Actionari electrice in mecatronica

1. Noiuni introductive

Termenul mecatronic (MECAnic + elecTRONIC) a fost conceput n 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric i protejat pn n 1982 ca marc a acestei firme. Se referea iniial la complectarea structurilor mecanice din construcia aparatelor cu componente electronice. n prezent termenul definete o tiin inginereasc interdisciplinar, care, bazndu-se pe mbinarea armonioas a elementelor din construcia de maini, electrotehnic i informatic, i propune s mbunteasc performanele i funcionalitatea sistemelor tehnice. Studiul mecatronicii i proiectarea i realizarea sistemelor mecatronice trebuie cldite pe cei trei piloni principali: mecanica, electronica, tehnica de calcul, fiecare cu subsistemele i subdomeniile lui principale, iar intersecia acestora conduce la sisteme i produse cu caracteristici remarcabile, superioare unei simple reuniuni a componentelor de diferite tipuri. Acest lucru impune nzestrarea specialistului n mecatronic cu cunotine temeinice din domeniul mecanicii, electronicii i tehnicii de calcul, dar i al sistemelor mecatronice, de cele mai diferite tipuri, i al principiilor i etapelor de proiectare i realizare a acestora.Diagrame pentru ilustrarea noiunii de mecatronic: a) Conceptul UniversitiiStanford; b) Conceptul Universitii Missouri-Rolla;c) Conceptul Universitii Purdue

Electrotehnica a permis i saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, avnd ca exponeni avioanele, mainile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele. La nceputul anilor 1960 sunt realizai i primii roboi industriali. Fabricarea i utilizarea roboilor a fost facilitat de rezolvarea anterioar a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcionarea roboilor: Problema manipulrii pieselor la distan, cu ajutorul mecanismelor articulate,denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impus de necesitatea manipulrii materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, n procesul utilizrii energiei nucleare. Electrotehnica a permis i saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, avnd ca exponeni avioanele, mainile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele. La nceputul anilor 1960 sunt realizai i primii roboi industriali. Fabricarea i utilizarea roboilor a fost facilitat de rezolvarea anterioar a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcionarea roboilor: Problema manipulrii pieselor la distan, cu ajutorul mecanismelor articulate,denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impus de necesitatea manipulrii materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, n procesul utilizrii energiei nucleare.

Conceptul de sistem mecatronic

SISTEME DE ACIONARE ELECTRICA IN MECATRONICA

Pentru dezvoltarea forelor i momentelor i realizarea micrilor n sistemele mecatronice se utilizeaz sisteme de acionare de cele mai diferite tipuri i forme de energie. Pentru cuprinderea tuturor acestor dispozitive tehnice ntr-o singur noiune, se utilizeaz, n literatura strin, termenul de actor (de la verbul englez to act = a aciona), care include toate elementele de ieire, destinate producerii de fore i micri.

Actorul include dou componente de baz, una care furnizeaz energia necesar, n baza semnelelor primite de la sistemul numeric de comand, cea de-a doua care transform energia primit n energie mecanic, utilizat pentru dezvoltarea de fore/momente i/sau efectuarea micrilor. n cazul utilizrii energiei electrice, prima component poate fi implementat, de la caz la caz, cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica i circuitele de reacie adecvate, dup cum, n cazul utilizrii energiei hidraulice sau pneumatice, distribuirea acesteia se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

Forme de energie i efecte pentru realizarea unor aciuni mecanice

n msura n care cele dou componente sunt distincte, cea de-a doua este ncadrat, n cele maimulte cazuri n noiunea de motor.

Vorbim despre:

-motoare electrice, rotative (motorul pas cu pas, motorul de curent continuu,motorul sincron, motorul asincron) sau liniare (motorul pas cu pas liniar, motorul asincron liniar);-motoare fluidice (hidraulice sau pneumatice) liniare (cilindrii hidraulici/pneumatici) sau rotative (cu palete, cu pistoane axiale, cu pistoane radiale).

2. Constructia si functionarea motoarelor pas cu pas

I. Generalitati:

MPP este un convertor electromecanic care realizeaz transformarea unui tren de impulsuri digitale ntr-o micare proporional a axului su.

Micarea rotorului MPP const din deplasri unghiulare discrete, succesive, de mrimi egale i care reprezint paii motorului.

MPP mai prezint proprietatea de a putea intra n sincronism fa de impulsurile de comand chiar din stare de repaus, funcionnd fr alunecare iar frnarea se efectueaza, de asemenea, fr ieirea din sincronism.Datorit acestui fapt se asigur porniri, opriri si reversri brute fr pierderi de pai pe tot domeniul de lucru.Viteza unui MPP poate fi reglat n limite largi prin modificarea frecvenei impulsurilor de intrare. Astfel, dac pasul unghiular al motorului este 1,8 numrul de impulsuri necesare efecturii unei rotaii complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvena de 400 impulsuri pe secund turaia motorului este de 120 rotaii pe minut. MPP pot lucra pentru frecvene intre 1.000 si 20.000 pai / secund, avnd pai unghiulari cuprini ntre 180 si 0,3. II. Aplicatii ale motoarelor pas cu pas:

Aplicaiile M.P.P. sunt limitate la situaiile n care nu se cer puteri mari (puteri uzuale cuprinse ntre domeniile microwailor si kilowailor). MPP sunt utilizate n aplicaii de mic putere, caracterizate de micri rapide, precise, repetabile: plotere x-y, uniti de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante, acionarea mecanismelor de orientare si presiune la roboti, deplasarea axial a elementelor sistemelor optice, mese de poziionare 2D, pentru mainile de gurit etc.

III Avantajele si dezavantajele folosirii MPP :

Avantaje :

asigur univocitatea conversiei numr de impulsuri in deplasare i ca urmare pot fi utilizate n circuit deschis (bucla deschisa, fara masurarea si reglarea automata a pozitiei unghiulare);

gam larg a frecvenelor de comand;

precizie de poziionare i rezoluie mare;

permit porniri, opriri, reversri fr pierderi de pai;

memoreaz poziia;

sunt compatibile cu comanda numeric.

Dezavantaje :

unghi de pas, deci increment de rotaie, de valoare fix pentru un motor dat;

vitez de rotaie relativ sczut;

putere dezvoltat la arbore de valoare redus;

randament energetic sczut;

IV. Clasificare si functionareMPP sunt de mai multe feluri: rotative sau liniare, numrul nfurrilor de comand variind ntre unu si cinci. Din punct de vedere al construciei circuitului magnetic sunt trei tipuri principale:a. cu reluctan variabil (de tip reactiv);b. cu magnet permanent (de tip activ);c. hibride. a. MPP cu reluctan variabil Are att statorul ct si rotorul prevzute cu dini uniform distribuii, pe cei ai statorului fiind montate nfurrile de comand.Rotorul este pasiv. La alimentarera unei/ unor faze statorice, el se rotete de aa manier, nct liniile de cmp magnetic s se nchid dup un traseu de reluctan minim, adic dinii rotorici s se gseasc, fie fa n fa cu cei statorici (fig. I i II), fie plasai dup bisectoarea unghiului polilor statorici (fig. III). Acest tip de motor asigur pai unghiulari mici i medii i poate opera la frecvene de comand mari, ns nu memoreaz poziia (nu asigur cuplu electromagnetic n lipsa curentului prin fazele statorului respectiv, nu are cuplu de meninere).

Astfel, n poziiile I i II este alimentat cte o singur faz statoric, AA, respectiv BB. Rotorul se va deplasa n pai ntregi: p = 360/(fz) = 360/(32) = 600 unde, f - numrul de faze ale statorului (f=3 AA, BB, CC), z- numrul de dini ai rotorului (z = 2 un nord i un sud). Acest mod de comand poart denumirea de comand n secven simpl.Poziia III prezint posibilitatea de comand a micrii rotorului prin alimentarea simultan a cte 2 faze: AA+BB; BB+CC; CC+AA. Rotorul se va poziiona n pai ntregi, la jumtatea unghiului dintre polii statorici. Crete momentul dezvoltat de motor.Acest mod de comand se numete n secven dubl.

b. MPP cu magnet permanent Are dinii rotorului constituii din magnei permaneni si polii dispui radial. Cnd se alimenteaz fazele statorului se genereaz cmpuri magnetice, care interactioneaz cu fluxurile magneilor permaneni, dnd natere unor cupluri de fore, ce deplaseaz rotorul. Acest tip de motor memoreaza pozitia, are cuplu de mentinere.

Aspectele legate de comanda n secvene, simpl, dubl i mixt, sunt similare cu cele de la MPP cu reluctan variabil. c. MPP hibrid Este o combinaie a primelor dou tipuri, mbinnd avantajele ambelor i fiind varianta de MPP utilizat n marea majoritate a aplicaiilor.

n cazul unui MPP hibrid, rotorul este constituit dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal, la ale crui extremiti sunt fixate dou coroane dinate din material feromagnetic (fig.a). Dinii unei coroane constituie polii nord, iar dinii celeilalte coroane, polii sud. Dinii celor dou coroane sunt decalai spaial, astfel nct, dac un dinte al uneicoroane se gsete n dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealalt coroan s se afle la jumtatea unghiului dintre doi dini statorici.

V. Mrimi caracteristice ale motoarelor pas cu pas1.Unghiul de pas este unghiul cu care se deplaseaz rotorul la aplicarea unui impuls de comand.2. Frecvena maxim de start-stop n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand, la care motorul poate porni, opri sau reversa fr pierderi de pai.3. Frecvena limit de pornire reprezint frecvena maxim a impulsurilor de comand, cu care MPP poate porni, fr pierderi de pai, pentru un cuplu rezistent i un moment de inerie date.4. Cuplul limit de pornire reprezint cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP poate porni, la o frecven si un moment de inerie date, fr pierderi de pai 5. Caracteristica limit de pornire definete domeniul cuplu-frecven de comand limit, n care MPP poate poni fr pierderi de pai (curba Start-Stop pentru pornire n gol JL = 0, respectiv curba cu linie ntrerupt pentru pornire n sarcin JL 0).6. Frecvena maxim de mers n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand pe care o poate urmri motorul, fr pierderea sincronismului 7. Frecvena limit de mers reprezint frecvena maxim cu care poate funciona un MPP, pentru un cuplu rezistent si un moment de inerie date.8. Cuplul limit de mers reprezint cuplul rezistent maxim, cu care poate fi ncrcat un MPP pentru un moment de inerie dat i o frecven de comand cunoscut.9. Caracteristica de mers definete domeniul cuplu limit de mers-frecven limit de mers n care MPP poate funciona n sincronism, fr pierderi de pasi.10. Viteza unghiular (w) poate fi calculat ca produs dintre unghiul de pas si frecvena de comand.11. Puterea la arbore este puterea util la arborele motorului, corespunztoare punctului de funcionare de pe caracteristica de mers, punct caracterizat de cuplul limit de mers i de frecvena maxim de mers.12. Cuplul de meninere este egal cu cuplul rezistent maxim, care poate fi aplicat la arborele motorului cu fazele nealimentate, fr ca s provoace rotirea continu a rotorului.VI. Functionarea MPP

Motorul pas cu pas este un convertor electromecanic ce functioneaza pe principiul reluctantei minime si care realizeaza transformarea unui sir de impulsuri digitale intr-o miscare de rotatie. Miscarea rotorului motorului pas cu pas consta din deplasari unghiulare discrete, succesive, de marimi egale, care reprezinta pasii motorului. In general, un motor pas cu pas este alcatuit dintr-un magnet montat pe axa de rotatie si din bobine fixe situate imprejurul acestui magnet. Pentru a se obtine o rezolutie satisfacatoare (numar de pasi pentru o rotatie completa suficient de mare) magnetul este multipolar: el este alcatuit dintr-un cilindru canelat Nord-Sud-Nord-Sud.

Rotorul, compus dintr-un magnet permanent la suprafata caruia sunt fixate doua coroane danturate cu cate 50 de dinti, decalate intre elecu o jumatate de dinte. Din profil, se obtin 100 de dinti, alternand un pol nord cu unul sud (numarul de perechi de poli este 50).

Statorul este constituit din doua bobine (model bipolar) montate sub forma a 8 electromagneti: se obtin astfel, 4 perechi de poli.Numarul maxim de pasi ce se pot obtine este de 50x4=200 de pasi. Motorul se numeste hibrid deoarece este o combinatie intre un motor cu reluctanta variabila si un motor cu magneti permanenti. Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenti pe ambele armaturi. La aparitia unui semnal de comanda pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa pana cand polii sai se vor alinia in dreptul polilor opusi statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol in pol, de unde si denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic si se pot obtine deplasari ale motorului foarte precise, in functie de programul de comanda. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesara precizie ridicata (hard disc, copiatoare). Un motor pas cu pas, difera radical de un motor electric conventional. Un motor conventional determina rotirea unui ax si viteza de rotatie a acestui ax poate fi modificata prin controlul alimentarii motorului. Dar nu este necesar aprioric un circuit de comanda: motorul se roteste imediat ce este conectat la o sursa de alimentare si nu se poate influenta asupra pozitiei precise a axei de rotatie sau asupra numarului de rotatii ce trebuie efectuate. In schimb, un motor pas cu pas, nu se poate roti fara un circuit de comanda special. El permite obtinerea unor rotatii cu exact acelasi unghi, corespunzator unui pas. Astfel, un motor cu 200 de pasi pe rotatie, permite rotirea axei, la fiecare comanda primita, cu 360/200=1,8 (spre stanga sau spre dreapta). Se poate deci comanda cu usurinta o deplasare precisa, numarand pasii de efectuat dupa alegerea sensului de rotatie. De aceea, motoarele pas cu pas sunt utilizate in aplicatii care impun deplasari precise: robotica, imprimante, scanere, cititoare optice.

VII. Metode de comand a motoarelor pas cu pasComanda pailor MPP poate realiza n mai multe moduri:

a. Comand n secven simpl in care este alimentata cate o singura faza statorica AA, BB respectiv CC;

b. Comand n secven dubl in care sunt alimentate simultan cate 2 faze: AA+BB; BB+CC respectiv CC+AA ;

c. Comand n secven mixt presupune alimentarea, succesiv a unei faze, AA, urmat de alimentare a 2 faze, AA+BB, apoi a unei faze, BB, urmat de alte 2 faze, BB+CC etc.

d. Comand prin micropire este o metod special de control al poziiei MPP n poziii intermediare celor obinute prin primele trei metode. De exemplu, pot fi realizate poziionri la 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 din pasul motorului, prin utilizarea unor cureni de comand a fazelor cu valori diferite de cea nominal, astfel nct suma curenilor de comand prin cele dou faze alturate, comandate simultan s fie constant, egal cu valoarea nominal. Cu ajutorul acestei metode sunt asigurate att poziionri fine, ct si operri line, fr ocuri, ns cuplul dezvoltat este mai mic dect n primele trei cazuri. Presupune un sistem de comand mult mai complex, cu convertoare numeric-analogice, pentru a obine profilele de cureni n trepte.

Dintr-un alt punct de vedere, respectiv cel al meninerii/inversrii sensului, sunt dou moduri de comand distincte:e. Comand unipolar, cu meninerea sensului curentului;

f. Comand bipolar, cu alternarea sensului curentului.

Este important numrul de fire accesibil la ieirea motorului, existnd motoare cu 4, 5,6 i 8 fire astfel: 4 fire cu infasurari in paralel

4 fire cu infasurari in serie

5 fire

6 fire

8 fireVIII. Exemple de actionare a unui MPP a. Comanda unui motor n bucl deschis (sus) i bucl nchis (schema de jos)

b. Actionarea a unui MPP unipolar prin portul paralel

Circuite integrate pentru comanda servomotoarelor de curent continuu

Circuite integrate pentru comanda motoarelor de c.c. cu perii Schema simplificat a controllerului de curent PWM

n cazul multor sisteme mecatronice, cum ar fi roboii mobili, echipamentele periferice ale calculatoarelor, autovehiculele etc. se utilizeaz servomotoare de curent continuu cu comutaie mecanic. Structura de baz a acestor servomotoare i a amplificatoarelor de putere, care servesc la comanda lor, este unitar n ntreaga lume.

Controlul bidirectional presupune utilizarea unor puni n H, care conin patru tranzistoare de putere, i sunt comandate cu semnale PWM, generate de un procesor numeric. Viteza motorului de curent continuu poate fi modificat prin schimbarea limii impulsurilor utilizate pentru comanda tranzistoarelor de putere. Exist un numr foarte mare de circuite integrate, cu diferite nivele de complexitate i de la multe firme productoare, care includ puni de putere n H, cum ar fi: L293/L293D, LMD18200, LMD18201, LMD18245, L6227 etc

PAGE 8