţi parametrii. De aceea

comanda motorului trebuie făcută astfel încât să se evite încălzirea. Acest

fenomen de încălzire apare în mod special în regimurile tranzitorii de

funcţionare (pornire şi oprire).

2. Puterea motorului raportată la unitatea de volum este mai mică în

comparaţie cu alte tipuri de acţionări.

3. Momentele de inerţie generate în regimul tranzitoriu de funcţionare al

motorului sunt mai mari la acţionările electrice în comparaţie cu alte tipuri de

acţionări (unele motoare de construcţie specială elimină acest dezavantaj).

5

4. Caracteristica mecanică moment – turaţie este în general

descrescătoare la acţionările de tip electric (la Motorul Pas cu Pas descreşte

destul de mult).

I.2. Motoare pas cu pas (construcţie şi funcţionare,

clasificare, definiţii)

Motorul electric pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizează conversia impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului într-o mişcare de rotaţie ce constă din deplasări unghiulare discrete de mărime egală şi care reprezintă paşii motorului. Numărul paşilor efectuaţi trebuie să corespundă, în cazul unei funcţionări corecte cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului.

Majoritatea motoarelor electrice pas cu pas sunt bidirecţionale şi permit o accelerare, oprire şi reversare rapidă fără pierderi de paşi, dacă sunt comandate cu o frecvenţă inferioară frecvenţei limită corespunzătoare regimului respectiv de funcţionare. Pentru extinderea funcţionării motoarelor pas cu pas la viteze mai mari decât viteza corespunzătoare frecvenţei limită, este necesară o accelerare prin creşterea treptată a frecvenţei impulsurilor de comandă.

MPP sunt utilizate în special în aplicaţiile unde se doreşte realizarea unei mişcări incrementale folosind sisteme de comandă numerică.

Dezvoltarea relativ recentă a MPP precum şi interesul manifestat faţă de aceste motoare au determinat dezvoltarea unei game largi de tipuri de MPP.

I.2.1.Clasificarea motoarelor pas cu pas:

Solenoidal (cu bobine pe stator); Cu magnet permanent în rotor; Cu magnet permanent în stator; Cu reluctanţă variabilă; Cu magnet permanent şi reluctanţă variabilă (hibrid); Electromecanic.

Motorul pas cu pas este de fapt un motor sincron la care fiecărui impuls îi corespunde o deplasare cu un pas. Forma impulsurilor poate varia fără a influenţa tipul mişcării.

Pentru cupluri mai mari se utilizează MPP electrohidraulice, reprezentând o combinaţie între MPP şi amplificatoarele hidraulice.

6

În ultimul timp au apărut noi MPP de tip hibrid: pas cu pas curent continuu şi pas cu pas asincron.

I.2.2.Avantajele motoarelor pas cu pas:

Fiabilitate bună; Îmbunătăţirea preciziei; Compatibilitate cu tehnica de calcul; Porniri / opriri şi reversări repetate fără a pierde paşi; Memorează poziţia.

I.2.3.Dezavantajele motoarelor pas cu pas:

Pasul unghiular are valoare fixă; Elementul de execuţie este analogic; Randament scăzut ; Capacitate limitată la acţiunea sarcinilor (se folosesc angrenaje); Comanda motorului trebuie adoptată la tipul de motor folosit.

Ca urmare a apariţiei materialelor magnetice cu performanţe ridicate s-au introdus de elemente de execuţie la care mişcarea este incrementală. Din această categorie fac parte: motoarele pas cu pas, servomotoarele de curent continuu şi combinaţii hibride.

Toate aceste elemente au proprietatea că transforma informaţia discretă sub formă de impulsuri în deplasare incrementală.

În cele ce urmează se vor prezenta tipurile de motoare indicate mai sus.

1) Motor pas cu pas de tip solenoidal

Sunt două tipuri de astfel de motoare. Primul constă dintr-un electromagnet care pune în mişcare o armatură

mobilă. Armătura mobilă este pusă în mişcare de un electromagnet şi atunci când ea este atrasă roteşte arborele motor; menţinerea poziţiei motorului se face cu un mecanism cu clichet.

Al doilea tip de motor pas cu pas solenoidal denumit Motor pas cu pas cu clichet constă dintr-un electromagnet cu arc conectat la un ax printr-un mecanism cu clichet.

7

Principalul avantaj al acestui motor este faptul ca dezvolta un cuplu relativ mare , iar la efectuarea pasului nu apar oscilaţii.

Dezavantaj: frecvenţa de execuţie a paşilor este redusă şi este unidirecţională.

2) Motor pas cu pas cu reluctanţă variabilă

La acesta principiul de funcţionare se bazează pe atingerea poziţiei de reluctanţa minimă atunci când axa polului statoric coincide cu axa polului rotoric.

O fază a motorului se înfăşoară pe doi poli statorici diametral opuşi. La comutarea unei faze rotorul se roteşte cu un pas. Dacă se comută alimentarea pe faza următoare, rotorul este scos din poziţia de echilibru şi ca urmare apare un cuplu reactiv. Acest cuplu creste cu unghiul de decalaj dintre axa polului statoric şi axa polului rotoric. Atunci când cele două axe sunt coliniare acest cuplu reactiv ajunge la valoarea zero care reprezintă poziţia de echilibru stabil.

Ca valoare unghiul de pas:

p - unghiul de pasp - numărul de poli rotoricip - numărul de poli statorici.

Motoarele pas cu pas cu reluctanţă variabilă se împart în:- motoare cu mişcare de rotaţie sau mişcare liniară;- monostatoric sau polistatoric;- cu întrefier radial sau axial.

Pentru micşorarea lui p au fost concepute motoare pas cu pas la care rotorul are un număr de dinţi Zr la motoarele cu 1.8 grade numărul de dinţi este 50 iar pe rotor axa unui dinte statoric coincide cu axa unui dinte rotoric. Pasul poate fi micşorat din comanda electronică a motorului utilizând tehnica micropăşirii.Viteza unghiulară a rotorului:

p=360/ pr*ps=360/4*50 = 1.8=2f/N

f – frecvenţa de comutare a paşilor [paşi / secundă];N – numărul de paşi / rotaţie;N – m *Zr;

8

M – numărul de faze statorice;Zr – numărul de dinţi rotor.

3 ) Motor pas cu pas cu magnet permanent în stator

Aceste motoare se obţin prin înlocuirea înfăşurărilor de excitaţie cu magneţi permanenţi. Fluxul de excitaţie constant al magneţilor permanenţi nu depind de poziţia rotorului datorită decalajului cu a permeanţei magnetice corespunzătoare la doi poli vecini şi care formează o fază. Caracteristic pentru MPP cu magneţi permanenţi şi înfăşurări de comandă montate pe stator este faptul că zonele dinţate sunt saturate de fluxul total, ceea ce duce la micşorarea coeficientului de utilizare a magneţilor.

Avantajul acestui motor constă în faptul că memorează poziţia fără ca fazele sa fie alimentate.

Dezavantajul principal constă în aceea că este unidirecţional.

4) Motor pas cu pas cu magnet permanent în rotor

Aceste motoare au în rotor un magnet permanent, care magnetizează rotorul radial.

Avantajul principal al acestui motor este acela că dezvoltă un cuplu de fixare a rotorului, chiar cu fazele nealimentate.

Dezavantajul principal este acela că performanţele motorului sunt afectate de schimbările caracteristicilor motorului .

5) Motor pas cu pas hibrid, cu magnet permanent şi reluctanţă variabilă.

Acest motor are două pachete stator – rotor . Cele două pachete statorice sunt fixate în aceeaşi carcasă, iar rotoarele sunt solidare pe acelaşi arbore. Între cele două rotoare este plasat un magnet permanent cilindric magnetizat axial.

Avantajul principal al acestui motor: în absenţa alimentarii fazelor prezintă un cuplu de fixare a rotorului.

Dezavantajul principal al acestui motor: inerţia mare a rotorului.

6) Motor pas cu pas de tip electromecanic

9

Se bazează pe o construcţie unitară, compactă, ce constă dintr-un circuit electromecanic şi un sistem de transmisie armonică ce măreşte cuplul de ieşire şi reduce pasul motorului la valori foarte mici.

Avantajul principal: pot antrena sarcini inerţiale mari.Dezavantajul principal: viteza de rotaţie mică.

7) Motoare pas cu pas electrohidraulice

Mărirea cuplului util într-un sistem de acţionare cu motor pas cu pas, fără a limita turaţia maximă de funcţionare prin mărirea momentului de inerţie, este posibilă prin utilizarea unui motor electric pas cu pas de mică putere, în combinaţie cu un amplificator de cuplu hidraulic cu piston axial, aceasta din urmă având un randament ridicat şi un moment de inerţie redus. Întregul ansamblu motor – amplificator hidraulic a primit denumirea de motor pas cu pas electrohidraulic.

II. Datele proiectului

II.1.1.Schema generală a mecanismului:

M – motor pas cu pas

Diametru arbore motor: Rm=10 [mm] ;

Diametrul exterior al cuplajului: RM=12÷20 [mm];

10

Lungime cuplaj: L=22 [mm]

II.1.3. Dimensiunile şi caracteristicile roţilor dinţate ale mecanismului:

z1 =38z2 = 74z3 = 26

Modulul roţilor: Grosimea roţilor:m1= 2 [mm] g = 4mmm2 = 3 [mm] g = 4mm

Roţile dinţate sunt din oţel a cărui densitate este:

ρOl = 7800

11

IV. Modelul matematic al motorului. Rezolvarea sistemului de ecuaţii diferenţiale (simulare Matlab)

Subsistemele:

12

13

14

15

16

#Graficele obţinute în urma simulării în Programul Matlab – Simulink pentru semnal de intrare TREAPTĂ:Tensiunea de intrare: u=1.65V

Variaţia pasului unghiular teta.

Variaţia vitezei unghiulare omega. Graficul tensiunii de intrare:

Graficul variaţiei curentului I_alfa Graficul variaţiei curentului I_beta

17

Concluzii: Se recomandă utilizarea acestui tip de semnal deoarece se

obţin performanţe foarte bune, cum ar fi:

timp de stabilizare mic;

variaţii satisfăcătoare pentru viteza unghiulară respectiv pentru

deplasarea unghiulară;

stabilitatea curenţilor.

#Graficele obţinute în urma simulării în Programul Matlab – Simulink pentru semnal de intrare RAMPĂ.

Variaţia pasului unghiular teta.

18

Variaţia vitezei unghiulare omega. Graficul tensiunii de intrare:

19

Graficul variaţiei curentului I_alfa Graficul variaţiei curentului I_beta

VI. Comanda motorului folosind mediul de lucru programul LabView

20

Pentru a realiza conducerea motorului cu ajutorul calculatorului este nevoie de un soft de comandă al motorului, de o placă de achiziţie/ comandă şi de un bloc electronic de prelucrare. Soft-ul de comandă al motorului se va realiza în LabView, el furnizând semnalele de comandă necesare. Placa de achiziţie/comandă va fi partea ce va genera fizic semnalele de comandă primite de la soft. Acesta le va transmite blocului electronic de prelucrare. Un astfel de bloc este necesar deoarece semnalele generate de placă nu au suficientă energie pentru a pune în mişcare motorul, ele fiind în general semnale logice de comandă, cu energie scăzută. Blocul electronic realizează comanda pe fiecare fază a motorului în conformitate cu semnalele primite de la placă. Pe lângă rolul de comandă a motorului, blocul electronic realizează o amplificare (în tensiune sau curent, după necesităţi) a semnalelor de comandă primite, furnizând motorului semnale electrice cu nivel energetic suficient de mare pentru a funcţiona.

Softul de comandă al motorului a fost realizat într-o variantă simplificată, prima comandă fiind oprire motor, după care realizează un ciclu de funcţionare în care rotorul motorului se deplasează cu un număr dat de paşi sau realizează mişcarea pas cu pas. Având în vedere că se face o comandă digitală a fiecărei faze a motorului, i s-a asociat câte un bit de comandă în cadrul portului de ieşire al plăcii de achiziţie.

Pentru trimiterea comenzilor la port se utilizează blocul DIG PORT, disponibil în mediu de lucru LabView.

Intrarea Pattern a blocului reprezintă valoarea trimisă la placa de achiziţie, fiind de fapt succesiunea de biţi, dar convertită în baza 10. While Loop asigură funcţionarea în buclă a motorului până când se îndeplineşte una din condiţiile specificate mai sus.Blocurile Sequence sunt utilizate pentru: comanda succesivă a fazelor motorului şi pentru stabilirea regimului de funcţionare:

0 – oprire motor; 1 – număr dat de paşi; 2 – pas cu pas.

Schema de comandă: Panoul frontal Diagrama

Panoul frontal

21

Diagrama

Modul de funcţionare:

22

Oprire motor Număr dat de paşi Pas cu pas

Fazele:

Faza 1 Faza 2 Faza 3

Faza 4

VII. Determinarea stabilităţii sistemului

23

Regimul staţionar de funcţionare a unui Sistem de Reglare Automată (SRA)

reprezintă acea stare a sistemului automat, caracterizată prin echilibru reciproc

al absolut tuturor mărimilor fizice (forţe mecanice, cupluri, tensiuni, curenţi,

presiuni, etc.) care apar în cuprinsul elementelor SRA şi participă la reglare.

Pot exista o infinitate de astfel de regimuri acţionate, corespunzător

diferitelor valori ale perturbaţiei (sau ale mărimii de intrare), fiecare dintre ele

reprezentând o stare de echilibru static.

Stabilitatea dinamică a sistemelor automate, reprezintă stabilitatea

regimului tranzitoriu al acestora. Pentru a vedea dacă un SRA este stabil

trebuie analizat răspunsul y(t) (deci variaţia în timp a parametrului reglat) pentru

o perturbaţie exterioară (sau o variaţie a mărimilor de intrare) limitată ca

valoare.

Un sistem automat este stabil dacă, după ce sub acţiunea unei perturbaţii

exterioare (sau a unei vibraţii la intrare oarecare) îşi părăseşte starea de

echilibru stabil, tinde să revină în regimul staţionar o dată ce perturbaţia

dispare. Sau, altfel spus: într-un sistem stabil, o perturbaţie momentană şi

limitată generează un răspuns amortizat.

Pentru un SRA instabil, răspunsul y(t) fie că tinde la infinit îndepărtându-

se continuu de valoarea yst, fie că execută oscilaţii permanente în jurul valorii

staţionare a răspunsului, conducând din punct de vedere matematic la

depăşirea domeniului de valabilitate a ecuaţiilor liniare, şi fizic, în unele situaţii,

chiar la distrugerea obiectului reglării.

Ne propunem în cele ce urmează să utilizăm criteriul anterior menţionat,

pentru a determina stabilitatea sistemului de acţionare ales la capitolul anterior.

Pentru aceasta vom utiliza mediul de simulare SIMULINK şi anume schema de

mai jos, formată din următoarele blocuri:

- Generator semnal de tip de funcţie treaptă;

24

- Funcţia de transfer a motorului dată de relaţia:

- Analizor de spectru.

Elementele care intervin în funcţia de transfer sunt:

- Dr = coeficientul de frecare vâscoasă

- m = Jm/Dr

- R = rezistenţa pe o fază

- L = inductivitatea pe o fază

VI.2. Schema Simulink pentru determinarea stabilităţii sistemului:

Graficul stabilităţii:

25

VIII. Desenarea şi schiţa cuplajului (Catia). Analiza cuplajului (Element finit).

VIII.1. Cuplajul realizat în programul Catia.

26

27

VIII.2. Cuplajul realizat în programul Catia (Drafting).

28

VIII.3. Analiza cuplajului realizat în programul Catia (Element Finit).

29