UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA FACULTATEA DE AUTOMATICĂ, CALCULATOARE ŞI ELECTRONICĂ CATEDRA DE ELECTRONICĂ ŞI INSTRUMENTAŢIE Disciplina: Electronica de putere Secţia: Electronica Aplicată-ELA,Anul de studiu: IV, Semetrul : I Numele studentului: Grupa : Data efectuării lucrării Laborator 6 Circuite pentru comanda motoarelor PAS cu PAS 6.1.Introducere teoretică Un motor pas cu pas transformă informaţia digitală într-o mişcare mecanică proporţională,deci este un sistem mecanic la care rotorul se mişcă cu paşi discreţi specificaţi în funcţie numărul de impulsuri aplicate şi de viteza lor de apariţie. Un asemenea motor este relativ simplu deoarece nu necesită reacţie negativă şi poate realiza o poziţionare rapidă şi precisă a rotorului. Asemenea motoare sunt folosite în numeroase aplicaţii ca de exemplu: -la perifericele calculatoarelor ca imprimante, plotere, cititoare în impulsuri -la maşinile de prelucrare, -la dispozitive care transferă filme şi deschid lentile, -la dispozitive medicale, -în automatizări industriale (în industriile textilă şi electronică), -la controlul proceselor industriale, -la maşinile de birou, -la instrumentele de măsură. Dezvoltarea pe scară largă a aplicaţiilor cu motoare pas cu pas este legată de dezvoltarea aplicaţiilor cu microcontrolere. Principiul de funcţionare se poate explica pe schema de funcţionare prezentată în Fig.6.1. Poziţia axului motorului pas cu pas depinde de numărul de poli ai statorului şi ai rotorului. Deoarece rotorul este un magnet permenent, numărul de poli ai acestuia este fix. Pe de altă parte, statorul este constituit din câteva înfăşurări iar numărul de poli ai acestuia depinde de circulaţia curentului prin aceste înfăşurări. Prin alimentarea cu energie a fiecărei înfăşurări pe rând se va crea un câmp magnetic rotitor care va fi urmărit de către rotor. Viteza de rotaţie este determinată de viteza cu care înfăşurăriule sunt comutate la alimentare iar sensul de rotaţie depinde de secvenţa de comutare a înfăşurărilor. Există două metode de comandă a motoarelor pas cu pas în funcţie de posibilitatea de a inversa curentul prin înfăşurări şi anume: -comanda unipolară cand nu se schimbă sensul curentului prin înfăşurări, -comadă bipolară când se schimbă sensul curentului prin înfăşurări. Se va explicita funcţionarea în cazul unui motor cu 2 poli dar trebuie să se ţină seama că motoarele pas cu pas pot să aibă mai mult de 2 poli. 1
Fig.6.1. Schema de principiu a unui motor pas cu pas cu 2 poli (N S) pe rotor şi 4 poli pe stator Dacă înfăşurările din Fig.6.1 denumite A1, A2, B1 şi B2 (negate) se leagă la punctul comun al sursei de curent iar celelalte capete nenegate A1, A2, B1 şi B2 se leagă la terminalul pozitiv al sursei 2
de curent se obţine o comandă unipolară cu o singură fază prin comutarea terminalelor pe rând la tensiunea pozitivă conform diagramei de semnal din Fig.6.2 Fig.6.2. Comanda terminalelor înfăşurărilor statorului motorului pas cu pas în cazul unipolar cu o singură fază Se observă din diagrama de mai sus că pe durata timpului τ numai o înfăşurare este alimentată deci pe stator va exista o pereche de poli N, S iar rotorul va tinde să se orienteze după aceşti poli conform secvenţelor prezentate în Fig.6.3 Fig.6.3. Secvenţele de rotatie a motorului pas cu pas la comanda unipolară cu o singră secvenţă. Stabilirea sensului de rotaţie spre dreapta se face prin secvenţa A1, B1, A2,B2. Dacă se doreşte ca rotaţia să fie spre stânga secvenţa va fi A1, B2, A2, B1. Se poate observa că secvenţa se repetă după 4 intervale de timp iar rotorul face în acest caz o rotaţie completă. 3
O comandă unipolară în două faze presupune alimentarea simultană a două înfăşurări astfel ca partea N a rotorului se va orienta spre partea unde sunt doi poli S şi la fel pentru polul S al rotorului. În Fig. 6.4 se prezintă formele de undă la comanda unipolară în două faze. Fig.6.4. Diagramele de semnal la comanda unipolară în două faze. Orientarea polilor rotorului în cazul comenzii unipolare cu 2 faze se prezintă în Fig.6.5 Fig.6.5. Rotaţia rotorului motorului pas cu pas la comanda unipolară în 2 faze. Se observă că în acest caz pe fiecare interval de timp δ sunt alimentare 2 înfăşurări iar rotorul se orientează conform tipului celor 2 poli care sunt unul lângă altul. La comanda unipolară cu 2 faze cuplul motorului este mai mare şi deci va creşte şi puterea disipată. La comanda unipolară cu o singură fază polii rotorului şi statorului se aliniază la fiecare pas iar la comanda în două faze polii rotorului se află între polii statorului de acelaşi fel. Cele două sisteme de comandă pot să se aplice alternativ pentru a obţine o deplasare la o jumătate de pas după cum se prezintă în Fig. 6.6. Acest tip de comandă se numeşte cu jumătate de pas şi care are secvenţele τ 1 δ 1 τ 2 δ 2 τ 3 δ 3 τ 4 δ 4. În Fig.6.7. se prezintă poziţiile rotorului în cazul comenzii la jumătate de pas. 4
Fig.6.6. Formele de undă la comanda cu jumătate de pas. Fig.6.7. Poziţiile rotorului la comanda cu jumătate de pas Comanda motoarelor pas cu pas la jumătate de pas este utilizată ori de câte ori este necesar a reduce rezonanţa pe perioada cât motorul funcţionează. Datorită inerţiei rotorului şi datorită sarcinii la fiecare 5
pas rotorul oscilează în jurul punctului de echilibru. Peste o anumită frecvenţă, care depinde de caracteristiciel motorului şi de sarcină, oscilaţiile vor avea o asemenea amploare încât rotorul nu mai este capabil să atingă noua poziţie stabilă înainte de a apărea comanda pentru pasul următor. În acest cau motorul pierde pasul. Utilizarea comenzii la jumătate de pas face ca funcţionarea motorului să nu fie influenţată de frecvenţa de rezonanţă la care se pierd paşi după cum se prezintă în Fig.6.8. Fig.6.8. Cuplul motorului în funcţie de numărul de paşi pe secundă. Se poate observa că frecările şi inerţia sarcinii limitează viteza de pornire şi oprire a motorului pas cu pas după cum se prezintă în Fig.6.9 Fig.6.9. Influenţa inerţiei sarcinii şi factorilor externi asupra vitezei motoarelor pas cu pas Comanda cu 2 faze este mai bună decât comanda cu o fază pentru ca în acest caz sunt 2 înfăşurări alimentate şi cuplul motorului este mai mare ( se alimentaeză 2 înfăşurări din cele 4). Se poate obţine un cuplu şi mai bun dacă se alimentează în permanenţă cele 4 înfăşurări. Este posibil să se alimenteze cele 4 înfăşurări în cadrul comenzii bipolare care stabileşte curenţi de sensuri opuse în 6
cele 2 înfăşurări legate pe acelaşi miez magnetic. Formele de undă la comanda bipolară se prezintă în Fig. 6.9. Fig.6.10. Firmele de semnal la comanda bipolară. Înfăşurările motorului pas cu pas se vor conecta ca în Fig.6.11 pentru a asigura un sens de curent care stabileşte acelaşi tip de poli. Dacă sensurile de curent nu sunt bine alese fluxul magnetic este 0 şi nu vor mai apare polii N şi S. Fig.6.11. Modul de conectare al înfăşurărilor motorului pas cu pas la comanda bipolară Deplasarea rotorului în câmpul creat de stator se prezintă în Fig.6.12. Se remarcă faptul că valoarea cuplului motorului pas cu pas creşte în cazul în care se utilizează comanda bipolară. 7
Fig.6.12. Poziţiile rotorului faţă de stator la comanda bipolară. Comanda bipolară la jumătate de pas va comanda simultan cele 4 înfăşurări dar curenţii prin acestea trebuie să aibă forma de undă din Fig.6.13 adică vor fi zone în care curentul prin unele înfăsurări va fi zero. Fig.6.13. Forma curenţilor prin înfăşurările motorului pas cu pas ca comanda bipolară cu jumătate de pas Poziţiile rotorului faţă de stator se prezintă în Fig.6.14 8
Fig.6.14. Poziţiile rotorului faţă se stator la comanda motoarelor pas cu pas bipolară cu jumătate de pas. În Fig. 6.15 se prezintă comparativ caracteristicile aceluiaţi motor comandat unipolar şi respectiv bipolar. Fig.6.15. Caracteristicile cuplu funcţie de numărul de paşi pe secundă pentru un motor pas cu pas la comanda unipolară şi bipolară. 9
Caracteristicile mmotorului pas cu pas folosit în lucrare: -Număr de faze (număr de înfăşurări) 4 -Pasul 7 o 30 -Cuplul maxim 850 Gcm -Cuplul de oprire 1200Gcm -Frecvenţa maximă a de comutaţie la care motorul porneşte fără să piardă paşi- 150 paşi/s (150Hz) -Frecvenţa maximă de comutaţie fără sarcină la care motorul lucrează fără să piardă paşi- 175 paşi/s In Fig.6.16 se prezintă specificaţiile unui motor pas cu pas. Fig.6.16. Specificaţiile unui motor pas cu pas. 6.2. Descrierea modului de comandă a motorului pas cu pas Modulul G16 pentru comanda motorului pas cu pas permite următoarele situaţii de comandă: -comanda unipolară cu o fază, -comanda unipolară cu 2 faze, -comanda unipolară la jumătate de pas, -comanda bipolară. Comenzile de mai sus se realizează cu blocuri de comandă diferite care se pot vedea pe platforma de laborator. De la fiecare bloc de comandă se fac conexiuni la amplificatoarele de putere. Blocul GENERATOR generază semnale de impulsuri care sunt utilizate pentru a deplasa rotorul motorului. Frecvenţa semnalului poate să fie 2Hz sau 20 Hz şi se poate modifica cu un jumper care se află în spatele plăcii de bază şi care sea poate modifica fără să fie nevoie să se demonteza placa 10
de plastic. Pentru deplasarea motorului se poate utiliza şi o comandă manuală MANUAL CLOCK care generază un impuls la fiecare apăsare pe buton. Blocul UP/DOWN COUNTER este realizat cu un numărător de 4 biţi up/down la care sensul de numărare este dat de semnalul aplicat pe intrarea up/down a CI. Blocul BDC TO DECIMAL DECODER decodifică semnalul care vine de la numărător deci numai o ieşire este activă la un anumit moment de timp. Se utilizează numai 3 intrări ale decodificatorului pentru că sunt necesate numai 8 secvenţe de impulsuri la ieşire deci intrarea D a decodificatorului este conectată la masă. Ieşirile decodificatorului sunt legate la 4 blocuri logice care realizează cele 4 tipuri de comenzi (UNIPOLAR FULL STEP, UNIPOLAR HALF STEP, BIPOLAR FULL STEP) care generează cele 4 semnale A1, B1, A2, B2 necesare pentru comanda motorului pas cu pas. Punctele A1, B1, A2, B2 trebuie să fie conectate la amplificatoarele de putere POWER DRIVERS. Blocul aplificatoarelor de putere conţine 4 amplificatoare de putere alimentate între +12V şi masă sau între +12V şi -12V. Alimentarea amplificatoarelor de putere depinde de comutatorul I1. La ieşirea amplificatoarelor de putere sunt conectate rezistenţele R1, R2, R3 şi R4 care limitează curentul de vârf prin înfăşurările motorului. Sensul curenţilor prin înfăşurări este afişat cu diode care indică dacă curentul este într-un sens sau în sens opus. În partera din stânga a platfrmei de laborator sunt 3 comutatoare care determină tipul de comandă pentru motorul pas cu pas. În continuare se vor descrie poziţiile comutatoarelor pentru a obţine cele 4 moduri de comandă. Comanda unipolară cu o fază. Se leagă terminalul 3 la ieşirea blocului GENERATOR terminalul 1 sau la intrarea de comandă manuală MANUAL CLOCK, terminalul 2. Decă se utilizează un calculator pentru comandă se lasă intrarea 1 liberă. Se conecteasză cu 4 fire de lagătură semnalele A1, B1, A2, B2 la ieşirea blocului UNIPOLAR-FULL STEP (1 PHASE) la terminalele corespunzătoare a blocului POWER DRIVES. Se conectează modulul G16 la motorul pas cu pas TY16/EV. Se alimentează modulul cu tensiunile specificate şi se pun cele 3 comutatoare astfel: I1 se pune pe poziţia UNIPOLAR, I2 se pune pe poziţia FULL-STEP I3 determină numai sensul de rotaţie. Comanda unipolară cu două faze. Se leagă terminalul 3 la ieşirea blocului GENERATOR terminalul 1 sau la intrarea de comandă manuală MANUAL CLOCK, terminalul 2. Decă se utilizează un calculator pentru comandă se lasă intrarea 1 liberă. Se conecteasză cu 4 fire de lagătură semnalele A1, B1, A2, B2 la ieşirea blocului UNIPOLAR-FULL STEP (2 PHASE) la terminalele corespunzătoare a blocului POWER DRIVES. Se conectează modulul G16 la motorul pas cu pas TY16/EV. Se alimentează modulul cu tensiunile specificate şi se pun cele 3 comutatoare astfel: I1 se pune pe poziţia UNIPOLAR, I2 se pune pe poziţia FULL-STEP I3 determină numai sensul de rotaţie. Comanda unipolară la jumătate de pas. Se leagă terminalul 3 la ieşirea blocului GENERATOR terminalul 1 sau la intrarea de comandă manuală MANUAL CLOCK, terminalul 2. Decă se utilizează un calculator pentru comandă se lasă intrarea 1 liberă. Se conecteasză cu 4 fire de lagătură semnalele A1, B1, A2, B2 la ieşirea blocului UNIPOLAR-HALF STEP la terminalele corespunzătoare a blocului POWER DRIVES. Se conectează modulul G16 la motorul pas cu pas TY16/EV. Se alimentează modulul cu tensiunile specificate şi se pun cele 3 comutatoare astfel: I1 se pune pe poziţia UNIPOLAR, 11
I2 se pune pe poziţia HALF-STEP I3 determină numai sensul de rotaţie. Comanda bipolară. Se leagă terminalul 3 la ieşirea blocului GENERATOR terminalul 1 sau la intrarea de comandă manuală MANUAL CLOCK, terminalul 2. Decă se utilizează un calculator pentru comandă se lasă intrarea 1 liberă. Se conecteasză cu 4 fire de lagătură semnalele A1, B1, A2, B2 la ieşirea blocului UNIPOLAR-FULL STEP (o fază) la terminalele corespunzătoare a blocului POWER DRIVES. Se conectează modulul G16 la motorul pas cu pas TY16/EV. Se alimentează modulul cu tensiunile specificate şi se pun cele 3 comutatoare astfel: I1 se pune pe poziţia BIPOLAR, I2 se pune pe poziţia FULL-STEP I3 determină numai sensul de rotaţie. Se vizualizează semnalele de la intrare şi de la ieşire pentru fiecare bloc de comandă şi se reprezintă grafic. 12