Motoare pas cu pas ,caracteristici

21
CAP. 1.1. MOTOARE PAS CU PAS CARACTERISTICI GENERALE O definiţie simplă a motorului pas cu pas este: „un dispozitiv electromecanic care converteşte impulsurile electrice în mişcări mecanice discrete”. [3,17,22] Axul motorului pas cu pas execută o mişcare de rotaţie în paşi incrementali discreţi când este aplicată în secvenţa corectă o comandă electrică în pulsuri. Rotaţia motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcţia de rotaţie a motorului este direct legată de secvenţa în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea şi viteza de rotaţie este direct dependentă de frecvenţa impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate.[3,17] În comparaţie cu alte tipuri de motoare (motoarele de curent continuu sau motoarele de curent alternativ asincrone şi sincrone) motorul pas cu pas are o serie de avantaje: Rotaţia unghiulară a motorului este proporţională cu pulsul electric aplicat; Motorul are moment maxim în poziţia oprit dacă bobinele sunt alimentate; Poziţionare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la un pas la altul; Răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcţiei de rotaţie; Fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcţionare depinde de rulment; Posibilitatea de a obţine viteze foarte mici cu sarcina legată direct pe axul motorului; O gamă foarte largă de viteze de rotaţie; dar există şi unele dezavantaje: Rezonanţa poate apărea în cazul unui control deficitar; Controlul greoi la viteze foarte mari.[1,16,24,25] Fiecare revoluţie a axului motorului este alcătuită dintr-o serie de paşi discreţi. Un pas este definit ca fiind rotaţia unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă. Fiecare impuls face ca axul să se rotească cu un anumit număr de grade caracteristic fiecărui tip de motor. Un „pas unghiular” reprezintă rotaţia axului motorului la fiecare pas, şi se măsoară în grade. În funcţie de acest pas unghiular se poate face o clasificare a motoarelor pas cu pas. În figura 1.1 este prezentată dependenţa poziţiei unghiulare a axului (figura 1.1 (b)) de secvenţa de alimentare a bobinelor (figura 1.1 (a)). [5,17,25]

description

Automatizari,MPPS

Transcript of Motoare pas cu pas ,caracteristici

  • CAP. 1.1. MOTOARE PAS CU PAS

    CARACTERISTICI GENERALE

    O definiie simpl a motorului pas cu pas este: un dispozitiv electromecanic care convertete impulsurile electrice n micri mecanice discrete. [3,17,22]

    Axul motorului pas cu pas execut o micare de rotaie n pai incrementali discrei cnd este aplicat n secvena corect o comand electric n pulsuri. Rotaia motorului este

    strns legat de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcia de rotaie a motorului este direct legat de secvena n care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea i viteza de rotaie este direct dependent de frecvena impulsurilor electrice iar deplasarea unghiular este direct dependent de numrul de pulsuri electrice aplicate.[3,17]

    n comparaie cu alte tipuri de motoare (motoarele de curent continuu sau motoarele de curent alternativ asincrone i sincrone) motorul pas cu pas are o serie de avantaje:

    Rotaia unghiular a motorului este proporional cu pulsul electric aplicat;

    Motorul are moment maxim n poziia oprit dac bobinele sunt alimentate;

    Poziionare precis, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumuleaz de la un pas la altul;

    Rspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direciei de rotaie; Fiabilitate excelent deoarece nu exist perii de contact la motor, deci durata de

    funcionare depinde de rulment; Posibilitatea de a obine viteze foarte mici cu sarcina legat direct pe axul

    motorului;

    O gam foarte larg de viteze de rotaie; dar exist i unele dezavantaje: Rezonana poate aprea n cazul unui control deficitar;

    Controlul greoi la viteze foarte mari.[1,16,24,25] Fiecare revoluie a axului motorului este alctuit dintr-o serie de pai discrei. Un pas

    este definit ca fiind rotaia unghiular a axului motorului la aplicarea unui impuls de comand. Fiecare impuls face ca axul s se roteasc cu un anumit numr de grade caracteristic fiecrui tip de motor. Un pas unghiular reprezint rotaia axului motorului la fiecare pas, i se msoar n grade. n funcie de acest pas unghiular se poate face o clasificare a motoarelor pas cu pas. n figura 1.1 este prezentat dependena poziiei unghiulare a axului (figura 1.1 (b)) de secvena de alimentare a bobinelor (figura 1.1 (a)). [5,17,25]

  • Exist trei tipuri de motoare pas cu pas din punct de vedere al configuraie electrice. Acestea sunt:

    Cu reluctan variabil

    cu magnet permanent

    Hibride.

    Aceste tipuri vor fi descrise pe larg n subcapitolul 1.2. Pe lng aceste tipuri clasice de motoare pas cu pas exist un tip de motor cu un

    design special. Acesta este motorul cu rotorul format dintr-un disc din magnet permanent (figura 1.2). [16,18]

    Acest tip de motor ofer avantajul unei inerii foarte mici, precum i un flux magnetic optim deoarece nu exist nici o legtur ntre cele dou bobine ale statorului.

    O alt caracteristic important a motoarelor, dup care ele sunt i clasificate este mrimea lor. Clasificarea dup mrime se face n funcie de diametrul corpului motorului, n timp ce lungimea motorului poate varia n interiorul aceleiai clase de mrime.

    timp Po

    zii

    a ax

    ulu

    i mo

    toro

    ulu

    i (gr

    ade) Fig. 1.1

    Fig. 1.2

    Circuit magnetic - din oel laminat de calitate Nu exist cuplaj magnetic ntre faze

    Rotor o inerie foarte mic

    Rotor

    Stator

  • Nivelul de putere al motoarelor pas cu pas variaz, de la motoarele foarte mici cu un

    consum de ordinul mW, la motoarele mai mari cu un consum de ordinul zecilor de vai. Modul de funcionare al motorului pas cu pas este simplu. n momentul cnd o bobin

    este alimentat apare un flux magnetic n stator. Direcia fluxului poate fi determinat folosind regula minii drepte. Prin energizarea n secvena corect a bobinelor statorului, motorul va

    efectua rotaia dorit, dar mai mult despre modul de funcionare a motorului pas cu pas n subcapitolul 1.3.

    De obicei motoarele pas cu pas au dou faze, dar exist i motoare cu trei sau cinci faze. Un motor bipolar cu dou faze are o bobin/faz iar un motor unipolar are o bobin cu priz central/faz. De multe ori motorul unipolar este catalogat ca fiind un motor cu patru faze dei el are numai dou faze. Exist i motoare care au dou bobine separate/faz acestea pot fi conduse fie ca un motor bipolar sau ca un motor unipolar.

    Pentru a putea nelege mai bine structura unui motor pas cu pas trebuie menionat

    faptul c un pol este considerat acea regiune din corpul magnetizat n care densitatea de flux magnetic este concentrat. Att statorul ct i rotorul unui motor pas cu pas au poli. Cel mai

    simplu motor poate avea doi poli (o pereche de poli) pentru fiecare din cele dou faze pe stator i 2 poli (o pereche) pe rotor. n realitate sunt prezente mai multe perechi de poli att pe stator ct i pe rotor, acest lucru ducnd la creterea numrului de pai la o rotaie complet a motorului. Motorul pas cu pas cu magnet permanent are un numr egal de poli pe rotor i stator. Cele mai

    ntlnite tipuri de motoare pas cu pas cu magnet permanent au 12 perechi de poli. Statorul are 12 poli/faz. Motorul pas cu pas hibrid are rotorul prevzut cu dini, acesta fiind mprit n dou

    pri de un magnet permanent rezult c jumtate din dini sunt poli sud iar cealalt jumtate poli nord. De asemenea i statorul este prevzut cu dini.

    Rezoluia unghiular sau pasul unghiular al unui motor pas cu pas este dat de relaia dintre numrul de poli pe rotor i numrul de poli pe stator, i numrul de faze.[18] Pas unghiular = 360 / (NPh x Ph) = 360/N [1.1] ,unde NPh numrul de poli echivaleni /faz= numrul de poli pe rotor, Ph numrul de faze, N numrul total de poli pentru toate fazele.

    n cazul n care numrul de poli de pe rotor i stator nu este egal, aceast relaie nu mai este valabil.

    n funcie de modul de alimentare a fazelor exist mai multe tipuri de conducere a motoarelor pas cu pas. Cele mai comune moduri sunt:

    pas ntreg; jumtate de pas; micropire.

  • Motivele pentru care motorul pas cu pas a ajuns s fie folosit ntr-o gam mare de aplicaii este acurateea i repetabilitatea. n mod normal eroarea este cuprins ntre 3-5%/pas. Acurateea unui motor pas cu pas depinde n mare parte de prile sale mecanice i nu de prile electrice. Exist mai multe tipuri de erori prin care se exprim diferena dintre poziia real i poziia teoretic a motorului (figura 1.3). Astfel:

    Eroarea de poziionare la sfritul unui pas. Este eroarea pozitiv sau negativ de poziie care apare cnd motorul a efectuat un pas, adic s-a rotit cu un pas unghiular de la poziia anterioar. Eroarea de poziie. Dac motorul a efectuat N pai fa de poziia iniial

    (N=360o/pas unghiular) iar unghiul fa de poziia iniial este msurat dup fiecare pas, astfel dup N pai o s avem un unghi N , avem urmtoarea relaia: NpasunuitorcorespunzaunghiNN = )___( [1.2] Histerezis de poziie. Este valoarea obinut prin msurarea erorii de poziie n

    ambele direcii.[16]

    Dup cum am menionat mai sus, foarte important ntr-un motor pas cu pas este partea mecanic. Astfel pentru a putea exprima performana unui motor pas cu pas trebuie s se in cont i de parametri mecanici: sarcin, frecare i inerie.[16]

    Performana unui motor pas cu pas depinde foarte mult de parametrii mecanici ai sarcinii. Sarcina este definit ca acel lucru pe care motorul trebuie s-l acioneze. Sarcina (sau ncrcarea) motorului apare de obicei datorit frecrii sau ineriei precum i o combinaie a celor dou.

    Frecarea este rezistena opus micrii datorat asperitii suprafeelor care se ating una de alta. Frecarea este proporional cu viteza. Pentru a efectua un pas este nevoie de un moment cel puin egal cu frecarea. Odat cu creterea sarcinii, crete i frecarea, deci viteza scade, deci acceleraia crete i totodat crete eroarea de poziie. Astfel trebuie s se in cont n alegerea motorului pas cu pas de sarcina pe care trebuie s o acioneze i de condiiile tehnologice care trebuie ndeplinite (vitez, acceleraie, poziionare cu eroare ct mai mic etc.)

    Ineria poate fi definit ca fiind opoziia la schimbrile de vitez. O sarcin cu inerie mare are nevoie de un moment inerial mare la pornire dar i la oprire. O sarcin inerial mare va crete stabilitatea vitezei, dar va crete i timpul necesar ajungerii la viteza dorit i va scdea rata de porniri/opriri pe unitatea de timp.

    Deviaia unghiular

    Acurateea poziiei

    Poziia teoretic

    Eroare de histerezis

    Fig. 1.3

  • Rotorul va oscila odat cu creterea/scderea sarcinii ineriale i/sau frecrii. Aceast relaie nedorit ntre oscilaia rotorului, inerie i frecare poate fi redus prin amortizare mecanic dar mai simplu este eliminarea (sau mai bine zis amortizarea, cci aceste oscilaii nu pot fi eliminate complet) acestor oscilaii nedorite pe cale electric prin schimbarea din modul de pire ntreg n modul de pire jumtate de pas.

    O caracteristic important a unui motor pas cu pas este rspunsul unghiular la efectuarea unui pas.

    Cnd este aplicat un impuls electric motorului pas cu pas, rotorul are o micare unghiular cum se vede n figura 1.4. Timpul t este timpul necesar rotorului s se roteasc cu un pas odat ce un impuls electric a fost aplicat. Acest timp este dependent de raportul dintre moment i sarcin. Din moment ce cuplul este o funcie de deplasare rezult c acceleraia va fi i ea dependent de deplasare. De aceea, cnd un motor efectueaz pai mari (adic pire ntreag, nu jumtate de pas sau micropire) o dac cu un moment mare apare i o acceleraie mare. Acest lucru poate cauza rspunsul din fig.1.4. Timpul T este timpul necesar acestor oscilaii pentru a se amortiza. n unele aplicaii care necesit o mare precizie i un rspuns ct mai rapid aceste oscilaii nu sunt dorite. Este posibil s se reduc i chiar s fie eliminate prin micropire.[16]

    Fenomenul de rezonan poate aprea la anumite viteze de pire. El se manifest prin pierderi de cuplu care au ca urmare faptul c motorul poate sri (sunt pierdui) pai i automat apare o desincronizare. Acest fenomen apare cnd impulsurile de intrare au aceeai frecven cu frecvena natural de oscilaie a motorului (frecvena de rezonan). Acest fenomen de rezonan apare datorit construciei de baz a motoarelor pas cu pas i nu poate fi eliminat complet, doar redus prin micropire i, de asemenea, este dependent de sarcina pe care o acioneaz.[16]

    S-a ncercat o prezentare general a motorului pas cu pas din punct de vedere electric, dar i din punct de vedere al relaiei dintre partea mecanic, rspunsul acesteia la aplicarea unui impuls electric i partea electric ce genereaz comanda.

    1.2. TIPURI DE MOTOARE PAS CU PAS

    unghi

    timp

    Fig.1.4

  • Dac ar fi s facem o clasificare a motoarelor pas cu pas cea mai edificatoare ar fi

    clasificarea lor n :

    Motoare pas cu pas cu reluctan variabil; Motoare pas cu pas cu magnet permanent;

    Motoare pas cu pas hibride.

    1.2.1. Motoare pas cu pas cu reluctan variabil

    Acest tip de motor este cunoscut de foarte mult timp [15]. n fig.1.5 este prezentat o seciune printr-un motor pas cu pas cu reluctan variabil tipic. Motorul este alctuit dintr-un rotor i un stator, fiecare cu numr diferit de dini. Poate fi difereniat uor de un motor cu magnet permanent deoarece se nvrte uor, fr nici o reinere, n momentul rotirii rotorului

    cu mna.[1,5,11] Statorul motorului este alctuit dintr-un miez magnetic construit din lamele din oel.

    Rotorul este construit din fier moale nemagnetizat cu dini i sanuri. Relaia dintre unghiul de pire, dinii rotorului i dinii statorului este urmtoarea:

    = 360RS

    RS

    NNNN

    [1.3]

    unde pas unghiular, NS numrul de dini pe stator, NR numrul de dini pe rotor.[17]

    Fig. 1.5

    Capac stator A

    Capac stator B

    Ax motor

    Bobina A

    Bobina B

    Rotor

  • 1.2.2. Motoare pas cu pas cu magnet permanent

    Principiul de funcionare al motorului pas cu pas cu magnet permanent este foarte simplu i const n reacia dintre rotorul din magnet permanent i un cmp magnetic creat de stator.

    n figura 1.6 este prezentat statorul motorului cu boninele i polii acestuia precum i statorul din magnet permanent.

    Acest tip de motoare pas cu pas se poate mpri la rndul su, n mai multe categorii n funcie de modul de conectare al bobinelor:

    Motoare pas cu pas cu magnet permanent unipolare;

    Motoare pas cu pas cu magnet permanent bipolare; Motoare pas cu pas cu magnet permanent multifaz (sunt mai rar ntlnite).

    De menionat c i motoarele pas cu pas cu reluctan variabil sunt de tipul unipolar i bipolar, iar construcia lor este exact ca cea a motoarelor pas cu pas cu magnet permanent. Am ales s prezentm aceste tipuri de motoare n clasificarea motoarelor pas cu pas cu magnet

    permanent pentru c sunt mai des ntlnite.[5,15,17]

    Polul nord

    Polul sud

    Bobinele statorului

    Poli statorului

    Fig.1.6

  • 1.2.3. Motoare pas cu pas hibride

    Motoarele pas cu pas probabil sunt cele mai des utilizate i rspndite tipuri de motoare. La nceput au fost create ca motoare sincrone cu magnet permanent de vitez mic. Ele

    sunt o combinaie dintre un motor cu reluctan variabil i un motor cu magnet permanent, de unde i denumirea de motoare hibride.

    Motorul hibrid este alctuit dintr-un rotor format din doi poli separai de un magnet permanent axial, cu dintele opus deplasat fa de dintele corespunztor cu o distan egal cu jumtate din nlimea unui dinte pentru a permite o rezoluie mai mare la pire (figura 1.7 motorul hibrid n seciune i un detaliu al modului de amplasare al dinilor).[1,15]

    Cererea tot mai mare de motoare pas cu pas cu performane remarcabile i un zgomot redus a dus la apariia a dou tipuri de motoare hibride:

    Motoarele hibride cu 2 (4) faze - folosit n aplicaii obinuite; Motoarele hibride cu 5 faze - folosite n aplicaii speciale deoarece ofer

    urmtoarele avantaje fa de alte tipuri de motoare: rezoluie mare, zgomot mic n timpul funcionrii, moment de reinere mic.

    Dei toate aceste avantaje fac din el un motor foarte performant, acest lucru atrage dup sine i un cost semnificativ mai mare al driver-elor. Deci n alegerea unui motor pas cu pas, de

    orice tip ar fi el, trebuie s se in cont n primul rnd de cerinele aplicaiei n care va fi folosit i n al doilea rnd, de preul motorului.

    n figura 1.8 sunt prezentate seciuni transversale prin motoare hibride cu 2, 3 i 5 faze.[13,15]

    Fig.1.7 Rulment lubrifiat

    Carcas Rotor Stator

    Ax din oel nemagnetic

  • n cazul motoarelor pas cu pas hibride un numr de faze mai mare nsemna un cost mai mare. Odat cu implementarea tehnologiei de conducere sinusoidal n 3 faze a fost posibil scderea numrului de faze ale motorului, deci i costul de producie, rezoluia motorului

    (numrul de pai/rotaie) fiind determinat de numrul de perechi de poli n rotor. Astzi cel mai rspndit tip de motor pas cu pas hibrid este cel cu 3 faze. Odat cu

    progresul tehnologiei de conducere un motor cu 3 faze poate egala, din punct de vedere al performanelor, un motor cu 5 faze.[5,15]

    1.2.4. alte tipuri de motoare

    Un tip special de motoare sunt motoarele liniare care folosesc fora motorului pentru a roti i a extinde un urub. Unul din marile avantaje ale acestui tip de motor (figura 1.9) este faptul c ocup un loc foarte mic i micarea este direct liniar.[22]

    Exist i tipuri de motoare dinamice cum ar fi cele piezoelectrice sau cele electrostrictive. Materialele electrostrictive sunt la fel ca materialele piezoelectrice, adic amndou materialele sunt cristale feroelectrice care se contract sau se alungesc n funcie de tensiunea aplicat.[7,10]

    Totui, fa de materialele piezoelectrice, materialele electrostrictive nu sunt polarizate, adic indiferent de polaritatea tensiunii aplicate, materialul se va alungi pe direcia cmpului aplicat. De asemenea curgerea, materialelor electrostrictive este de doar 3% fa de cea a materialelor piezoelectrice care este de 16%. [10]

    Fig.1.9

    Fig.1.8

    Motor hibrid 2 faze Motor hibrid 3 faze Motor hibrid 5 faze

  • n figura 1.10 este prezentat structura de baz a unui motor pas cu pas piezoelectric. Prile notate cu A i B reprezint dou grupuri de inele grupate mpreun i care sunt folosite ca i gheare de prindere. C este un tub ceramic, i reprezint partea de conducere, iar D este osia de suport i este din oel. Principiul de funcionare este simplu, se aplic o tensiune pe ghearele A i B i dimensiunea tuburilor ceramice se schimb. Controlul se realizeaz cu ajutorul unui sistem digital, care genereaz trei trenuri de impulsuri pentru a controla motorul n secvena dorit. Prin schimbarea frecvenei se schimb i viteza motorului. Dei rezoluia este mare i n sisteme de control n bucl deschis, precizia ntr-un sistem de control n bucl nchis este mult mai mare.[6,8,10]

    Dei motoarele piezoelectrice sunt excelente pentru poziionarea submicronic, ele nu au o repetabilitate bun, datorit histerezisului mare i proprietii fizice a materialului de curgere lent (n timp materialul i schimb forma). Motoarele electrostricitve au fost dezvoltate pentru a elimina neajunsurile motoarelor piezoelectrice. Acest tip de motoare au un increment de micare de ordinul micronilor, cel mai fin fiind de 0,04 micrometri. Exist i motoare ultraperformante care pot realiza un pas de 2,5 angstrom.[9]

    Un alt tip de motoare care pot fi conduse pas cu pas sunt motoarele de curent continuu fr perii, cunoscute mai ales ca motoare de curent continuu brushless. Simplist, acest motor este de fapt un motor de curent continuu cu perii ntors pe dos. Avantajul fa de un motor de curent continuu cu perii este evident, lipsa periilor ducnd la o via mai lung a motorului i automat la o ntreinere mai uoar. Astfel, dup cum se observ n figura 1.11, rotorul este alctuit din bobine, iar statorul este alctuit dintr-un magnet permanent. Din moment ce nu exist nici o comutaie mecanic, ca i n cazul motorului de curent continuu cu perii, micarea se va obine prin rotirea cmpului magnetic. Din acest motiv acionarea unui motor brushless este mult mai complex dect a unui motor de curent continuu cu perii. Rolul comutatorului de la motorul de curent continuu cu perii este luat de ctre senzorii Hall care simt (magnetul din rotor trecnd prin dreptul senzorului Hall l face s-i schimbe starea) poziia rotorului din magnet permanent i excit bobina corespunztoare prin circuitul logic i apoi prin circuitul de alimentare.[19,20]

    Se ntlnesc dou tipuri de motoare brushless:

    Bobin

    Senzor Hall

    Carcas

    Rotor

    Fig. 1.11

    Fig. 1.10

  • motorul trapezoidal, denumirea vine de la caracteristica trapezoidal a motorului; n acest fel se ncearc reducerea pulsaiilor momentului prin aplatizarea caracteristicii (figura 1.12). n practic acest lucru este mai greu de obinut, deoarece un grad de neliniaritate se pstreaz. n plus, se observ la viteze mai mici o zvcnitur n momentul comutaiei.[20]

    Motorul sinusoidal, este denumit aa deoarece caracterstica sa nu a fost modificat (figura 1.13). Un asemenea tip de motor, numit i servomotor de curent alternativ brushless, poate fi alimentat cu curent alternativ aplicat pe fiecare bobin. Dac avem un motor cu 3 bobine, defazajul ntre cureni trebuie s fie de 120o. n acest caz este nevoie de un dispozitiv de control mai precis, i anume un encoder optic de mare rezoluie.[19,20]

    1.3. Funcionarea motorului pas cu pas

    n continuare vom prezenta modul de funcionare al tipurilor de motoare pas cu pas prezentate n capitolul 1.2.

    Motorul pas cu pas cu reluctan variabil

    Fig. 1.12 Fig. 1.13

  • Dac motorul are trei nfurri legate aa cum se vede n figura 1.14, cu un terminal

    comun la toate nfurrile, atunci este probabil ca el s fie un motor pas cu pas cu reluctan variabil. Borna comun este legat n general la potenialul pozitiv al sursei de alimentare i nfurrile sunt alimentate n secven.

    Cnd bobinele statorului sunt alimentate cu un curent continuu, polii acestuia se

    magnetizeaz. Rotaia are loc n momentul n care dintele rotorului este atras de ctre polii statorului care au fost magnetizai.

    n seciune se observ c motorul face o rotire de 30o la un pas. Rotorul acestui motor are 4 dini iar statorul are 6 poli, cu fiecare bobin nfurat n jurul a doi poli. De exemplu la oprirea curentului din nfurarea 1 i alimentarea nfurrii 2 rotorul va efectua o rotaie de 30o n sensul acelor de ceasornic n aa fel nct polul marcat Y va ajunge n dreptul polului marcat 2. Pentru o obine o rotaie continu a motorului se alimenteaz nfurarea 3 concomitent cu oprirea alimentrii nfurrii 2.[5,21]

    Dac considerm logica pozitiv, adic 1 nseamn c prin bobin trece curent, iar 0 nseamn c bobina nu este alimentat, secvena de mai jos va face motorul s efectueze 24 de pai, adic 2 revoluii, n sensul acelor de ceasornic: Bobina 1 1001001001001001001001001 Bobina 2 0100100100100100100100100 Bobina 3 0010010010010010010010010 timp --->

    Mai trebuie s menionm c exist motoare pas cu pas cu reluctan variabil cu 4 sau 5 nfurri care necesit 5 sau 6 fire pentru conexiuni exterioare (alimentare). Principiul de funcionare i implicit de conducere a acestor tipuri este asemntor cu modul de conducere pentru motoarele cu trei nfurri, dar i n acest caz este foarte important modul de alimentare

    n secven a nfurrilor pentru a putea face motorul s funcioneze corect.

    Privitor la geometria motorului n fig. 1.14 se observ la fiecare pas acesta realizeaz o rotaie de 30 de grade. Acest exemplu de motor are un numr mic de dini pe rotor i de poli pe stator i este satisfctor pentru aplicaiile n care nu este nevoie de o finee mare. Folosind ns

    un motor cu mai muli poli i dini pe stator se poate obine la un pas al motorului o rotaie de

    Fig. 1.14

  • cteva grade (la unele motoare foarte performante la un pas corespunde o rotaie de o zecime de grad).[5]

    MOTOARE PAS CU PAS UNIPOLARE

    n aceast categorie intr att motoarele pas cu pas cu magnet permanent ct i cele hibride cu 5 sau 6 fire. Ele au legturile interne n general dup cum se observ n figura 1.15 , cu 6 fire, sau ca n figura 1.16, cu 5 fire.[3,5,22]

    n general firele 1 i 2 sau +V sunt legate la pozitivul sursei de alimentare, iar celelalte fire sunt legate alternativ la negativul sursei pentru a schimba direcia cmpului produs de bobin.[5]

    n figura 1.17 este o seciune transversal printr-un motor pas cu pas cu magnet permanent sau hibrid (diferena dintre cele dou tipuri de motoare nu este relevant la acest nivel de abstractizare), a crui bobine sunt prezentate alturat. Astfel, bobina 1 este distribuit pe polii de sus i de jos ai statorului, pe cnd bobina 2 este distribuit pe polii din stnga i din dreapta ai statorului. Rotorul are 6 poli.

    Dup cum se observ n figur, curentul circul din firul central la terminalul a lucru care face ca polul de sus al statorului s devin polul nord, iar cel de jos polul sud. Acest lucru face ca rotorul s fie atras n poziia prezentat. Dac curentul prin bobina 1 este oprit i bobina 2

    este alimentat rotorul va efectua o rotire cu 30o , adic un pas.[5,21]

    Fig. 1.15 Fig. 1.16

    Fig. 1.17

  • Dac dorim s rotim motorul continuu se va aplica curentul pe cele dou bobine

    conform secvenei de mai jos (la fel se consider logica pozitiv, adic 1 nseamn c bonina este strbtut de un curent, iar 0 nseamn c bobina nu este alimentat): Bobina 1a 1000100010001000100010001 Bobina 1b 0010001000100010001000100

    Bobina 2a 0100010001000100010001000 Bobina 2b 0001000100010001000100010

    timp --->

    Bobina 1a 1100110011001100110011001 Bobina 1b 0011001100110011001100110 Bobina 2a 0110011001100110011001100 Bobina 2b 1001100110011001100110011

    timp --->

    Este foarte important de reinut c cele dou jumti ale aceleiai bobine nu sunt alimentate n acelai timp. n prima secven de mai sus, se observ c bobinele sunt alimentate pe rnd, deci consumul este mai mic. n cea de-a doua secven bobinele sunt alimentate n acelai timp i are ca rezultat creterea momentului produs de motor de 1,4 ori fa de modul de alimentare din prima secven, dar cu un consum dublu.[5,21]

    Prin combinarea celor dou secvene se obine modul de pire jumtate de pas. Bobina 1a 11000001110000011100000111

    Bobina 1b 00011100000111000001110000 Bobina 2a 01110000011100000111000001 Bobina 2b 00000111000001110000011100 timp --->

    Dac avem nevoie de o rezoluie unghiular mai mare avem nevoie de un numr mai mare de poli. Motorul folosit n descrierea funcionri motoarelor unipolare are o rezoluie de

    30o/pas.[5] Motoarele pas cu pas cu magnet permanent pot ajunge la o rezoluie de 1,8o/pas, pe

    cnd motoarele pas cu pas hibride sunt normal construite cu o rezoluie de 3,6o i 1,8o/pas, dar cele mai performante pot ajunge pn la o rezoluie de 0,72o/pas.

    MOTOARELE PAS CU PAS BIPOLARE

  • n aceast categorie, ca i n categoria motoarelor unipolare intr att motoarele pas cu pas cu magnet permanent ct i cele hibride. Diferena dintre motoarele unipolare i cele bipolare este lipsa legturii centrale la bobine. Din acest motiv motoarele bipolare sunt mai simple din punct de vedere constructiv, dar driver-ele folosite sunt mai complexe, ele trebuind s inverseze polaritatea fiecrei perechi de poli.[3,5,22]

    Dup cum se observ n figura 1.18 motorul are 4 fire, spre deosebire de cele unipolare care au 5 sau 6 fire. Pentru a putea putea recunoate un motor pas cu pas bipolare de alte motoare cu 4 fire se msoar rezistena dintre terminale.

    Seciunea transversal a motorului pas cu pas bipolar (figura 1.19), este la fel ca seciunea transversal prin motorul pas cu pas unipolar (figura 1.17).

    Circuitul de comand pentru aceste motoare este alctuit dintr-o punte H pentru fiecare

    bobin; pe scurt o punte H permite ca polaritatea tensiunii aplicate la capetele fiecrei bobine s fie controlat independent. Secvena de control pentru acest tip de motor este prezentat mai jos, folosind simbolurile i + pentru a indica polaritatea tensiunii aplicate la terminalele bobinelor:

    Terminal 1a +---+---+---+--- ++--++--++--++--

    Terminal 1b --+---+---+---+- --++--++--++--++

    Terminal 2a -+---+---+---+-- -++--++--++--++-

    Terminal 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+ timp --->

    Fig.1.18

    Fig. 1.19

  • Pe lng aceste tipuri cunoscute de motoare pas cu pas mai exist i alte tipuri de motoare pas cu pas cum ar fi motorul bifilar i motorul multifaz.

    Motorul bifilar are aceeai structur intern ca i motorul bipolar, dar diferena este c este alctuit din 4 bobine, de unde i explicaia c motorul are 8 fire n loc de 4.

    n practic, motoarele bifilare sunt alimentate fie ca un motor uniploar fie ca un motor bipolar. n figura 1.20 este prezentat modul de conectare a bobinelor ntr-un motor bifilar. Tot n aceast figur (reprezentat cu linie punctat la bobina 1) este prezentat folosirea motorului bifilar ca i un motor unipolar. Astfel firele unei bobine sunt legate n serie cu cea aflat n paralel cu ea, iar punctul de conexiune este folosit ca i o born de intrare. Pentru a folosi motorul bifilar ca pe un motor bipolar este nevoie s conectm firele fie n paralel, cum se vede la bobina 2, fie ca i la bobina 1, dar alimentarea se va face pe la bornele c, respectiv d.

    Este bine de tiut c motoarele cu 6 fire vndute ca motoare pas cu pas bipolare sunt de fapt motoare bifilare conectate ca n figura 1.20, bobina 1.[5]

    O clas mai puin obinuit de motoare este motorul pas cu pas multifaz. Acesta are

    legate bobinele ciclic n serie (figura 1.21), cu un punct de conexiune ntre fiecare pereche de bobine.

    Acest tip de motor ofer un cuplu foarte mare deoarece n orice moment toate sau toate fr una dintre bobine sunt alimentate n orice punct al ciclului de funcionare. Unele motoare cu 5 faze pot avea o rezoluie ungiular de 0.72o/pas, adic 500 pai/revoluie.[5]

    Fig. 1.20

    Fig. 1.21

  • Mai jos este prezentat o secven de alimentare a bobinelor pentru a face motorul s funcioneze:

    Terminal 1 +++-----+++++-----++

    Terminal 2 --+++++-----+++++---

    Terminal 3 +-----+++++-----++++

    Terminal 4 +++++-----+++++-----

    Terminal 5 ----+++++-----+++++- timp --->

    Se observ c, la fiecare pas se schimb doar polaritatea unui singur terminal. Aceast schimbare face ca tensiunea s fie zero, doarece bornele au aceeai polaritate, i aplic tensiune bobinei care era n aceast stare. Secvena de control prezentat mai sus va face ca motorul n cauz, cu 5 faze va efectua dou revoluii.[5]

    Pentru a putea deosebi un motor multifaz, cu 5 faze de alte motare cu 5 fire, vom msura rezistena dintre dou terminale consecutive, valoarea msurat este, o valoare R, iar

    valoarea dintre dou terminale neconsecutive va fi 1,5R. Exist unele motoare cu 5 bobine separate, adic au 10 fire. Acestea pot fi conectate n

    configuraia de stea, i folosind dintr-o punte H ca i circuit de comand, putem comanda aceste tipuri de motoare.

    Pentru a nu face greu de neles modul de funcionare a diferitelor tipuri de motoare

    prezentate mai sus, am ales s prezint funcionarea lor doar n modul de funcionare pas ntreg care reprezint modul intrinsec de pire al motoarelor, i n unele cazuri modul de funcionare jumtate de pas, unde era uor de explicat i era o derivaie a modului de funcionare pas ntreg.

    Exist, dup cum am menionat i mai sus, modul de pire jumtate de pas care reprezint alturi de micropire moduri aparte de funcionare al motoarelor pas cu pas, care

    permit reducerea dezavantajelor acestor tipuri de motoare. Totui realizarea acestor moduri de pire necesit controller-e i driver-e specializate, ale cror costuri sunt ridicate, aceste moduri de pire fiind folosite doar n aplicaii speciale.[2,4,22]

    Astfel un mod aparte de funcionare a motoarelor pas cu pas este micropirea. Micropirea este modul de funcionare al motorului care const n variaia fluxului i care

    produce micarea rotorului, ntr-un mod ct mai lin, fa de modul pas ntreg sau jumtate de

  • pas. Acest lucru are ca rezultat scderea vibraiilor i obinerea unei micri nezgomotoase. De

    asemenea se obine o rezoluie unghiular mai mare i automat o eroare de poziionare mai mic.[3,5]

    Exist mai multe moduri de micropire, cu lungimi de pai pornind de la 1/3 dintr-un pas ntreg i pn la 1/32 dintr-un pas ntreg i n unele aplicaii speciale i mai puin.

    Un motor pas cu pas este un motor sincron. Aceasta nseamn c poziia de echilibru a rotorului este sincronizat cu fluxul statorului. Rotorul este fcut s se roteasc cu ajutorul cmpului nvrtitor spre urmtoarea poziie de echilibru. Cuplul dezvoltat de motor, T este o funcie de cuplul rezistiv TH i distana dintre fluxul prin stator, fs, i poziia rotorului fr.

    Aceast relaie este:

    )sin( rsH ffTT = [1.4] unde fs i fr sunt date n grade electrice. Relaia dintre gradele electrice i gradele

    mecanice este dat de formula:

    mecel fnf = )4( [1.5]

    unde n este numrul de pai pe revoluie.

    n figura 1.22 sunt prezentate dependenele dintre modul de pire, vitez (pai/ms), cuplul motorului i unghiul de ncrcare al motorului. Se observ variaile puternice n timpul modului de pire pas ntreg i variaia n trepte mici a cuplului i unghiului de ncrcare n cazul micropirii. De asemenea se observ c viteza rmne aproximativ constant n timpul micropirii.[14]

  • De asemenea se poate observa din figura 1.23 c, consumul energetic scade exponenial odat cu micropirea.[14]

    Dup cum a fost prezentat n subcapitolul 1.1. rspunsul unghiular n modul de pire pas nreg, motorul pn s ating poziia corespunztoare efecturii unui pas efectueaz o

    pendulare n jurul acelui punct, cu amplitudine mare la nceput care mai apoi scade dup un timp. Spre deosebire n timpul micropirii rspunsul unghiular este mai precis, motorul avnd o

    Unghi ncrcare [grade] Cuplu motor [% din TH Pas ntreg Viteza [pas/ms]

    1/8 pas ntreg

    Unghi ncrcare Cuplu Vitez

    Fig. 1.22

    Fig. 1.23

    % din energia la un pas ntreg

    Lungimea pasului relativ la un pas ntreg

  • foarte mic deviaie de la poziia teoretic n care trebuie s ajung deoarece energia sa cinetic este mult mai mic dect n momentul efecturii unui pas ntreg. Diferena dintre rspunsul unghiular n cele dou moduri de pire este rezentat n figura 1.24.[14]

    Dei exist attea avantaje ale micropirii fa de modul de pire pas ntreg totui exist unele consideraii care limiteaz utilitatea micropirii. Astfel n primul rnd, dac n sistemul din care face parte motorul exist frecare static atunci precizia unghiular obinut n cazul micropirii va fi limitat.

    Al doilea motiv este legat de geometria dinilor statorului i rotorului, care n cele mai

    multe cazuri nu este perfect, i duce la apariia erorii de poziionare (datorit imperfeciunii dinilor cmpul creat nu este perfect i deci nici poziia n care este rotorul nu este cea teoretic). n figura 1.25 este prezentat diferena dintre poziia actual i cea teoretic.

    Al treilea motiv este legat de faptul c micropirea necesit sisteme de control digitale, deci curentul prin fiecare bobin este cuantificat, fiind controlat de un convertor digital-analog. Mai mult, datorit limitrii curentului prin PWM, curentul prin fiecare bobin nu este

    meninut perfect constant, mai mult el oscileaz n jurul unei valori, astfel, n cel mai bun caz curentul poate fi aproximat cu o eroare ct mai mic.

    Fig. 1.24

    Fig. 1.25

  • Efectul cuantificrii poate fi uor vzut n figura 1.26, unde pe axa X avem curentul disponibil printr-o bobin a motorului, iar pe axa Y curentul disponibil prin cealalt bobin.

    Toate aceste limitri reduc performanele obinute de micropire. Totui ele pot fi reduse, dar nu eliminate, prin folosirea unor convertoare digital analogice de o mare precize.

    Toate aceste elemente, mpreun, dau natura electric dar si mecanic a motorului pas

    cu pas. Pentru a putea folosi n aplicaii motorul pas cu pas, indiferent de tipul sau mrimea sa trebuie s inem cont n egal msur de cerinele sale electrice, pentru o funcionare optim, dar

    i de proprietile sale mecanice, adic motorul s fie folosit n parametri si mecanici nominali nu la limita acestora.

    Fig. 1.26