5. SISTEME DE ACŢIONARE

Transkript

1 5. Sisee de acţionare Noţiuni; fore de energie; clasificare 5. SISTEME DE ACŢIONARE Penru dezvolarea forţelor şi oenelor şi realizarea işcărilor în siseele ecaronice se uilizează sisee de acţionare de cele ai diferie ipuri şi fore de energie. Penru cuprinderea uuror acesor dispoziive ehnice înr-o singură noţiune, se uilizează, în lieraura srăină, erenul de acor (de la verbul englez o ac = a acţiona), care include oae eleenele de ieşire, desinae producerii de forţe şi işcări. În figura 5.1 sun sineizae principalele fore de energie şi de efece penru realizarea unor acţiuni ecanice [ISE99], iar abelul 5.1 cuprinde o dealiere a diferiţilor acori, care uilizează o anuiă foră de energie [ROD03]. Fig.5.1 Fore de energie şi efece penru realizarea unor acţiuni ecanice [ISE99] Acorul include două coponene de bază, una care furnizează energia necesară, în baza senelelor priie de la siseul nueric de coandă, cea de-a doua care ransforă energia priiă în energie ecanică, uilizaă penru dezvolarea de forţe/oene şi/sau efecuarea işcărilor. În cazul uilizării energiei elecrice, pria coponenă poae fi ipleenaă, de la caz la caz, cu un siplu releu sau cu un bloc de ranzisoare de puere, cu logica şi circuiele de reacţie adecvae, după cu, în cazul uilizării energiei hidraulice sau pneuaice, disribuirea aceseia se poae face cu venile siple sau cu servovenile. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

2 130 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE În ăsura în care cele două coponene sun disince, cea de-a doua ese încadraă, în cele ai ule cazuri în noţiunea de oor. Vorbi despre: ooare elecrice, roaive (oorul pas cu pas, oorul de curen coninuu, oorul sincron, oorul asincron) sau liniare (oorul pas cu pas liniar, oorul asincron liniar); ooare fluidice (hidraulice sau pneuaice) liniare (cilindrii hidraulici/pneuaici) sau roaive (cu palee, cu pisoane axiale, cu pisoane radiale). Ese, în special, cazul siseelor de acţionare clasice. Tabel 5.1 Principii de ransforare a energiei şi acorii senificaivi Câpuri elecrice şi Elecrooor Energie agneice exerne Elecroagne elecrică Forţe oleculare Inerne Acori feroelecrici Acori agneosricivi Energie fluidică Forţe de presiune realizae pneuaic Acori piezoelecrici Sisee cu presiuni ai ari decâ presiunea aosferică Sisee cu presiuni ai ici decâ presiunea aosferică Forţe de presiune realizae hidraulic Mooare hidraulice Dilaare erică Bieal eric Energie erică Efecul de eorie a forei Acor baza pe dilaarea erică Aliaje cu eorie uni-sens Aliaje cu eorie dublu-sens Energie Presiune din elecroliză Acţionări elecrochiice chiică Presiune din explozie Acţionări piroehnice Siseele de acţionare noi, încadrae şi în noţiunea de acţionări neconvenţionale, îşi bazază funcţionarea pe fenoene inerne din reţeaua oleculară sau crisalină a unor aeriale speciale (ab.5.1), în cazul cărora noţiunea de oor nu ai poae fi uilizaă. Lieraura anglo-saxonă uilizează penru acese sisee de acţionare, în od predilec erenul de acuaor, care provine o de la verbul o ac = a acţiona, şi ese uiliza, frecven, şi în lieraura în liba roână. Prezenul capiol nu îşi propune să raeze în dealiu oae ipurile de acori, ci doar să prezine: probleele coplexe pe care ridică uilizarea a două ipuri de acori încadraţi în caegoria elecroooarelor: oorul pas cu pas şi servooorul de curen coninuu, care inră în coponenţa unui are nuăr de sisee ecaronice; principiile de funcţionare, soluţiile consrucive şi siseele de coandă penru două ipuri de acori neconvenţionali, penru care se va uiliza noţiunea de acuaor: acuaorii piezoelecrici şi acuaorii cu eorie a forei. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

3 5. Sisee de acţionare Consideraţii privind ooarele pas cu pas (MPP) 5..1 Prezenarea ooarelor pas cu pas Moorul pas cu pas (MPP) ese un converor elecroecanic care realizează ransforarea unui ren de ipulsuri digiale înr-o işcare proporţională a axului său. Mişcarea roorului MPP consă din deplasări unghiulare discree, succesive, de ării egale şi care reprezină paşii oorului. În cazul unei funcţionări corece, nuărul paşilor efecuaţi rebuie să corespundă cu nuărul ipulsurilor de coandă aplicae fazelor oorului. Deplasarea unghiulară oală, consiuiă dinr-un nuăr de paşi egal cu nuărul de ipulsuri de coandă aplica pe fazele oorului, deerină poziţia finală a roorului. Aceasă poziţie se păsrează, adică ese eoraă, până la aplicarea unui nou ipuls de coandă. Proprieaea de univociae a conversiei ipulsuri deplasare, asociaă cu aceea de eorare a poziţiei, fac din MPP un excelen eleen de execuţie, inegra în siseele de reglare a poziţiei în circui deschis. MPP ai prezină proprieaea de a puea inra în sincronis faţă de ipulsurile de coandă chiar din sare de repaus, funcţionând fără alunecare, frânarea efecuându-se, de aseenea, fără ieşirea din sincronis. Daoriă acesui fap se asigură porniri, opriri si reversări bruşe fără pierderi de paşi în o doeniul de lucru. Vieza unui MPP poae fi reglaă în liie largi prin odificarea frecvenţei ipulsurilor de inrare. Asfel, dacă pasul unghiular al oorului ese 1,8 nuărul de ipulsuri necesare efecuării unei roaţii coplee ese 00, iar penru un senal de inrare cu frecvenţa de 400 ipulsuri pe secundă uraţia oorului ese de 10 roaţii pe inu. MPP po lucra până la frecvenţe de paşi / secundă, având paşi unghiulari cuprinşi înre 180 si 0,3. Aplicaţiile acesora sun liiae la siuaţiile în care nu se cer pueri ari (pueri uzuale cuprinse înre doeniile icrowaţilor si kilowaţilor). MPP sun uilizae în aplicaţii de ică puere, caracerizae de işcări rapide, precise, repeabile: ploere x-y, uniăţi de disc flexibil, deplasarea capului de ipriare la ipriane serie, acţionarea ecaniselor de orienare si prehensiune la roboi, deplasarea axială a eleenelor siseelor opice, ese de poziţionare D penru aşinile de găuri ec. Uilizarea MPP conferă urăoarele avanaje: asigură univociaea conversiei nuăr de ipulsuri deplasare şi po fi uilizae în circui deschis; gaă largă a frecvenţelor de coandă; precizie de poziţionare şi rezoluţie ari; peri porniri, opriri, reversări fără pierderi de paşi; eorează poziţia; sun copaibile cu coanda nuerică. Principalele dezavanaje ale uilizării MPP sun: unghi de pas, deci increen de roaţie, de valoare fixă penru un oor da; vieză de roaţie relaiv scăzuă; PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

4 13 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE puere dezvolaă la arbore de valoare redusă; randaen energeic scăzu; Funcţionarea unui MPP nu poae fi priviă decâ în conexul înregului ansablu oor-sarcină (sise ecanic), şi, în aces sens, în cadrul capiolului 3, au fos rezolvae oae aspecele legae de cineaica şi dinaica acţionării: reducerea aselor/oenelor de inerţie şi a forţelor/oenelor la axul MPP, sabilirea profilelor de vieză şi a viezelor/aceleraţiilor necesare deplasării sarcinii înr-un ip ipus, în funcţie de ipul ecanisului de acţionare uiliza (cu ransiere angenţială a işcării fig.5., a), cu ecanis şurub (cu bile) piuliţă (fig.5., b), cu reducor (fig.5.3,c) ec. a) b) c) Fig. 5. Realizarea de işcări cu MPP a) de ranslaţie cu ecanise cu ransiere angenţială a işcării (pinion-curea dinţaă; pinion-crealieră); b) de ranslaţie cu şurub-piuliţă; c) de roaţie (consrucţie cu reducor inern) Tipul sarcinii şi al ecanisului de acţionare sun esenţiale penru alegerea MPP, prin: Ipunerea unei anuie rezoluţii a siseului ecanic; Reducerea aselor/oenelor de inerţie la axul MPP; PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

5 5. Sisee de acţionare 133 Reducerea forţelor/oenelor la axul oorului; Ipunerea unui profil de vieză penru realizarea işcărilor; Încadrarea raporului oen de inerţie refleca/oen de inerţie al MPP în liie adecvae. 5.. Consrucia si funcionarea ooarelor pas cu pas MPP sun de ai ule feluri: roaive sau liniare, nuărul înfăşurărilor de coandă variind înre unu si cinci. Din punc de vedere al consrucţiei circuiului agneic sun rei ipuri principale: a. cu relucanţă variabilă (de ip reaciv); b. cu agne peranen (de ip aciv); c. hibride. MPP cu relucanţă variabilă (figura 5.3) are aâ saorul câ si roorul prevăzue cu dinţi unifor disribuiţi, pe cei ai saorului fiind onae înfăşurările de coandă. Roorul ese pasiv. La alienarera unei/unor faze saorice, el se roeşe de aşa anieră, încâ liniile de câp agneic să se închidă după un raseu de relucanţă iniă, adică dinţii roorici să se găsească, fie faţă în faţă cu cei saorici (fig.5.3, I şi II), fie plasaţi după bisecoarea unghiului polilor saorici (fig. 5.3, III). Aces ip de oor asigură paşi unghiulari ici şi edii şi poae opera la frecvenţe de coandă ari, însă nu eorează poziţia (nu asigură cuplu elecroagneic în lipsa curenului prin fazele saorului respeciv, nu are cuplu de enţinere). I II III Sens A direc A A N B S B N C C C B S S N N S S N N S S N N B S C B N C B S C A A A Fig. 1 Fig.5.3 Schea de principiu a unui MPP cu relucanţă variabilă Figura 5.3 perie deducerea unor concluzii deosebi de iporane, legae de odurile de coandă a MPP. Asfel, în poziţiile I şi II ese alienaă câe o singură fază saorică, AA, respeciv BB. Roorul se va deplasa în paşi înregi: θ p = 360/(fz) = 360/(3) = 60 0, (5.1) unde, f reprezină nuărul de faze ale saorului (f=3 AA, BB, CC ), iar z, nuărul de dinţi ai roorului (z = un nord şi un sud). Aces od de coandă poară PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

6 134 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE denuirea de coandă în secvenţă siplă. Tabelul 5. prezină succesiunea de ipulsuri de coandă a înfăşurărilor saorului: Tabel 5. - Coandă în secvenţă siplă AA BB CC Poziţia III prezină posibiliaea de coandă a işcării roorului prin alienarea siulană a câe faze: AA +BB ; BB +CC ; CC +AA. Roorul se va poziţiona în paşi înregi (forula 5.1), la juăaea unghiului dinre polii saorici. Creşe oenul dezvola de oor. Aces od de coandă se nueşe în secvenţă dublă. Tabel 5.3 Coandă în secvenţă dublă AA BB CC O uliă posibiliae de coandă presupune alienarea, succesivă a unei faze, AA, uraă de alienare a faze, AA +BB, apoi a unei faze, BB, uraă de ale faze, BB +CC ec. Roorul se va poziţiona, iniţial, în drepul polilor saorici AA, apoi după diagonala polilor AA +BB, pe ură, în drepul polilor BB ec., deplasându-se în juăăţi de pas, cu unghiuri de 30. Ese coanda în secvenţă ixă, sineizaă în abelul 5.4. Tabel 5.4 Coandă în secvenţă ixă AA BB CC Penru fiecare dinre cele 3 abele, 5., 5.3 şi 5.4, aplicarea secvenţelor de ipulsuri, începând cu pria linie spre ulia, va deerina deplasarea roorului în sens orar (clockwise =CW), după cu sun concepue şi poziţiile din figura 5.3. Dacă secvenţele de ipulsuri se aplică începând cu configuraţia din ulia linie a abelelor spre pria linie, deplasarea roorului se va efecua în sens invers acelor de ceas (counerclockwise =CCW). PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

7 5. Sisee de acţionare 135 O ală concluzie iporană, care se poae desprinde din principiul de funcţionare a MPP cu relucanţă variabilă, ese aceea că nu rebuie schiba sensul în înfăşurările saorului, penru ca roorul să se deplaseze înr-un anui sens. Aces ip de coandă, în care sensul curenului prinr-o înfăşurare se enţine neschiba, se nueşe coandă unipolară. MPP cu agne peranen are dinţii roorului consiuiţi din agneţi peranenţi, cu polii dispuşi radial (în figura 5.3, poziţia I, se va iagina un pol rooric S în drepul polului N al saorului şi un pol rooric N în drepul polului S genera de înfăşurarea AA ). Când se alienează fazele saorului se generează câpuri agneice, care ineracionează cu fluxurile agneţilor peranenţi, dând naşere unor cupluri de forţe, care deplasează roorul. Aspecele legae de coanda în secvenţe, siplă, dublă şi ixă, sun siilare cu cele de la MPP cu relucanţă variabilă. În schib, în ăsura în care roorul execuă un nuăr de paşi şi polul sud al roorului se apropie de polul A al saorului, curenul prin înfăşurarea AA rebuie să-şi schibe sensul, penru a-i opune acesuia un pol nord şi a enţine sensul cuplului de forţe. Alienarea fazelor se face cu ipulsuri de polariae alernaă, lucru care coplică srucura dispoziivului de coandă, nuiă coandă bipolară. Aces ip de oor asigură oene ooare ai ari şi un cuplu de enţinere a roorului, chiar în lipsa alienării fazelor Paşii unghiulari obţinuţi sun ari (înre 45 si 10 ), înrucâ nuărul de agneţi peranenţi, care po fi dispuşi de-a lungul circuferinţei roorului ese ul ai ic decâ nuărul de dinţi accesibil penru roorul uni MPP cu relucanţă variabilă. O soluţie care eliină dezavanajul unui unghi de pas ic ese cea a unui MPP cu roor disc, realiza de fira Porescape din Elveţia, a cărui scheă de principiu ese prezenaă în figura 5.4. Esa consiui din două arăuri saorice, decalae spaţial cu ¼ din pasul polar, şi un roor în foră de disc, pe a cărui circuferinţă sun dispuse 50 de perechi de agneţi peranenţi, fiecare cu o alernanţă nord-sud. Disanţa dinr două perechi reprezină un pas polar. Înfăşurările saorului priesc, alernaiv, câe o pereche de ipulsuri, cu schibarea sensului curenului (coandă bipolară), care asigură deplasarea roorului cu un pas polar. Nuărul de ipulsuri pe revoluţie va fi, în consecinţă, de 00, iar unghiul de pas ese de 1,8. MPP hibrid ese o cobinaţie a prielor două ipuri, îbinând avanajele abelor şi fiind variana de MPP uilizaă în area ajoriae a aplicaţiilor. În cazul unui MPP hibrid, roorul ese consiui dinr-un agne peranen, dispus longiudinal, la ale cărui exreiăţi sun fixae două coroane dinţae din aerial feroagneic (fig.5.5, a). Dinţii unei coroane consiuie polii nord, iar dinţii celeilale coroane, polii sud. Dinţii celor două coroane sun decalaţi spaţial, asfel încâ, dacă un dine al unei coroane se găseşe în drepul unui dine saoric, dinele rooric de pe cealală coroană să se afle la juăaea unghiului dinre doi dinţi saorici. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

8 136 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.4 Schea de principiu a unui MPP cu agneţi peranenţi şi roor disc [Porescape] Cele ai uilizae ipuri de MPP hibride sun: MPP hibrid cu două faze a) b) Fig.5.5 Moor pas cu pas hibrid cu faze MPP hibrid cu faze, are înfăşurări saorice, A şi B (fig.5.5, a) şi un roor cu două coroane dinţae cu câe 50 de dinţi, decalaţi spaţial, cei ai unei coroane fiind poli nord, PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

9 5. Sisee de acţionare 137 cei ai coroanei opuse fiind poli sud (fig.5.5, a). Sun, deci, în oal 100 de dinţi roorici şi uilizând forula (5.1) se obţine unghiul de pas: θ p = 1,8, penru paşi înregi, respeciv: 0,9 - penru juăăţi de pas. O roaţie coplecă a roorului ese realizaă în: N = 00 paşi (θ p = 1,8 ) sau N =400 paşi (θ p = 0,9 ). Din figura 5.5, b, se observă că înfăşurările A şi B sun dispuse, fiecare, pe câe 4 poli saorici, care au dinţi, penru a asigura un raseu opi penru liniile de câp agneic. De aseenea, se observă că, pe fiecare pol o înfăşurare, A sau B, ese îpărţiă în două juăăţi, care po fi accesibile la ieşire prin firul (priza) lor edian, sau po fi separae şi accesibile, fiecare, la exerior cu câe fire, siuaţie în care, pracic, oorul are 4 faze. Aces od de dispunere a înfăşurărilor înlesneşe unui MPP cu faze o coandă unipolară, dacă aceasa ese preferaă celei bipolare. Acese problee vor fi dealiae înr-o secţiune urăoare. MPP hibrid cu cinci faze Fig.5.6 Secţiune prin saorul unui MPP cu 5 faze [Berger-Lahr] Are 10 poli saorici (fig.5.6), pe fiecare pereche ( poli diaeral opuşi), fiind dispusă o înfăşurare de coandă (fază). Roorul are o consrucţie siilară cu cea a MPP cu faze, respeciv un agne dispus longiudinal, pe care sun aplasae, la cele două capee, coroane dinţae, cu câe 50 de dinţi fiecare (fig.5.5, a). Prin decalajul spaţial al dinţilor celor două coroane se obţine un nuăr de 100 de dinţi roorici, ca alernanţă de poli nord şi sud. Unghiul de pas va fi: θ p = 360 /(5100) = 0,7 - penru paşi înregi, respeciv, θ p = 0,36 - penru juăăţi de pas, care prespun un nuăr, N, de 500, respeciv paşi penru o roaţie coplecă, de 360. Un MPP hibrid cu 5 faze nu perie decâ coanda bipolară, înrucâ se ipune schibarea periodică a sensului curenţilor prin înfăşurările saorice, penru a asigura enţinerea cuplului oor. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

10 138 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE 5..3 Mării caracerisice ale ooarelor pas cu pas Prinre cele ai iporane ării caracerisice, ecanice şi elecrice, ale MPP se definesc (vezi penru unele dinre ele, figura 5.7): 1. Unghiul de pas (q p ) ese unghiul cu care se deplasează roorul la aplicarea unui ipuls de coandă.. Frecvenţa axiă de sar-sop în gol ese frecvenţa axiă a ipulsurilor de coandă, la care oorul poae porni, opri sau reversa fără pierderi de paşi (f Ao - fig.5.7). 3. Frecvenţa liiă de pornire reprezină frecvenţa axiă a ipulsurilor de coandă, cu care MPP poae porni, fără pierderi de paşi, penru un cuplu rezisen şi un oen de inerţie dae (f A fig 5.7). 4. Cuplul liiă de pornire reprezină cuplul rezisen axi la arbore, cu care MPP poae porni, la o frecvenţă si un oen de inerţie dae, fără pierderi de paşi (M L * fig 5.7). 5. Caracerisica liiă de pornire defineşe doeniul cuplu-frecvenţă de coandă liiă, în care MPP poae poni fără pierderi de paşi (curba Sar-Sop penru pornire în gol J L = 0, respeciv curba cu linie înrerupă penru pornire în sarcină J L 0). 6. Frecvenţa axiă de ers în gol ese frecvenţa axiă a ipulsurilor de coandă pe care o poae urări oorul, fără pierderea sincronisului (f Bo fig 5.7). 7. Frecvenţa liiă de ers reprezină frecvenţa axiă cu care poae funcţiona un MPP, penru un cuplu rezisen si un oen de inerţie dae. 8. Cuplul liiă de ers reprezină cuplul rezisen axi, cu care poae fi încărca un MPP penru un oen de inerţie da şi o frecvenţă de coandă cunoscuă. 9. Caracerisica de ers defineşe doeniul cuplu liiă de ers-frecvenţă liiă de ers (curba Beriebsgrenzoen M B fig. 5.7), în care MPP poae funcţiona în sincronis, fără pierderi de pasi. 10. Vieza unghiulară (w) poae fi calculaă ca produs dinre unghiul de pas si frecvenţa de coandă: ω fc [ rad / s] = π ν = π = θp[rad] fc[hz] N (5.) 11. Puerea la arbore ese puerea uilă la arborele oorului, corespunzăoare puncului de funcţionare de pe caracerisica de ers, punc caraceriza de cuplul liiă de ers şi de frecvenţa axiă de ers. 1. Cuplul de enţinere ese egal cu cuplul rezisen axi, care poae fi aplica la arborele oorului cu fazele nealienae, fără ca să provoace roirea coninuă a roorului. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

11 5. Sisee de acţionare 139 Fig. 5.7 Curbe şi ării caracerisice ale MPP [Berger-Lahr] 5..4 Meode de coandă a ooarelor pas cu pas Fig. 5.8 Coanda unui oor în buclă deschisă (sus) şi buclă închisă (schea de jos) PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

12 140 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Marele avanaj al ooarelor pas cu pas consă în fapul că po fi coandae în buclă deschisă (fig.5.8), fără a fi necesară o buclă de reglare a poziţiei, care să copare, peranen, poziţia prograaă cu cea curenă, furnizaă de un senzor de poziţie. Aceas od de coandă ipune, însă, funcţionarea în sincronis a MPP, respeciv nuărul de paşi efecuaţi de oor rebuie să coincidă, pe o parcursul funcţionării, cu nuărul de ipulsuri de coandă, ransise de uniaea de coandă. Ese oivul penru care alegerea unui MPP, penru o anuiă aplicaţie, rebuie făcuă cu ul discernăân, urărind anuie eape [Orienal Moor]: 1. Deerinarea coponenelor ecanisului de anrenare. Presupune deerinarea anuior eleene ale proiecului, cu ar fi ecanisul, diensiunile preliinae, disanţa de deplasare, ipul de poziţionare.. Deerinarea rezoluţiei ipuse oorului. Rezoluţia MPP ese unghiul său de pas. Dacă acesa anrenează, direc, o asă de roaţie, rezoluţia de deplasare a aceseia va fi: R = 360 N [ grade], (5.3) unde N ese nuărul de paşi necesar penru efecuarea unei roaţii coplece. Mărirea acesei rezoluţii presupune uilizarea unui oor cu reducor (vezi fig.5., c): R = i 360 N [ grade], (5.4) în care, i, ese raporul de ransiere, suprauniar, al reducorului. R [ ] = θ p [ rad] r [ ], pin (5.5) unde cu r pin s-a noa raza pinionului ecanisului de acţionare, iar penru ecanisul cu şurub-piuliţă (fig 5., b), rezoluţia deplasării piuliţei ese: p [ ] p R [ ] = θp [ rad] = [ ], π N p fiind pasul şurubului. (5.6) 3. Se alege profilul de vieză ipus işcării (de exeplu, rapezoidal, riunghiular, parabolic), pe baza căruia se calculează perioadele de accelerare/decelerare, frecvenţele ipulsurilor de coandă la accelerare/decelerare şi oenul necesar accelerării. 4. Se calculează oenul care soliciă oorul. Se calculează oenul de sarcină (M L ), oenul de accelerare (M a ) şi oenul necesar: M = (M L + M a ) x coeficien de siguranţă M = (M L + M a ) x. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

13 5. Sisee de acţionare Se alege oorul adecva din filele de caalog. Aspecul cel ai iporan, care rebuie avu în vedere, ese ca M să se siueze sub caracerisica de ers (fig.5.7) penru cea ai are frecvenţă de coandă preconizaă. 6. Se verifică oorul seleca. Unul din crieriile iporane se referă la aronizarea oenelor de inerţie, verificaă pe baza raporului: Moen de inerie oal, rapora la axul MPP Rapor oeneinerie = = Moen deinerie al MPP Aces rapor are valoari opie în zona lui, valori corespunzăoare înre 1 şi 5 şi valori adisibile înre 1 şi 10. Neîncadrarea înr-o valoare corespunzăoare presupune refacerea unor paşi ai alegerii MPP, de regulă, începând cu ecanisul de acţionare. Variane de coandă a MPP Coanda paşilor MPP poae realiza în ai ule oduri. Asfel, se uilizează: a. Coandă în secvenţă siplă (abel 5.); b. Coandă în secvenţă dublă (abel 5.3); c. Coandă în secvenţă ixă (abel 5.4); d. Coandă prin icropăşire. Aceasa ese o eodă specială de conrol al poziţiei MPP în poziţii inerediare celor obţinue prin priele rei eode. De exeplu, po fi realizae poziţionări la 1/10, 1/16, 1/3, 1/15 din pasul oorului, prin uilizarea unor curenţi de coandă a fazelor cu valori diferie de cea noinală, asfel încâ sua curenţilor de coandă prin cele două faze alăurae, coandae siulan să fie consană, egală cu valoarea noinală. Cu ajuorul acesei eode sun asigurae aâ poziţionări fine, câ si operări line, fără şocuri, însă cuplul dezvola ese ai ic decâ în priele rei cazuri. Presupune un sise de coandă ul ai coplex, cu converoare nueric-analogice, penru a obţine profilele de curenţi în repe, şi nu va fi dealiaă în aceas capiol. Dinr-un al punc de vedere, respeciv cel al enţinerii/inversării sensului, sun două oduri de coandă disince: 1. Coandă unipolară, cu enţinerea sensului curenului;. Coandă bipolară, cu alernarea sensului curenului. MPP cu faze po fi coandae în abele variane, bipolar şi unipolar, înrucâ cele două înfăşurări ale lor au configuraţia prezenaă în figura 5.5, b. Iporan ese nuărul de fire accesibil la ieşirea oorului, exisând ooare cu 4, 5, 6 şi 8 fire ( fig. 5.9). Dinre acese variane, MPP cu 4 fire poae fi coanda nuai în variana bipolară, iar cel cu 5 fire nuai în varaina unipolară. Cele cu 6 fire şi cu 8 fire po fi coandae în abele variane, cu diferenţa că, în cazul oorului cu 8 fire, în variana de coandă biplolară, înfăşurările po fi legae şi în paralel. J J rr. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

14 14 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE a) b) c) d) e) Fig.5.9 Variane de MPP cu faze: a) cu 8 fire, cu înfăşurări în paralel; b) cu 4/8 fire, cu înfăşurări în serie; c) cu 5 fire; d) cu 6 fire); e) cu 8 fire, cu indicarea culorii corespunzăoare fiecărui fir, penru idenificare. În cazul MPP cu 5 faze, fiecare fază ese accesibilă la ieşire cu cîe fire, deci un oal de 10 fire, fiecare cu o culoare diferiă, iar singura variană de coandă posibilă ese coanda bipolară. Din punc de vedere al secvenţelor de coandă, se uilizează nuai secvenţe duble, cu alienarea siulană a câe 4 faze şi deplasarea în paşi înregi (0,7 ) şi secvenţe ixe, cu alienarea, succesivă, a câe 4, respeciv 5 faze, şi deplasarea în juăăţi de pas (0,36 ) [Berger-Lahr] Schee de coandă a MPP O scheă obişnuiă de coandă a ooarelor pas cu pas cu un sise nueric ese prezenaă în figura PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

15 5. Sisee de acţionare 143 Fig.5.10 Scheă bloc penru coanda a două ooare pas cu pas În aceasă scheă, siseul nueric de coandă furnizază nuai senale: un senal sub fora unui ren de ipulsuri, de o anuiă frecvenţă, care deerină frecvenţa de generare a ipulsurilor de coandă penru MPP şi, în consecinţă, vieza unghiulară a MPP; un senal de binar (0/1) care sabileşe ordinea în care sun disribuie ipulsurile de coandă la faze şi, în consecinţă, sensul orar sau aniorar de deplasare a MPP. Rolul generării secvenţelor de coandă penru ranzisoarele de puere, care acivează curenţii prin fazele MPP, revine unui circui special, nui disribuior de ipulsuri. Exisă şi soluţii în care un procesor nueric furnizează direc cele 4 senale de coandă, F1 F4, şi eliină din scheă disribuiorul de ipulsuri Disribuiorul de ipulsuri Disribuioarele de ipulsuri sun blocuri, care preiau renul de ipulsuri de coandă de o anuiă frecvenţă, îpreună cu coenzile de sens şi furnizează la ieşire renuri de ipulsuri, decalae unele faţă de alele cu unghiul θ pe = π/ (pasul elecric). Un disribuior de ipulsuri poae fi realiza ca un nuărăor în inel, cu nuărul sărilor egal cu nuărul fazelor oorului coanda. Ipulsul de inrare face ca nuărăorul să nuere fie înaine, fie înapoi, şi în consecinţă să coande ensiunea de alienare a fazelor, penru a realiza işcarea orară sau aniorară a roorului MPP. Dacă roorul are înodeauna acelaşi sens de roaţie, nuărăorul în inel ese ireversibil, iar dacă se cer abele sensuri de roaţie, ese nevoie de un nuărăor reversibil. Dacă se doreşe ca disribuiorul de ipulsuri să ofere şi posibiliaea selecţiei odului de coandă: în secvenţă siplă, dublă sau ixă, sineza disribuiorului se coplică, înrucâ rebuie să includă şi senale binare şi porţi logice penru selecţia odului de coandă. Indicaţii privind sineza disribuioarelor de ipulsuri, consruie cu circuie basculane bisabile şi porţi logice, se regăsesc în [KUO81], unde sun prezenae şi ai ule schee logice. Exisă însă şi ale soluţii, care po şi rebuie să fie luae în considerare: Mule fire produc o gaă largă de circuie inegae, consruie special penru coanda MPP cu faze, având în vedere nuărul exre de are de aplicaţii în PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

16 144 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE care sun uilizae MPP de aces ip. Se vor prezena pe parcursul capiolului cîeva exeple în aces sens. Penru MPP cu 5 faze sineza unui disribuior adecva ese exre de dificilă, înrucâ acesa rebuie adie nuai coanda bipolară, iar secvenţa ixă presupune alienarea, succesivă, a cîe paru şi cinci faze vezi fig Penru coanda în paşi înregi sun necesare 0 de secvenţe disince, iar penru coanda în paşi înregi, 10 secvenţe disince. Disribuirea acesora poae fi rezolvaă cu ajuorul unui circui inegra special (PCA1318P), sau cu un grup de circuie consiui dinr-un nuărăor şi o eorie ROM, care furnizează la ieşire secvenţele de coandă eorae, în ordinea şi frecvenţa ipuse de nuărăor Blocul ranzisoarelor de puere Senalele de la disribuior rebuie aplificae penru a ransie curenţii absorbiţi de oor, în vederea realizării oenului (puerii) solicia la axul MPP. În od uzual sun uilizae eaje cu ranzisoare de puere. Fig.5.11 Coanda bipolară, în pune ( H) a înfăşurărilor unui MPP cu 5 faze În cazul coenzii unpolare sun necesare câe două ranzisoare de puere penru fiecare fază. În scheele cu coandă bipolară se po folosi două surse de ensiune şi câe ranzisoare penru coanda fiecărei faze, sau o singură sursă de ensiune, dar câe 4 ranzisoare penru fiecare fază, onae în H (în pune) vezi fig penru coanda unui MPP cu 5 faze. Tranzisoarele se aleg penru cele ai grele condiţii de lucru ale MPP. Înfăşurarea unui MPP ese o sarcină rezisiv inducivă, cu induciviae consană sau periodic variabilă cu unghiul de roaţie. Mişcarea roorului generează o ensiune elecroooare, E, având sens invers faţă de ensiunea de alienare (fig.5.1). Înfăşurările reprezină sarcini inducive care sun conecae şi deconecae pe parcursul fiecărui ipuls de coandă aplica şi penru care rebuie rezolvae în od eficien două problee: Creşerea câ ai rapidă a curenului la alienarea fazei (fronul crescăor al ipulsului) nuiă forţare; Proejarea ranzisoarelor de puere de supraensiunile inducive ranziorii, care apar la înreruperea curenului prin fază (fronul descresăor) nuiă supresare. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

17 5. Sisee de acţionare 145 De aseenea, ese necesară descreşerea rapidă a curenului, penru a evia fenoene de frânare. Fig.5.1 Schea echivalenă a înfăşurării unei faze Pornind de la schea echivalenă, se deduce expresia inensiăţii curenului prin faza oorului. Ecuaţia diferenţială corespunzăoare are expresia: di( ) U = R i ) + L + d ( b E. (5.7) Observaţii: 1. Se consideră circuiul agneic al oorului în doeniul nesaura, deci induciviaea, L, depinde doar de poziţia roorului, fiind independenă de inensiaea curenului elecric.. Se neglijează ensiunea elecroooare, E b, indusă de işcarea roorului. Coponena de regi ranzioriu a curenului ese: U T i( ) = e. R (5.8) unde T =L /R, ese consana de ip a fazei, iar U reprezină ensiunea coninuă de alienare. Coponena de regi peranen a curenului ese: I=U/R, iar prin superpoziţie se obţine ecuaţia variaţiei curenului: U T i( ) = (1 e ). R (5.9) care are fora unei parabole care inde asipoic căre U/R (fig.5.13). Frecvenţa axiă eoreică de răspuns a MPP, fără forţare, se calculează deerinând ipul de sabilire a curenului prin fază la 95% din valoarea noinală. Asfel, din urăoarea relaţie: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

18 146 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE U U T 0,95 = (1 e ). R R se obţine: =.996 T Soluţii penru forţarea curenului prin fazele MPP Principalele soluţii penru forţare sun: - forţarea prin rezisenţă serie; - forţarea prin rezisenţă şi condensaor; - forţarea prin ensiune; - forţarea ip chopper Forţarea prin rezisenţă serie Ese cea ai siplă eodă şi consă în conecarea unei rezisenţe, R f, în serie cu înfăşurarea de fază a MPP. Asfel, consana de ip se reduce de la L /R la L /(R +R f ), dar ensiunea de alienare creşe de la U=R I la valoarea U 1 =(R f +R ) I, unde I ese curenul noinal al fazei MPP. Daoriă ăririi rezisenţei echivalene, creşe puerea disipaă pe rezisenţa oală, ceea ce are ca efec un randaen slab şi liiează uilizarea acesei soluţii la MPP de puere ică şi aplicaţii nepreenţioase. Penru a ări frecvenţa axiă de n ori: f ax = n f ax = n (R /(3L )) = (R + R f ) / (3L ), rebuie înseriaă o rezisenţă R f = (n-1) R şi o ensiune de alienare a fazei de (n-1) ori ai are Forarea prin ensiune [KUO81] O eodă de coandă ai eficienă ese aceea în care forţarea panei curenului se face prin folosirea unei ensiuni înale pe duraa creserii curenului în înfăşurare, şi apoi se couă la o ensiune ai scăzuă, corespunzăoare curenului noinal (figura 5.13). Iniţial sun în sare de conducţie abele ranzisoare: Q prin ipulsul de coandă cu perioada =1/ f, furniza de disribuiorul de ipulsuri, iar Q 1 prinr-un ipuls foare scur de la un onosabil, coanda fie prin reacţie de curen cu ajuorul rezisenţei de ăsurare R d, fie direc prin ipulsuri de coandă, având duraa reglaă convenabil (în uliul caz R d poae lipsi). Rezisenţele R d si R sun ici, deci curenul inde să crească la o valoare are (U 1 / (R R d )), cu consana de ip T 1 = L / (R +R d ). PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

19 5. Sisee de acţionare 147 Fig.5.13 Forţarea prin ensiune: a) Scheă de principiu; b) Diagrae de ip Când curenul ajunge la valoarea noinală U / (R R d ), Q 1 ese bloca iar alienarea ese couaă pe sursa de joasă ensiune, prin deschiderea diodei D. Tensiunea U enţine curenul la valoarea noinală până la blocarea lui Q, după care curenul scade exponenţial prin D s şi R s (care forează circuiul de supresare), cu consana de ip T = L / (R +R s ). Penru aces ip de forţare se definese facorul de forţare, k f = U 1 /U. Creşerea curenului poae fi expriaă cu ajuorul relaţiei: U 1 T () = (1 e ). R + R i 1 Când curenul ajunge la valoarea noinală, are loc couarea pe ensiunea U : Se obţine: U R + R 1 d d d U = R + R 1 K f T 1 1 e =, T 1 e 1 ( ), K f 1 şi ipul de sabilire a curenului: 1 = T 1 ln, care scade odaă cu creserea lui K f K f. Tehnica forării cu două ensiuni ese avanajoasă din punc de vedere al frecvenţei axie a ipulsurilor de coandă şi al randaenului, dar iplică dificulăţi de PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

20 148 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE proiecare. Când ese aplicaă ensiunea înală, dioda D s rebuie să se blocheze iedia penru a izola joasa ensiune. Diodele obişnuie au ipi de revenire ari, chiar de ordinul ilisecundelor. Se ipune folosirea unor diode adecvae, cu ipi de revenire ici. De aseenea, sursa de joasă ensiune rebuie proiecaă asfel, încâ să rezise unor curenţi inverşi. Cu câ frecvenţa ipulsurilor de coandă creşe, cu aâ înala ensiune ese couaă penru o perioadă ai are de ip Forţarea ip chopper [KUO81] Aceasă eodă de forţare se bazează pe uilizarea unei singure ensiuni U 1 de valoare are si a unui grup de circuie, care asigură conecarea si deconecarea aceseia cu o frecvenţă ridicaă pe duraa unui ipuls de coandă. În consecinţă, curenul va fi sili să oscileze în jurul valorii noinale (figura 5.14), liiând suprasoliciarea erică a înfăşurării. Fig.5.14 Forţarea prin choppare : a) Scheă de principiu; b) Diagrae de ip Tensiunea de alienare, care în od noral ese de câeva ori ai are decâ valoarea noinală, deerină o creşere rapidă a curenului insananeu, ca în cazul alienării cu dublă ensiune. In oenul în care curenul ainge valoarea noinală, circuiul rigger Schi couă, ca urare a încărcării condensaorului C, de pe inrarea lui, şi coandă blocarea ranzisorului Q, în ip ce Q 1 răâne în coninuare în conducţie. Curenul scade, condensaorul C se descarcă, iar când ensiunea la bornele lui coboară sub un anui prag, riggerul couă şi deschide din nou ranzisorul Q. In aces fel faza ese alienaă cu înreruperi la ensiunea U 1, asfel încâ valoarea edie a curenului să se siueze la nivel consan, presabili prin senzorul de curen R d. Frecvenţa de couare a ranzisorului Q ese înre 1-30 khz, depinzând de consana de ip a înfăşurării fazei si de hiserezisul circuiului RC de ăsurare. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

21 5. Sisee de acţionare 149 Coanda riggerului se face prin R 1, C si R d. Dioda D are rolul de a grăbi încărcarea condensaorului C pe inervalul de conecare. Aenuarea supraensiunii la blocarea repeaă a lui Q se face prin circuiul R s, D s, R, L. Deşi ehnica de forţare necesiă o scheă ai coplicaă, ea oferă posibiliaea reglării curenului în faza MPP, şi deci a cuplului dezvola. Ese una din cele ai eficiene eode de alienare cu curen consan, copensând variaţiile ensiunii de alienare, ale creşerii ensiunii elecroooare cu vieza şi variaţiile rezisenţelor fazelor cu eperaura sau din oive consrucive. Toae circuiele inegrae desinae coenzii MPP şi pezenae în finalul acesui capiol uilizează aceasă eodă de forţare Soluţii penru supresare Când o fază a oorului ese deconecaă, curenul prin fază nu scade insananeu din cauza induciviăţii înfăşurării. Când urăoarea fază a oorului ese couaă, scăderea curenului în faza deconecaă anerior are un efec de frânare asupra oorului. Se consideră circuiul din figura 5.1, cu faza alienaă. Neglijând căderea de ensiune pe ranzisor, valoarea saţionară a curenului în înfăsurare ese U/R. Când T ese deconeca, energia înagazinaă în înfăşurare va inde să păsreze scurgerea curenului în acelasi sens. Penru că ipedanţa circuiului creşe subsanţial (eoreic infini) în ipul acţiunii de deconecare, ensiunea pe ranzisor va crese proporţional cu -L di/d. Măriea ensiunii ranziorii va depăşi valoarea liiă U ce a oricărui ranzisor, deerinându-i srăpungerea. Pracic, înfăşurările ipice ale MPP po cauza, uşor, supraensiuni ranziorii inducive de ori ai ari decâ ensiunea aplicaă oorului, fiind necesară supresarea acesora în gaa valorilor sigure ale ensiunilor U ce. În consecinţă, eajele alienării de puere ale celor ai ule MPP rebuie să conţină circuie de supresare penru proecţia ranzisoarelor de puere îporiva ensiunilor inducive ranziorii. Meodele uzuale de proecie sun: supresarea cu diodă (folosiă în ai ule schee din aces capiol - fig.5.15 diode inegrae în circuiul TEA3718; 5.18 diodele D1 D8 circuiul L610); supresarea cu diodă si rezisenţă reduce consana de ip a scăderii curenului (fig.5.13, a; 5.14, a); supresarea cu diodă Zener; supresarea acivă Circuie inegrae desinae coenzii MPP Nuărul foare are de produse şi echipaene, care uilizează ooare pas cu pas, a ipus proiecarea şi realizarea unor circuie inegrae specializae, care să includă o pare sau oaliaea funcţiilor, necesare coenzii MPP, dealiae în cadrul acesui capiol. În area ajoriae a cazurilor se inde spre siplificarea rolului procesorului, încâ acesa să genereze nuai senalul de ac (frecvenţă), corespunzăor nuărului de paşi/secundă ai MPP şi un senal binar penru selecarea sensului (orar CW sau PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

22 150 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE ani-orar CCW) de roaţie a axului MPP. Cele ai adecvae sun procesoarele care au ieşiri PWM, înrucâ sipla prograare a acesor regisrelor inerne care coandă acese ieşiri asigură senalele de frecvenţă dorie. Nuărul de ieşiri PWM ale unui procesor coincide cu nuărul de MPP care po fi coandae (de exeplu, la icroconrollerul 8055, 6 la failia C166 a lui Sieens ec.) Gaa de circuie inegrae, desinae coenzii MPP ese exre de aplă, iar acese circuie, în funcţie de coplexiaea lor, po asigura parţial, sau inegral oae probleele pe care aceasă coandă le iplică: disribuirea ipulsurilor pe faze penru diferie oduri de coandă în secvenţă siplă, dublă, ixă sau în icropăşire, în od unipolar sau bipolar; coanda de puere (la curenţii noinali) a fazelor; forţarea; supresarea. Exisă şi circuie inegrae care au capaciaea copuaţională de a coanda accelerarea, ersul unifor şi decelerarea MPP, confor unor profile de vieză ipuse, degrevând asfel procesorul de acese operaţii CI care includ nuai blocul de puere Fig.5.15 Schea bloc a circuiului TEA3718 [SGS-THOMSON] Un reprezenan al acesei caegorii ese circuiul TEA3718 [SGS-THOMSON], care poae asigura alienarea unei singure faze la ensiuni înr-o plajă largă (10 50 V) şi curenţi de A. Coanda unui MPP cu faze ipune uilizarea a două circuie TEA3718, în odul prezena în figura În aceasă figură, în sânga acoladei se presupune un sise nueric de coandă (cu icroprocesor, icroconroller ec.), care furnizează CI senalele de coandă IN0, IN1şi PHASE. Circuiul include paru ranzisoare de puere, proejae cu diode supresoare şi onae înr-o pune în H, care asigură coanda bipolară a unei faze. Un grup de rei coparaoare, selecae cu ajuorul senalelor binare IN0 şi IN1, peri forţarea, prin choppare penru rei nivele de curenţi (ic, ediu, axi). Ele copară un nivel deriva din ensiunea de referinţă prinr-un divizor de frecvenţă, cu ensiunea de la bornele unei rezisenţe, care are rolul unui senzor al curenului prin fază. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

23 5. Sisee de acţionare 151 Fig Coanda fazelor unui MPP cu circuie TEA3718 Fig Configuraţii de senale penru coanda a două faze PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

24 15 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Înrucâ circuiul nu are faciliaea de a asigura disribuirea unor ipulsuri adecvae pe faze, penru diferie oduri de coandă, aceasă funcţie cade, în oaliae, în sarcina procesorului şi, în consecinţă, a prograaorului, care rebuie să asigure generarea unor ipulsuri pe liniile IN0, IN1 şi PHASE, având configuraţiile prezenae în figura 5.17, penru lucrul în paşi înregi sau juăăţi de pas CI penru disribuirea ipulsurilor pe faze Sarcina procesorului nueric şi a prograaorului ese ul siplificaă, în ăsura în care un circui inegra are capaciaea de a genera inern senale de coandă penru fazele MPP. Un asfel de circui ese L97 [SGS-THOMSON], care are nevoie nuai de rei senale, cel de ac (frecvenţă) - CLOCK, de selecarea a sensului de roaţie CW / CCW şi de selecare a odului de lucru HALF / FULL, penru a genera paru senale (A, B, C, D), penru coanda bipolară ( faze) sau unipolară (4 faze) a unui MPP bifaza (fig. 5.18). Senalul HALF / FULL perie selecarea odului de lucru: în paşi înregi (penru 0 logic), în secvenţă siplă (odul wave ), sau secvenţă dublă (odul noral ), sau în juăăţi de paşi (penru 1 logic - odul half-sep ). Fig Coanda unui MPP cu faze cu andeul de circuie L97 şi L98 În odurile half-sep şi wave, circuiul L97 generează două senale de inhibare, INH1 şi INH, care conecae direc pe inrările siilare ale circuiului L98, PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

25 5. Sisee de acţionare 153 peri scăderea rapidă a curenului la înreruperea alienării unei faze. L97 asigură şi forţarea prin choppare, prin copararea ensiunilor achiziţionae de la senzori de curen (liniile SENSE1, SENSE) cu o ensiune de referinţă. Inrarea de coandă CONTROL sabileşe dacă chopper-ul va acţiona pe liniile de coandă a fazelor, A, B, C, D, sau pe liniile de inhibare, INH1 şi INH. L97 rebuie coneca la circuie de puere, care să asigure curenţii necesari alienării înfăşurărilor MPP : circuie inegrae cu dublă pune în H, arici cu paru ranzisoare Darlingon, ranzisoare discree de puere. În cele ai ule cazuri lucrează în ande cu un circui L98, înr-un onaj de ipul celui prezena în figura 4. L98 poae asigura ensiuni de alienare de până la 46 V şi curenţi axii oali de 4 A CI cu funcţii coplee Exisă circuie inegrae care includ oae funcţiile pe care le presupune coanda eficienă a unui MPP: selecarea odului de lucru, disribuirea ipulsurilor pe faze, cu frecvenţa şi penru sensul de roaţie dori, forţarea, supresarea, proecţia la suprasarcini ec. Fira SGS-Thoson Microelecronics produce ai ule asfel de circuie: L619, L68, GS-D00/GS-D00S. Fig.5.19 Schea bloc a circuiului L619 Un circui folosi penru coanda unui MPP cu faze ese L619, avînd schea bloc din figura Lucrează în doeniul de ensiuni V şi poae asigura curenţi de pînă la 750 A prin înfăşurări. Forţarea se realizează o prin choppare, cu ajuorul câe unui grup de coparaoare penru fiecare fază. În figura 5.0 ese prezenaă şi o scheă de conecare a acesui circui. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

26 154 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.0 Exeplu de conecare a unui oor cu faze În figura 5.1 ese prezenaă schea bloc a circuiului inegra GS-D00S, desina, de aseenea, penru coanda MPP cu faze. Fig.5.1 Schea bloc a circuiului GS-D00S PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

27 5. Sisee de acţionare 155 Ese un circui ai coplex, care perie selecarea coenzii în paşi înregi şi juăăţi de pas ( HALF / FULL ), selecarea sensului ( CW / CCW ), sabilirea frecvenţei ipulsurilor de coandă (STEPCLK), a valorii iniţiale (ABCD = 0101) a conorului inern penru coanda fazelor, poziţionarea anuală a oorului (ENABLE =low) ec. Lucrează în doeniul de ensiuni V şi poae asigura curenţi noinali de 1A prin înfăşurări (0,5 A). Forţarea ese asiguraă o prin choppare, iar valoarea curenului de referinţă poae fi odificaă prin cuplarea unei rezisenţe adecvae înre pinul I 0 SET şi GND 1 sau V SS. Aces circui inegra recepţionează de la procesorul nueric senale siilare cu circuiul L97, fiind capabil să genereze ipulsurile de coandă pe fazele MPP penru diferie oduri de lucru (în paşi înregi şi juăăţi de pas). El include însă şi logica de forţare prin choppare, punţile cu ranzisoare de puere şi diodele supresoare penru proejarea ranzisoarelor Circuie coplexe penru coanda MPP În cazul uuror circuielor prezenae în secţiunile , siseul nueric de coandă rebuie să rezolve singur probleele legae de profilul de vieză după care se realizează işcarea MPP şi de asigurare a poziţiei şi viezei ipuse. De aseenea, acese circuie nu po realiza coanda MPP în regi de icropăşire, cu avanajele pe care acesa le asigură în privina rezoluţiei. Proiecanului de sisee de acţionare cu MPP îi sau la dispoziţie circuie inegrae ai coplexe şi, iplici, ai scupe, dar care, în cazul anuior aplicaţii, po asigura soluţii de coandă ai eficiene. Se vor prezena câeva caracerisici ale circuiului TMC48 [Trinaic], un circui inegra capabil să coande siulan până la rei MPP şi să rezolve singur oae probleele criice de ip real, iplicae de aceasă coandă. În aces fel, chiar şi un icroconroller ai puţin coplex, ese capabil să realizeze iniţializarea şi counicaţia cu TMC48 şi să specifice poziţiile şi viezele. Cu ajuorul nuărăoarelor sale inerne de poziţie, circuiul poae realiza până la 3 paşi sau icropaşi, fără nici o inervenţie a icroconrollerului. Rezoluţia unui pas - care poae fi prograaă individual penru fiecare oor variază de la un pas înreg, egal cu unghiul de pas al MPP uiliza (1 icrosep ese un pas înreg), o juăae de pas ( icroseps penru un pas înreg), până la 6 = 64 de icropaşi, în regi de icropăşire (64 icroseps penru un pas înreg).counicaţia cu icroconrollerul şi circuiele inegrae de puere penru coanda MPP (TMC36, TMC39, TMC46 ec.) se realizează prin inerediul unei inerfeţe seriale de ip SPI). Penru counicaţia serială cu icroconrollerul se uilizează esaje cu o lungie fixă de 3 biţi, cu un proocol siplu. TMC48 poae asigura paru oduri diferie de işcare, care po fi prograae individual penru fiecare din cele rei MPP şi sun denuie RAMPMODE, SOFTMODE, VELOCITYMODE şi HOLDMODE. În RAMPMODE uilizaorul prograează poziţia, iar TMC48 calculează un profil rapezoidal al viezei şi coandă, pe baza acesuia, realizarea poziţiei ipuse. SOFTMODE ese aseănăor cu RAMPMODE, dar descreşerea viezei se realizează după un profil lin, exponenţial. În VELOCITYMODE, uilizaorul ipune vieza, iar circuiul coandă MPP în PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

28 156 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE liiele de vieză şi acceleraţie fixae de prograaor. În HOLDMODE se po realiza profile de vieză conrolae în oaliae de uilizaor. 5.3 Servoooare de curen coninuu Principiul de funcţionare şi varianele consrucive Servoooarele de curen coninuu sun uilizae în foare ule aplicaţii din doeniul ecanicii fine şi ecaronicii (roboţi indusriali şi de servicii, vehicole cu ghidare auoaă, periferice de calculaor, auoae de conrol şi servire, auoae bancare ec.), daoriă unor caracerisici rearcabile: Doeniu aplu al puerilor/oenelor dezvolae; Moen de inerţie redus al părţilor obile şi, în consecinţă, un rapor are puere/oen de inerţie; Posibiliaea reglării în liie foare largi a uraţiei; Greuae şi volu ici; Moen ipulsional foare are, care oferă o proecţie la suprasarcini de scură duraă; Faciliăţi favorabile de onare ec. Fig.5. Principiul de funcţionare a unui oor de curen coninuu Principiul de funcţionare a unui oor de curen coninuu poae fi înţeles cu ajuorul figurii 5.. Asupra unui conducor parcurs de un curen elecric, I, şi afla înr-un câp agneic de inducţie, B, se exerciă o forţă, F L, al cărei sens poae fi deerina cu regula âinii drepe (vecorul B inră în pală, degeele sun orienae de-a lungul lui I, iar degeul are indică sensul forţei). Măriea acesei forţe, penru cazul în care B şi I sun perpendiculare, are expresia: F L = I l B. Se consideră, în coninuare, un roor de rază, r, pe care sun dispuse ai ule cadre drepunghiulare. Se consaă că asupra juăăţii din dreapa a conducorului, a cărui norală la suprafaţă ese perpendiculară, la un oen da, pe inducţia B, se exerciă o forţă, F L, îndrepaă în jos. Apare un cuplu de forţe, care inde să roească roorul în sensul acelor de ceasornic. Penru ca oenul ecanic, care acţionează asupra roorului, să-şi enţină sensul, ese necesar un couaor, care să deerine PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

29 5. Sisee de acţionare 157 schibarea ciclică a sensului curenului prin conducoarele oorului, pe ăsură ce acesea se deplasează în câpul agneic. O scheă elecrică echivalenă a înfăşurării unui oor de curen coninuu ese prezenaă în figura 5.3, în care s-au folosi urăoarele noaţii: U ensiunea de alienare; U 0 ensiunea conraelecroooare; I curenul prin înfăşurare; R rezisenţa înfăşurării; L inducanţa înfăşurării. Fig.5.3 Schea elecrică echivalenă Se poae scrie urăoarea ecuaţie: di U = R I + L + d U 0. (5.10) Pe de ală pare, ensiunea conraelecroooare, U 0, ese proporţională cu vieza unghiulară a roorului, ω: U 0 = α n l r B ω = c M B ω. (5.11) Din relaţiile (5.11) şi (5.1) se obţine relaţia penru ω = U di R I L d. cm B vieza unghiulară: (5.1) Confor ecuaţiei (5.1), principalul paraeru, care perie conrolul viezei unghiulare (uraţiei) a oorului, ese ensiunea de alienare a înfăşurării, U. Penru realizarea couării curenţilor, în vederea enţinerii sensului oenului care asigură deplasarea roorului, se uilizează două soluţii, diaeral opuse: Couaţia ecanică; Couaţia elecronică. O scheă de principiu a unui servooor de curen coninuu cu couaţie ecanică ese prezenaă în figura 5.4. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

30 158 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.4 Moor de curen coninuu cu couaţie ecanică Saorul cuprinde poli agneici, realizaţi cu ajuorul agneţilor peranenţi, iar roorul ese bobina şi aliena cu ensiune, prin inerediul unui sise colecor perii. Fiecare capă al unui conducor (fig.5.) ese scos la o laelă a colecorului, iar couarea sensului curenului se realizează prin conacul cu una din cele două perii, care îşi păsrează polariaea (de exeplu + penru peria din sânga şi - penru peria din dreapa). La un servooor, periile sun plasae în aşa fel, încâ vecorul curenului ese enţinu perpendicular pe direcţia câpului agneic de exciaţie, penru oricare poziţie a roorului. Asfel, oenul oor rezula va fi proporţional cu curenul care srăbae înfăşurarea oorului, iar vieza unghiulară a oorului va fi proporţională cu ensiunea. Ecuaţiile clasice care definesc un oor de c.c sun: Moen oor (M ) = k I E g = Tensiune conra-elecroooare = k e ω, (5.13) unde k ese o consană a oenului, k e ese o consană a ensiunii şi ω ese vieza unghiulară a oorului. Un dezavanaj iporan al acesui ip de oor consă ese deerina de liia de couaţie, la care apare o scâneiere puernică la perii, care reduce drasic duraa de funcţionare a oorului, paraziează senalele radio şi liiează nivelele ensiune/curen. Înrucâ soluţia presupune roaţia înfăşurărilor alienae cu curen şi a colecorului aferen, efecele consau înr-un oen de inerţie ai are şi un regi eric ai nefavorabil, înrucâ căldura, dezvolaă ai ales în roor, are puţine căi de disipare. Soluţiile ai recene au căua să înlăure acese neajunsuri, prin schibarea rolurilor saorului şi roorului, respeciv polii agneici, realizaţi din agneţi peranenţi, sun aplasaţi în roor, iar înfăşurările, alienae cu ensiuni elecrce, în saor. Acese ooare, cu couaţie elecronică, se nuesc şi ooare fără perii (brushless DC oors = BLDC). PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

31 5. Sisee de acţionare 159 Fig.5.5 Principiul de funcţionare a unui oor de c.c. cu couaţie elecronică Principiul de funcţionare a unui asfel de oor poae fi înţeles cu ajuorul figurilor 5.5, 5.6 şi 5.7, iar în figura 5.8 ese prezena şi blocul ranzisoarelor de puere care coandă alienarea fazelor. În figura 5.5 sun redae cele 6 cadrane elecrice, senificaive penru un oor cu 3 înfăşurări saorice, u-x, v-y, w-z, şi poli roorici, defazae înre ele cu 60 (360 / (3 faze x poli)). În fiecare cadran se araă care rebuie să fie sensul curenţilor, asfel încâ să se enţină un oen penru deplasarea roorului în sensul orar. Penru o PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

32 160 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE couare riguroasă a curenţilor prin înfăşurările saorului, în sincronis cu poziţia roorului, ese necesar un senzor, care să deerine, în peranenţă aceasă poziţie. În figura 5.6 ese prezena un asfel de senzor, consiui din rei raducoare (în general, eleene Hall, prin drepul cărora se deplasează un oburaor, solidar cu roorul. S-a presupus că, dacă oburaorul se găseşe în drepul unui raducor, ieşirea acesuia ese 1 logic, iar dacă raducorul nu ese influenţa de oburaor, ieşirea lui ese 0 logic. Senzorul generează asfel 6 cobinaţii binare disince, penru cele 6 cadrane (fig.5.5), iar siseul de coandă rebuie să asigure penru fiecare cobinaţie, care corespunde unei anuie poziţii a roorului, configuraţia de curenţi prin înfăşurări, indicaă în figura 5.7. Fig.5.6 Consrucţia roorului Fig.5.7 Diagraele de ip ale senalelor PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

33 5. Sisee de acţionare 161 Fig. 5.8 Disiparea căldurii la MCC cu şi fără perii Caracerisicile consrucţiei fără perii se regăsesc la o gaă largă de ooare elecrice: oorul sioncron de c.a.; oorul pas cu pas; oorul de c.a. cu inducţie ec.; oorul de c.c. fără perii ese defini, în od convenţional, ca un oor sincron cu agneţi peranenţi, penru care ensiunea conra-elecroooare are o foră rapezoidală. Servooorul fără perii, perie, daoriă soluţiei sale consrucive, ca aproape oaă căldura degajaă să fie eliinaă prin saor, pe calea cea ai scură căre ediul înconjurăor (fig.5.8). Transferul de căldură poae fi aciva şi prin venilarea oorului. Eliinarea couaorului ecanic şi a înfăţurării saorice deerină şi un oen de inerţie ai redus şi o vieză unghiulară ai are ale roorului, precu şi ensiuni de alienare ai ari, coparaiv cu oorul de c.c convenţional În figura 5.9 sun prezenae două secţiuni, una prinr-un oor de curen coninuu cu couaţie ecanică, iar cealală prinr-un oor de curen coninuu cu couaţie elecronică, care peri o ai bună înţelegere a consrucţiei celor două ipuri de ooare şi a odului de aplasare a diferielor eleene consrucive. O uliă probleă care va fi prezenaă în aces subcapiol, se referă la diferie variane consrucive ale servoooarelor de curen coninuu: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

34 16 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.9 Secţiuni prin oor a. Cu roor cilindric sau cu înrefier radial (fig.5.9); b. Cu roor disc sau cu înrefier axial; în aces caz roorul are fora unui disc, pe care sun dispuse fie conducoarele roorului (realizae prin şanţare sau ipriare), penru ooare cu couaţie ecanică, fie agneţii peranenţi, în cazul ooarelor cu couaţie elecronică. c. Cu roor ip pahar. Exisă variane cu roor cilindric sau roor disc penru abele ipuri de ooare, cu şi fără perii, fiecare cu avanajele sale, fără ca una din variane să prezine un avanaj decisiv. Crieriul decisiv consă în diensiuni: cele cu roor cilindric sun ai suple, cu diaerul ic şi lungie ai are, cele cu roor disc au un diaeru ai are şi o lungie ai ică Conrolul viezei servoooarelor de c.c. Scheele de coandă a servoooarelor de curen coninuu sun, în principiu, ul ai coplexe decâ cele penru coanda MPP, înrucâ nu ai po fi uilizae schee PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

35 5. Sisee de acţionare 163 de coandă în buclă deschisă, ci sun necesare ai ule bucle de reglare, bazae pe reacţii după curen, vieză şi poziţie (fig.5.30). Fig.5.30 Scheă penru coanda unui servooor de curen coninuu Modul în care se realizează conrolul viezei unghiulare la un servooor de c.c, poae fi înţeles pe baza caracerisicilor ecanice ale oorului ω = f(m), prezenae în figura 5.31, a. Acese caracerisici sun drepe uşor descrescăoare, care depind de ensiunea de alienare, U A, a înfăşurării oorului. Dacă, de exeplu, ensiunea ese egală cu ensiunea noinală, oorul va funcţiona la vieza unghiulară (uraţia) noinală, penru ensiuni de alienare ai ari viezele unghiulare vor fi ai ari, iar penru valori ai ici ale ensiunii ele vor scădea. Prin odificarea ensiunii de alienare în liie foare largi şi viezele unghiulare ale servoooarelor de curen coninuu po fi variae înr-o plajă aplă. Variaţia ensiunii de alienare poae fi realizaă cu aplificaoare liniare, cu variaţia coninuă a ensiunii [KUO81], dar cvasi-oaliaea soluţiilor uilizează aplificaoare coandae în ipulsuri ( Chopper ) - fig.5.31, b. În aceasă figură, CS, reprezină blocul couaoarelor saice (ranzisoare de puere), coanda să închidă (pe parcursul ipului aciv, a ) circuiul de alienare a înfăşurării, ip în care curenul creşe exponenţial (s-a reprezena siplifica cu un segen de dreapă), după care, pe parcursul inervalului p (pauză), CS înrerupe alienarea înfăşurării, iar curenul, care descreşe exponenţial (segenul de dreapă cu pană descrescăoare), se închide prin dioda supresoare, DS. În aces fel, înfăşurarea oorului ese alienaă cu ensiunea edie: c a 1 U = U A = ε U A = U A d; (0 < ε < 1) (5.14) c Po fi luae în considerare două eode de alienare în ipulsuri: Cu a consan şi c variabil Pulse Frequency Modulaed Aplifier (PFM); Cu c consan şi a variabil Pulse Widh Modulaed Aplifier (PWM) fig.5.31,c; Ese eoda cea ai des folosiă, iar oae procesoarele nuerice ai perforane au un nuăr de ieşiri PWM, care po fi prograae penru diferie frecvenţe şi lăţii ale ipulsurilor [DUM3b], [DUM3c]. c 0 PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

36 164 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.31 Reglarea viezei unghiulare a MCC: a) caracerisici ecanice; b) variaor de ensiune (Chopper); c) coanda în lăţie a iulsurilor (PWM) PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

37 5. Sisee de acţionare Circuie inegrae penru coanda servoooarelor de curen coninuu Circuie inegrae penru coanda ooarelor de c.c. cu perii În cazul ulor sisee ecaronice, cu ar fi roboţii obili, echipaenele periferice ale calculaoarelor, auovehiculele ec. se uilizează servoooare de curen coninuu cu couaţie ecanică. Srucura de bază a acesor servoooare şi a aplificaoarelor de puere, care servesc la coanda lor, ese uniară în înreaga lue. Conrolul bi-direcional presupune uilizarea unor punţi în H, care conţin paru ranzisoare de puere, şi sun coandae cu senale PWM, generae de un procesor nueric. Vieza oorului de curen coninuu poae fi odificaă prin schibarea lăţiii ipulsurilor uilizae penru coanda ranzisoarelor de puere. Exisă un nuăr foare are de circuie inegrae, cu diferie nivele de coplexiae şi de la ule fire producăoare, care includ punţi de puere în H, cu ar fi: L93/L93D, LMD1800, LMD1801, LMD1845, L67 ec. Circuiele L93 şi L93D, de exeplu, conţin câe paru seipunţi care suporă curenţi elecrici ari. L93/L93D au fos proiecae penru couarea bi-direcţională a unor curenţi de până la 1 A/600 A, cu ensiuni cuprinse înre 4,5 şi 36 V. Abele circuie sun concepue penru a coanda sarcini inducive, cu ar fi relee, elecroagneţi, ooare de curen coninuu, MPP cu coandă bipolară ec. Toae inrările sun copaibile TTL, iar seipunţile sun acivae pe perechi, cu ajuorul senalelor de validare 1, EN penru seipunţile 1 şi (fig.5.3), respeciv 3,4 EN penru perechea 3 şi 4. Dacă inrările de validare (enable) sun în sarea High (H) (1 logic), ranzisoarele din coponenţa seipunţilor respecive conduc şi ieşirile sun acive şi în fază cu inrările. Când inrările de validare (enable) sun în sarea Low (L) (0 logic) ranzisoarele de puere corespunzăoare sun blocae, iar ieşirile seipunţilor sun în sarea de înală ipedanţă. Penru o configuraţie adecvaă a senalelor de validare, fiecare perche de seipunţi configurează o pune H penru coanda oorului (vezi fig.5.3 penru perechile 1 şi ). Inrările 1A şi A deerină sensul de roaţie a oorului: 1A L şi A H sens orar; 1A H şi A L sens aniorar. Trecerea abelor inrări în sările low sau high are ca efec frânarea rapidă a oorului. Fig. 5.3 Conrolul bi-direcional al unui oor de c.c. cu L93 PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

38 166 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Mulţi roboţi obili consacraţi şi coercializaţi pe piaţă, uilizează acese circuie inegrae. În figura 5.33 ese prezenaă soluţia hardware penru coanda celor două ooare ale roboului RUG WARRIOR [Rug Warrior]. Cele două punţi H ale circuiului L93D couă curenţii în ooare, uilizând liniile PA5 and PA6 ale porului A penru coanda în lăţie a ipulsurilor (PWM) şi liniile PD4 and PD5 ale porului D direcţia de roaţie. Microconroller-ul uiliza penru coandă ese MC68HC11, de 8 biţi, al firei Moorola Seiconducor. Un al robo foare cunoscu, KEPHERA [Kephera], foloseşe aceeaşi soluţie, cu un conroller 68HC11 care coandă paru ooare de c.c, prin inerediul a două circuie L93D. Fig Circuiul L93D uiliza penru coanda ooarelor roboului Rug Warrior Mooarele de c.c de puere ai are ipun uilizarea unor circuie inegrae ai puernice şi ai sofisicae. Un exeplu ese L67, produs de fira SGS-Thoson Microelecronics, care conţine două punţi coplee DMOS. Circuiul ese realiza în ehnologia MuliPower BCD, care cobină ranzisoarele de puere DMOS cu circuie CMOS şi bipolare, inegrae în acelaşi chip. Dispoziivul include două circuie independene penru reglarea, prin choppare a curenţilor PWM. Conrolul curenţilor presupune ăsurarea acesora cu ajuorul unor senzori de curen, siple rezisoare exerne, onae înre ranzisoarele de puere inferioare şi asă, a căror ensiune la borne ese proporţională cu curenţii din oor. L67 asigură o proecţie nedispaivă la supra-curenţi în parea superioară a ranzisoarelor de puere MOSFET şi o blocare a circuiului la supraîncălzire (heral shu-down) (fig.5.34). Inrările de conrol (EN, IN1, IN) au roluri siilare cu cele de la L93. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

39 5. Sisee de acţionare 167 Fig Diagraa bloc a circuiului L67 Mule dinre acţionările auovehiculelor uilizează servoooare de c.c clasice, cu couare ecanică. În capiolul a fos prezena siseul de acţionare a unei uşi, care include paru ooare, penru închiderea/deschiderea feresrei, reglarea oglinzii rerovizoare după coordonae (x-y) şi blocarea uşii în siseul de închidere cenralizaă. În figura.5 inervin ai ule circuie inegrae, proiecae şi realizae penru coanda acesor ooare. Circuiele penru auovehicule au anuie pariculariăţi, legae de alienarea de al siseul baerie alernaor&redresor şi, iplici, de regiurile ranziorii la care sun supuse, şi de inegrarea, în unele dinre ele, a unor inerfeţe, care peri conecarea la reţelele de counicaţie din auovehicul (vezi capiolul ). Se vor prezena, succin, două circuie a căror docuenaţie precizează că sun desinae, în principal, penru coanda ooarelor de c.c. în auovehicule. Circuiul TD340 [SGS-THOMSON] conţine o pune H, foraă din paru ranzisoare de puere MOSFET, penru coanda unui oor de c.c. Suporă, daoriă ehnologiei sale speciale, fără o proecţie specială, regiurile ranziorii caracerisice regiului de funcţionare a unui auovehicul. Vieza şi sensul de roaţie ale oorului sun coandae prin inerediul senalelor IN1 and IN (fig.5.35). Tensiunea de alienare a înfăşurării oorului ese conrolaă prin odularea lăţiii ipulsurilor (PWM), aplicae ranzisoarelor de puere inferioare. Funcţiunea PWM poae fi realizaă inern, aunci când pinul de inrare ese coneca la un senal analogic, sau poae fi dirijaă direc de procesorul nueric, prinr-un senal digial. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

40 168 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.35 Scheă de conecare şi diagraă bloc penru circuiul TD340 O logică ingenioasă de recificare sincronă, care acţionează asupra ranzisoarelor de puere superioare, reduce disiparea de căldură daoriă supresării. TD340 inegrează un regulaor de ensiune de 5V, cu o ieşire corespunzăoare penru alienarea icroconroller-ului, un circui de researe şi un circui Wachdog. Logica inernă de siguranţă dezacivează circuiul TD340 (MOS off) când sun sesizae condiţii de funcţionare anorale: supraensiune (OVLO Over Volage LockOu), subensiune (UVLO Under Volage LockOu) sau pierderea conrolului de căre procesorul nueric (wachdog). Un al circui inegra desina coenzii ooarelor de c.c din doarea auovehiculelor ese L9904 [SGS-THOMSON]. Circuiul a fos proieca penru a coanda paru ranzisoare MOS exerne, în pune H, penru acţionări cu ooare de curen coninuu în auovehicule. Include o inerfaţă de counicaţie copaibilă cu sandardul ISO9141. O aplicaţie ipică ese prezenaă în figura 5.36 Dispoziivul ese conrola prin inerediul a rei inrări CMOS: EN, DIR şi PWM. Ese aciva când inrarea EN (enable) ese în sarea HIGH. Când inrarea EN nu ese conecaă sau ese în sarea LOW, dispoziivul ese inaciv (în odul sandby ). Inrările DIR şi PWM coandă driver-ele ranzisoarelor exerne de puere. Direcţia oorului ese selecaă cu ajuorul inrării DIR, iar regiul de încărcare şi frecvenţa cu inrarea PWM. DG reprezină o ieşire de diagnosicare, care asigură o deecare, în ip real, a urăoarelor erori, care au ca efec inacivarea circuiului: supraîncălzire, supraensiune, subensiune, scurcircui. Aceasă ieşire open- drain, cu rezisenţă pullup inernă, ese în sarea LOW, dacă se deecează una din erorile enţionae. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

41 5. Sisee de acţionare 169 Fig.5.36 Exeplu de uilizare a circuiului L Circuie inegrae penru coanda servoooarelor de c.c fără perii (BLDC) Coanda BLDC ese ai coplicaă decâ cea a servoooarelor cu perii, înrucâ couarea fazelor saorului rebuie să fie sincronizaă cu poziţia roorului. Aceasa poae fi deerinaă cu ajuorul unui senzor inern, baza pe raducoare Hall, care generează secvenţe binare disince penru fiecare cadran elecric senificaiv (vezi figurile 5.6 şi 5.7), sau prin sesizarea recerilor prin zero ale ensiunii conraelecroooare în faza nealienaă. Un oor de c.c cu couaţie elecronică ese caraceriza prinr-un regi de funcţionare cu două faze acive ( wo phases ON ), lucru deonsra în secţiunea 5.3.1, cu ajuorul figurii 5.5 Producerea oenului oor se bazează principiul alienării cu curen elecric a două din cele rei faze saorice, în fiecare oen, şi pe fapul că, la recerile prin zero ale ensiunii conra-elecroooare nu se generează oen. Fig.5.37 prezină forele de undă ale ensiunii conra-elecroooare ale servooorului de c.c. fără perii în regiul cu faze acive. Sesizarea ensiunii conraelecroooare presupune circuie ai coplexe, cu converoare analog-nuerice şi logică PWM. În aces capiol va fi prezena, suar, icroconroller-ul de 8biţi, ST7141K [SGS-THOMSON], concepu penru coanda ooarelor elecrice,. Soluţii adecvae sun oferie de DSP-uri, cu ar fi TMS30C40 al lui Texas Insruens, un DSP opiiza penru coanda nuerică a ooarelor elecrice. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

42 170 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig Fore de undă ale ensiunii conra-elecroooare în regiul cu faze acive Un circui capabil să asigure coanda unui servooor de c.c. fără perii, în baza inforaţiilor de la un senzor de poziţie a roorului, ese L69. Suporă ensiuni de lucru înre 8 şi 5 V şi un vârf de curen la ieşire de,8 A (1,4 A c.c.). Dispoziivul include oae circuiele necesare penru coanda unui oor de c.c. cu rei faze saorice: o pune DMOS rifazică; un conroller de curen PWM; o logică de decodificare penru raducoare Hall unipolare, care generează secvenţa de alienare a fazelor, periţând opţiuni de decodificare penru raducoare decalae spaţial cu 60 sau 10. Circuiul L69 asigură şi o proecţie nedisipaivă la supracurenţi, pe ranzisoarele MOSFET de puere superioare şi o blocare a circuiului la supraîncălzire (heral shudown). Conecorul TACHO reprezină o ieşire open-drain de ip frecvenţă-ensiune, furnizaă de un circui care inegrează ipulsurile priie de la raducorul Hall 1 (pinul H 1 ) şi înlesneşe algoriului de coandă uilizarea unei bucle de reacţie după vieză, fără a fi necesar un senzor de vieză suplienar. O scheă siplificaă a conrollerului PWM ese prezenaă în fig Circuiul de conrol al curenului urăreşe nivelul curenului din punţi, pe bază căderii de ensiune la bornele unui rezisor exern senzorul de curen coneca înre sursa celor 3 ranzisoare de puere MOS inferioare şi asă. Când curenul prin oor creşe, se ăreşe, proporţional, şi ensiunea la bornele senzorului de curen. Dacă aceasa depăşeşe ensiunea de referinţă aplicaă pe pinul de inrare VREF, ieşirea coparaorului couă şi declanşează onosabilul care blochează punea. Tranzisoarele de puere MOS răân blocae pe parcursul perioadei de ip corespunzăoare ipulsului de la ieşirea onosabilulului şi curenul în oor se închide prin juăaea superioară a punţii, în odul de scădere lenă (Slow Decay Mode). Când onosabilul revine în sarea iniţială, se resabileşe curenul prin pune. Pinii FWD/REV, BRAKE, EN, H 1, H şi H 3 sun copaibili TTL/CMOS şi, accesibili, în consecinţă, unui procesor nueric. Coanda ieşirilor punţii de puere rifazice se realizează cu ajuorul unui circui logic cobinaţional, în concordanţă cu senalele recepţionae de la cele 3 raducoare Hall, care deecează poziţia roorului. Aceasă logică idenifică poziţiile penru raducoare decalae spaţial cu 60, 10, 40 şi 300 de grade elecrice. Dinre cele op cobinaţii binare posibile, pe care le po furniza PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

43 5. Sisee de acţionare 171 cele 3 raducoare binare, câe şase cobinaţii sun valide penru fiecare variană de poziţionare spaţială a raducoarelor, iar fiecărei cobinaţii valide (H 1, H, H 3 ) îi corespunde o configuraţie a ieşirilor (OUT 1, OUT, OUT 3 ). Fig Schea siplificaă a conrollerului de curen PWM Realizarea unui servooor de c.c. fără perii, care să nu ipună uilizarea unui senzor de poziţie, presupune deecarea şi analiza ensiunii conra-elecroooare. Penru ooare cu fore de undă rapezoidale (fig.5.39), eoda cea ai des folosiă consă în ăsurarea direcă a ensiunii conra-elecroooare analogice. Moorul funcţionează cu câe două faze alienae siulan, cu perioade de couaţie de 60, şi deecarea oenelor de couaţie se realizează prin ăsurarea ensiunii conra-elecroooare în faza nealienaă. În paricular, recerile prin zero ale ensiunii conraelecroooare dau indicaţii precise despre poziţia roorului şi po fi uilizae, în acelaşi od ca şi senalele de la raducoarele Hall, penru a realiza couarea ranzisoarelor de puere ale punţii (fig.5.39). Fig Măsurarea direcă a ensiunii conra-elecroooare PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

44 17 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Au fos proiecae şi realizae ule circuie inegrae ineligene, capabile să asigure coanda fără senzori de poziţie a servoooarelor de c.c. cu couaţie elecronică. În aces capiol va fi prezena, suar, circuiul ST7141K, un icroconroller de 8 biţi, care include funcţia de coandă a unui oor de c.c. fără perii, un converor analognueric, iere de 16 biţi şi o inerfaţă SPI. Aparţine failiei de icroconrollere ST7 [SGS-THOMSON], capabile să idenifice recerile prin zero ale ensiunii conraelecroooare, cu ajuorul unui paen al firei, care uilizează un grup de rezisenţe. Blocul de coandă a oorului, inegra în circuiele din failia ST7, poae fi rezua la un generaor de senale PWM, uliplexae pe şase canale, şi un deecor al recerilor prin zero ale ensiunii conra-elecroooare, penru coanda fără senzor de poziţie a unui oor de c.c fără perii, şi perie diferie regiuri de funcţionare: Conrolul secvenţelor de couaţie, cu reglarea ensiunii şi liiarea curenului; Conrolul secvenţelor de couaţie, cu reglarea curenului din înfăşurări, şi deci, cu conrolul direc al oenului oor; Conrolul couaţiei fazelor oorului, cu sau fără senzori de poziţie; Deecarea, cu înală precizie, a recerilor prin zero ale ensiunilor conraelecroooare. Coparaorul inegra penru ensiunea fazelor recepţionează direc, fără aenuare, înreaga ensiune conra-elecroooare. Po fi deecae nivele de până la 00 V, cu o înală iuniae la zgooe şi couarea auoaă înr-o gaă largă de vieze; Deecarea în ip real a deagneizării înfăşurării oorului, penru reglarea fină a inervalului de ip până la începerea oniorizării ensiunii conraelecroooare; Înârzieri auoae sau prograabile înre recerile prin zero ale ensiunii conraelecroooare şi couarea fazelor oorului. Câeva dinre principalele caracerisici ale blocului de coandă a oorului sun: Două coparaoare analogice, unul penru deecarea recerilor prin zero ale ensiunii conra-elecroooare, cu hyseresis de 100 V, alul penru reglarea şi liiarea curenului; Posibiliaea selecării unuia dinre paru ensiuni de referinţă penru coparaorul de hyseresis: 0. V, 0.6 V, 1. V,.5 V; Tier de 8 biţi, cu două regisre de coparare şi două regisre de capură; Regisru de prescalare auo-calibraa cu 16 paşi de divizare; Muliplicaor de 8 x 8 biţi; Muliplexor penru inrările fazelor; Manageen sofisica al ieşirilor: - Cele şase canale de ieşire po fi îpărţie în două grupe (ipar & par); - Senalele PWM po fi uliplexae în grupe de senale ipare, pare sau cobinae, alernaiv sau siulan; - Polariaea canalelor de ieşire poae fi prograaă, canal cu canal; - Un bi gesiona prin sofware forţează ieşirile în sarea de înală ipedanţă (HiZ); - Un pin de inrare eergency sop forţează, asincron, ieşirile în HiZ. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

45 5. Sisee de acţionare Profiluri de vieză şi rapoare de ransiere opie, în cazul acţionărilor cu ooare de c.c Opiizarea profilurilor de vieză Acţionările cu ooare de c.c., forae din oor, ecanis de acţionare şi sarcină (fig.3.11), vor consiui suporul penru deonsrarea odului în care po fi deduse, cu uşurinţă, anuie concluzii legae de un profil de vieză ai favorabil sau de un rapor de ransiere/pareru al ecanisului de acţionare, care ese opi, dinr-un anui punc de vedere. Cele două ecuaţii de la care pornesc deducţiile, caracerizează, pe de o pare un oor de c.c., penru care oenul oor ese proporţional cu curenul elecric absorbi de înfăşurare (5.13), iar, pe de ală pare expriă caniaea de căldură disipaă în înfăşurare prin efec Joule-Lenz: M ( ) = k I ( ). (5.15) c Q = R I ( ) d. (5.16) 0 f În ecuaţia (5.16) s-a noa cu R f rezisenţa înfăşurării şi s-a lua în considerare căldura disipaă pe parcursul ipului c, corespunzăor unui ciclu de acţionare. Înlocuind I() din (5.15) în (5.16) se obţine: Q = M ( ) R f ( ) d = M ( ) d, (5.17) k k c c 0 R f şi considerând că oenul oor ese uiliza penru accelerarea aselor inerţiale (concenrae în oenul de inerţie redus, J r ) şi învingerea forţelor şi oenelor rezisene, reduse la axul oorului sub fora oenului rezisen redus, M r : se obţine, în final: 0 M ) = J ε ( ) + M, (5.18) ( r r R Q = k R + k f f ( J c c ( J 0 0 r r ε ε ( ) + M R ( ) d + k r ) f d = M r R k f c. c ( J 0 r ε ( ) d + (5.19) Diagraele acceleraţiilor unghiulare penru oae profilele de vieză: riunghiular, rapezoidal şi parabolic, sudiae în capiolul 3, au câe o zonă poziivă şi una negaivă, perfec sierice (fig.3.17 a şi b, 3.18, a), asfel încâ al doilea eren din dreapa PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

46 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE 174 relaţiei (5.19) va fi zero, deoarece inegrala corespunde cu suprafaţa de sub curba acceleraţiei unghiulare. Cele rei profile po fi apreciae pe baza priului eren din dreapa relaţiei. În cazul profilului riunghiular, acceleraţia dedusă în capiolul 3, are expresia (relaţiile 3.37):, 4 ) ( c ri θ ε = care înlocuiă în (5.19) conduce la: ). 16 ( ) 4 ( ( 3 0 c r c r f c r f c r f ri M J k R M k R d J k R Q c + = + = θ θ (5.0) Penru profilul rapezoidal acceleraţia penru cele două paliere de accelerare şi decelerare, fiecare cu duraa c /3, are valoarea (vezi relaţiile 3.38):, 9 ) ( c ra θ ε = iar căldura disipaă va fi: ). 7 ( ) 9 ( ( 3 3 / 0 c r c r f c r f c r f ri M J k R M k R d J k R Q c + = + = θ θ (5.1) În sfârşi, în cazul profilului parabolic acceleraţia ese o funcţie liniară de ip (relaţiile 3.43):, 6 6 ) ( 3 c c par θ θ ε + = care înlocuiă în ecuaţia (5.19) conduce la: ). 1 ( ) 6 6 ( ( c r c r f c r f c c r f ri M J k R M k R d J k R Q c + = + + = θ θ θ (5.) Relaţiile (5.0), (5.1) şi (5.) po fi concenrae înr-o singură expresie: ), 1 ( 3 c r c r f M J k R Q + = θ η (5.3) în care η poae fi inerprea ca un randaen al disipării de căldură şi are valorile: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

47 5. Sisee de acţionare 175 η = 1 penru profilul parabolic; η = 1/13,5 = 0,89 penru profilul rapezoidal; η = 1/16 = 0,75 penru profilul riunghiular. Profilul parabolic ese cel ai favorabil, dar dificil de coanda, în schib profilul rapezoidal ese ul ai avanajos, din puncul de vedere sudia, decâ cel riunghiular Opiizarea paraerilor ecaniselor de acţionare Mecanis cu reducor (fig.3.15) Valorile opie ale paraerilor ecaniselor de acţionare, care se inerpun înre oor şi sarcină, po fi deduse, din punc de vedere al unei energii erice inie, disipae în înfăşurarea oorului, prin paricularizarea forulei (5.3) penru un anui ip de ecanis. Asfel, penru ecanisele cu reducor ecanic se po scrie relaţiile (vezi capiolul 3): J J L M L = J + ; θ i ; M, = θ L r (5.4) i i r = în care cu indicele L (Load = sarcină) s-au noa oenul de inerţie, vieza unghiulară şi oenul rezisen la axul sarcinii, iar cu indicele (oor), oenul de inerţie şi vieza unghiulară ale oorului. Înlocuind relaţiile (5.4) în (5.3) se obţine: Q = k ( J 1 ( η J + ) i θ L 1 + M L i L f i 3 c c R ). (5.5) Se va considera că siseul nu ese solicia de un oen rezisen (M L = 0) şi se va căua un ini al funcţiei (5.5), în funcţie de i, respeciv o rădăcină a priei derivae dq/di: dq di d 1 = 0 ( J i + J J L + J L di i ) = 0 (5.6) În ecuaţia (5.6) nu s-au ai scris coeficienţii care sun consideraţi consanţi, în rapor cu i. Rezolvarea ecuaţiei conduce la soluţia: J L i opi =. (5.7) J PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

48 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE 176 Mecanise cu ransiere angenţială a işcării (fig.3.13) Sun ecanisele cu: pinion-crealieră; pinion-curea dinţaă; roţi cu fricţiune; cu role şi cabluri; cu roaă de lanţ-lanţ ec., penru care se po scrie relaţiile:, ; ; p L r p L p L r R F M R d R J J = = + = θ (5.8) unde R p ese raza pinionului (roţii) de anrenare, L asa deplasaă înr-o işcare de ranslaţie, de cursă d L, iar F L forţa rezisenă care acţionează asupra asei L. Cu valorile (5.8), relaţia (5.3) va avea fora: ). ) ( 1 ( 3 c p L c p L p L f R F R d R J k R Q + + = η (5.9) Se consideră forţa rezisenă, F L, egală cu zero şi se cauă un ini al funcţiei, respeciv o rădăcină a derivaei în rapor cu R p : 0, ) ( 0 = + + = p L L p p p R J J R J dr d dr dq (5.30) cu soluţia:. L opi p J R = (5.31) Mecanis şurub-piuliţă (fig.3.14) În aces caz se po scrie relaţiile:. ; ; ) ( π π θ π p F M p d p J J L r L L r = = + = (5.3) Se observă că relaţiile (5.3) sun siilare cu (5.8), cu excepţia fapului că raza R p ese înlocuiă cu raporul p/π, asfel încâ calculele conduc la un rezula aseănăor cu (5.31):. ) ( L opi J p = π (5.33) din care se poae deduce pasul opi, p, penru şurub, din punc de vedere al caniăţii de căldură disipae în oor. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

49 5. Sisee de acţionare Acuaori piezoelecrici Perforanţe, avanaje, doenii de uilizare Penru realizarea funcţiilor şi perforanţelor ipuse unui sise ecaronic, proiecanţii rebuie să ia în consideraţie şi să uilizeze sisee de acţionare dinre cele ai diverse şi neconvenţionale, capabile să suroneze liiele de perforanţă şi ipleenare ale acţionărilor clasice, cu ooare elecrice, hidraulice, pneuaice ec. În capiolul, cu ocazia prezenării unor exeple de sisee ecaronice, s-au făcu unele referiri succine la: Acuaori piezoelecrici fig..3 uilizaţi penru coanda injecţiei la ooarele Diesel; Acuaori elecrochiici, folosiţi penru expandarea air-bag-urilor (vezi subcapiolul.1); Muşchi arificiali, uilizaţi penru funcţiile de locooţie şi anipulare la roboţii uanoizi; Acuaori cu eorie a forei, uilizaţi penru acţionarea degeelor unei âini ecanice (fig..). Palea acţionărilor neconvenţionale ese ul ai aplă şi se exinde în peranenţă, incluzând, în afara celor enuerae ai sus, şi acuaorii elecrosaici, acuaorii elecro-şi agneoreologici, acuaorii agneosricivi ec. De ule ori cele ai neaşepae şi neconforise soluţii po conduce la succesul unui produs ecaronic. În aces subcapiol se vor dealia câeva aspece legae de acuaorii piezoelecrici, care po consiui, în ule cazuri, cea ai bună soluţie de acţionare, daoriă unor perforanţe rearcabile, cu ar fi: - Rezoluţie eoreic neliiaă, care pracic coboară sub liia unui nanoeru; cele ai ici odificări ale ensiunii de alienare sun ransforae în işcări liniare, fără saluri (praguri); - Dezvolarea unor forţe de acţionare foare ari. Po poziţiona sarcini ai ari de N în liia a cc. 100 µ, cu precizii de ordinul icroerilor; - Tipi de răspuns sub o ilisecundă; Alungirea unui acuaor piezoelecric ese liiaă nuai de vieza de propagare a suneului în aerialele ceraice. Po fi obţinue acceleraţii de câeva ii de ori ai ari decâ acceleraţia graviaţională. - Absenţa eleenelor în işcare, şi, iplici, a frecărilor şi a jocurilor. Alungirea unui acuaor piezoelecric se bazează nuai pe deforaţia solidului şi nu prezină sene de îbărânire. Tesele de anduranţă au dovedi că nu exisă odificări în funcţionare după 500 de ilioane de cicluri de alungire; - Consu de puere foare ic. Efecul piezo convereşe direc energia elecrică în işcare liniară. Eleenul de acţionare absoarbe energie nuai în ipul alungirii, când consuă un curen elecric penru încărcare. - Absenţa câpurilor agneice ec. Acese avanaje au ipus uilizarea acuaorilor piezoelecrici înr-un are nuăr de doenii: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

50 178 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Mecanică fină şi inginerie ecanică Scule de ajusare şi exruziune; corecţia uzurii sculelor în conrolul aciv; conrolul duzelor de injecţie; icropope; ciocane piezo; sisee de icrogravare; sisee penru absorbţia acivă a vibraţiilor; icro- şi nanoroboţi. Opică şi sisee de ăsurare Poziţionarea şi scanarea rapidă a oglinzilor; holografie; inerferoerie; baleiere cu fascicule laser; poziţionarea fibrelor opice; sabilizarea iaginii; auofocalizare; opică acivă şi adapivă. Medicină Microanipulare şi icrochirurgie; penerarea celulelor; dispoziive penru icrodozare; siulare fiziologică; generarea de şocuri. Microelecronică Poziţionarea ăşilor; icroliografie; sisee de invesigare şi conrol Principiile de bază ale acuaorilor piezoelecrici Un acuaor piezoelecric ese un eleen de poziţionare, conrola elecric, care funcţionează pe baza efecului piezoelecric. Efecul direc, uiliza, de exeplu, în cazul senzorilor de forţă piezoelecrici [DUM96a], presupune generarea unor sarcini elecrice ca efec al soliciărilor ecanice. În cazul acuaorilor se uilizează efecul invers, respeciv un câp elecric, paralel cu direcţia de polarizare, deerină o alungire a aerialului crisalin, după aceeaşi direcţie. Câpul elecric generează un cuplu asupra dipolilor elecrici din srucura aerialului, care produce o aliniere a acesora de-a lungul câpului şi, în consecinţă, o schibare a lungiii regiunilor onocrisaline (fig.5.40). Înrucâ aerialele onocrisaline naurale, cu ar fi cuarţul, uralina, sarea Rochelle ec. prezină efece piezoelecrice de ică aploare, au fos dezvolae aeriale ceraice policrisaline, cu ar fi plubzircona-iana (PZT), cu propieăţi piezoelecrice superioare. Ceraicile PZT se produc înr-o gaă largă de variane şi reprezină aerialele de bază penru acuaorii piezoelecrici. Inforaţiile prezenae despre acuaorii piezoelecrici sun sineizae din docuenaţia firei Physik Insruene [PI], una dinre cele ai iporane în doeniu. Ea produce PZT-uri de joasă şi înală ensiune. În ip ce eleenele de înală ensiune necesiă ensiuni de lucru de până la 1000 V, penru a obţine o alungire axiă, cele de joasă ensiune po realiza aces lucru cu ensiuni de până la 100 V. Se va adopa, în coninuare, prescurarea PZT şi penru denuirea unui piezoranslaor, respeciv un acuaor piezoelecric, care se alungeşe când ese supus unui câp elecric. Alungirea axiă a unui PZT depinde de aerialul ceraic uiliza, de lungiea lui, L [], de inensiaea câpului elecric, E [V/] şi de forţa, F [N], care acţionează asupra lui: Modificarea lungiii, L [], poae fi expriaă cu ajuorul relaţiei: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

51 5. Sisee de acţionare 179 F F L = E. d i. L0 + = L0 +, (5.34) j c c unde d ij [/V] reprezină o consană a aerialului, dependenă de direcţia după care se realizează alungirea, iar c T [N/] ese consana elasică a aerialului. T T Fig.5.40 Alinierea dipolilor înr-un câp elecric Alungirea axiă ese liiaă de inensiaea câpului elecric la care poae fi supus acuaorul, fără să fie disrus de şocurile de ensiune. Liiele sun siuae înre 1 KV/. Cu aerialele ceraice uilizae se po obţine odificări relaive ale lungiii de 0,10 0,13%, asfel încâ, de exeplu, penru un PZT în sivă, cu lungiea de 100, alungirea axiă va fi de 130 µ Alungirea unui PZT supus unor soliciări exerne Un PZT ese un corp elasic cu o anuiă rigidiae, la fel ca orice al solid. Dacă asupra lui acţionează o forţă F, el va fi copria cu L n = F/c T. Consana elasică a unui anui PZT se regăseşe în abelul produsului respeciv din caalogul de firă. Po fi luae în considerare două cazuri disince de coporare a unui PZT sub sarcină: a. Sarcină consană (F = consan) parea de sus în fig În aceasă siuaţie sarcina ese o greuae, F = M.g, care răâne consană pe parcursul procesului de alungire. Înrucâ capaciaea de alungire a PZT nu ese afecaă de sarcină, alungirea axiă va fi aceeaşi, L 0, ca în cazul când PZT nu ese solicia ecanic (în sare liberă), dar puncul zero al doeniului de poziţionare se va deplasa în jos cu valoarea L n = F/c T. b. Sarcină variabilă (F = F ( L)) parea de jos în fig În aces caz, forţa care soliciă PZT ese dependenă de alungire. Toae aplicaţiile în care un eleen de poziţionare acţionează asupra unui resor sau a unui peree elasic se încadrează în aceasă caegorie. Cu câ obsacolul elasic (resorul) ese ai rigid, cu consana elasică, c S, ai are, cu aâ se reduce cursa PZT. Alungirea efecivă a PZT va fi: PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

52 180 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE c T L = L 0 < L 0. (5.35) c + c T S Fig.5.41 Cazuri de soliciare a unui PZT Figura 5.41 perie o consaare iporană: alungirea unui PZT nu urăreşe o variaţie liniară în funcţie de ensiunea de alienare, ci închide o curbă de hyserezis (curbele A şi B din fig.5.41), cu valori diferie când ensiunea creşe sau descreşe. Fenoenul de hyserezis ese deerina de efecele de polarizare crisalină (fig.5.40, poziţiile şi 3) şi efecele oleculare şi are valori axie cuprinse înre 10 15% din cursa coandaă. Sun erori de ordinul icroerilor, care po fi nesenificaive în anuie aplicaţii, dar iporane în alele, cazuri în care ipune un conrol în buclă închisă (closed-loop) a alungirii PZT, cu o reacţie după poziţie Regiul dinaic al acuaorilor piezoelecrici Un acuaor piezoelecric poae realiza alungirea noinală înr-un ip egal cu aproxiaiv o reie din perioada corespunzăoare frecvenţei sale de rezonanţă. Sun PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

53 5. Sisee de acţionare 181 posibili ipi de răspuns de ordinul icrosecundelor şi acceleraţii ai ari de g (g acceleraţia graviaţională), perforanţe care ipun uilizarea PZT la valve de injecţie, valve hidraulice, opică adapivă, couaoare opice ec. Frecvenţa de rezonanţă a unui PZT nesolicia, variază de la câeva zeci de KHz penru curse de ordinul icroerilor şi câţiva KHz penru curse ai ari de 100 µ. O asă suplienară va reduce frecvenţa de rezonanţă cu o valoare în care inervine rădăcina păraă a asei: f 0 1 ct =. (5.36) π eff Valoarea asei efecive, eff, poae fi dedusă din figura 5.4, penru un PZT neîncărca, de asă şi un PZT solicia de un corp de asă M. Po fi ineresane câeva consideraţii legae de consuul de puere al PZT. Un PZT funcţionează siilar cu un capacior. Înrucâ pierderile în dielecric ale unui aerial ceraic sun foare ici (rezisenţe de circa 10 MΩ), un PZT nu consuă, pracic, energie în regi saic şi nu disipă căldură. În regi dinaic consuul de puere creşe, liniar, în funcţie de frecvenţă şi capaciaea PZT. De exeplu, un PZT cu curse de 15 µ şi sarcină de 10 kg consuă câţiva waţi când ese folosi în regi dinaic cu frecvenţe de 1000 Hz, în ip ce un PZT care anevrează sarcini de câeva one, cu aceeaşi frecvenţă, va consua câeva sue de waţi. Fig. 5.4 Cazuri şi forule penru calculul aselor efecive Conrolul PZT Daoriă efecului de hyserezis, alungirea efecivă a unui piezo-ranslaor nu ese cunoscuă cu exaciae, înrucâ, de exeplu, penru un anui PZT alungirea ese de PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

54 18 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE 4,5 µ la creşerea ensiunii de la 0 la 50 V şi de 5,5µ la scăderea ensiunii de la 100 la 50 V. Aceasă eroare de poziţionare, daoraă hyserezis-ului aerialului ceraic, poae fi nesenificaivă în cazul anuior aplicaţii, care po presupune o coandă în buclă deschisă, fără o reacţie după poziţie, dar iporană în ale siuaţii, în care se ipune ăsurarea deplasărilor PZT cu ajuorul unor senzori de poziţie adecvaţi şi coanda ensiunii de alienare a PZT, asfel încâ să se realizeze cu exaciae poziţia ipusă a eleenului acţiona. În figura 5.43, alungirea PZT ese ăsuraă cu ajuorul unor raducoare elecro-ensoerice rezisive, onae înr-o pune ensoerică, al cărei senal de dezechilibru ese aplifica, filra şi copara cu senalul de referinţă, înr-un aplificaor diferenţial, a cărui ieşire coandă ensiunea de alienare a PZT. Fig.5.43 Conrolul PZT cu senzor penru ăsurarea alungirii Soluţii consrucive penru PZT În figura 5.44 sun prezenae câeva dinre varianele consrucive ale PZT. Srucura de ip sivă din figura 5.44, a, ese uilizaă preponderen în cazul acuaorilor piezoelecrici de înală ensiune, fiind consiuiă din discuri ceraice cu grosii de 0,4 1, lipie înre ele cu răşini epoxidice şi separae de exerior cu aeriale izolane, capabile să rezise la ensiuni înale. Se observă că direcţia de alungire coincide cu direcţia câpului elecric, consana piezoelecrică, d 33, având valoarea axiă, în rapor cu ale consane, d ij, ale aerialului. În forula scrisă sub figură, n reprezină nuărul de discuri ale sivei, iar U ensiunea de alienare a PZT. În figura 5.44,b ese prezenaă o consrucţie lainară, configuraă din plăci ceraice subţiri. Alungirea se realizează după o direcţie perpendiculară pe cea a câpului elecric, asfel încâ în calculul aceseia inervine consana piezoelecrică d 31, care are valoarea: d 31 ½ d 33. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

55 5. Sisee de acţionare 183 Cursa axiă ese deerinaă, în aces caz, doar de lungiea, L, a plăcilor, în ip ce nuărul de plăci onae în paralel deerină nuai rigidiaea şi sabiliaea acuaorului. Şi în cazul consrucţiei în foră de ub cu pereţi subţiri, din aerial ceraic copria, din figura 5.44, c, alungirea şi câpul elecric au direcţii perpendiculare, fiind senificaivă consana piezoelecrică d 31, de valoare ai ică. Înrucâ nu po fi onae în paralel ai ule uburi, sarcinile suporae de aces ip de PZT sun ici. Fig.5.44 Variane consrucive ale PZT [PI] PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

56 184 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Consrucţiile hibride din figurile 5.44, d şi e uilizează sisee ecanice cu pârghii penru aplificarea cursei PZT, puând exinde cu până la zece ori doeniul de lucru. Esenţial ese ca siseul ecanic să nu influenţeze precizia PZT, prin jocuri şi uzuri. Pârghiile nu presupun ariculaţii fizice, ci deforaţii elasice, daorae încovoierii, a aerialelor din care sun realizae. În sfârşi, consrucţia din figura 5.44, f, funcţionează pe un principiu aseănăor celui unei lae biealice, care se arcuieşe odaă cu odificarea eperaurii. Un eleen piezo biorf consă dinr-un arc ealic şi un PZT. Alungirea PZT, la aplicarea unui câp elecric, deerină încovoierea srucurii biorfe. Po fi realizae şi srucuri ai coplexe, care iplică ai ule PZT Acuaor piezoelecric oscilan: Ellipecoor [Ellipec ] Acţionările bazae pe principiul piezoelecric po prezena şi variane care asigură işcări de roaţie sau poziţionări pas cu pas. În [BRA91] ese prezena un oor penru acţionarea ecanisului de poziţionare a lenilelor siseului de auofocalizare la o caeră foo, Canon. O serie de eleene piezoelecrice, dispuse de-a lungul circuferinţei unui disc, şi alienae, succesiv, cu ensiune, se dilaă şi se conracă, generând o undă de deforaţie a discului, în sens orar sau ani-orar, în funcţie de succesiunea de ransiere a ipulsurilor. Aceasă undă de deforaţie deerină deplasarea roorul oorului, care prinr-un ecanis cu caă poziţionează lenilele. Se va prezena, ai dealia, acuaorul produs de fira Ellipec AG [Ellipec], recoanda penru aplicaţii în indusrie, opică, aparaură edicală, biroică, auoaizări casnice, auoobile, jucării ec. Fig.5.45 Principiul de funcţionare a acuaorului piezoelecric oscilan Principiul de funcţionare poae fi explica cu ajuorul figurii Un eleen piezoelecric, ulisra, ese ona pe un rezonaor de 0, din aluiniu, şi excia cu ipulsuri de ensiune, de frecvenţă adecvaă, generează oscilaţii ecanice, care sun aplificae de rezonaor, asfel, încâ, oorul va execua o işcare după o PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

57 5. Sisee de acţionare 185 raiecorie elipică, în doeniul icroerilor. Rezonaorul ese susţinu de un resor elasic, având rolul de generare a forţei de conac dinre rezonaor şi eleenul acţiona. La o frecvenţă a ipulsurilor de exciaţie de 98 KHz, rezonaorul va angrena, prin fricţiune, de de ori pe secundă cu eleenul obil, deerinând o işcare lină, cu câţiva icroeri, la fiecare ipuls (fig.5.46). Direcţia işcării ese deerinaă de frecvenţa ensiunii pulsaorii (aproxiaiv 83 KHz penru o direcţie şi 98 KHz penru direcţia inversă). a) b) Fig.5.46 Realizarea işcărilor: a) ranslaţie; b) roaţie Principalele dae ehnice ale acesui ip de acuaor: - Forţe de acţionare de 0,5 N şi forţe de enţinere > 1 N; - Vieze înre /s, reglabile coninuu; - Mişcări liniare şi roaive, fără liie ale curselor; - Tensiune de lucru de 6 8 V, care poae fi exinsă, opţional, înre,4 V (penru alienarea cu baerie) şi 30 V; - Consu de curen înre 0 şi 50 A, proporţional cu vieza; - Greuae 1, g ; lăţie 3 (8), înălţie 3 ; - Lungii ici ale paşilor < 10 µ, funcţionare siilară unui oor pas cu pas; - Frecvenţa de lucru KHz, cu un singur eleen piezo penru abele sensuri de deplasare. Scheele de coandă sun foare siple (fig.5.47) şi necesiă un singur senal, cu ipulsurile de exciaţie, din parea procesorului nueric. Abele schee presupun alienarea cu câe o sei-pune, dar cea din parea inferioară are inclusă şi o bobină, care reduce consuul de energie, iporan în cazul alienării de la baerie. Sun rearcabile ensiunile reduse la care funcţionează aces acuaor piezoelecric. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version

58 186 BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE Fig.5.47 Coanda piezoacuaorului oscilan 5.5 Acuaori cu eorie a forei Acuaorii realizaţi din aliaje cu eorie a forei (în engleză Shape-Meory Alloys (SMAs), în franceză alliages à éoire de fore, în gerană Forgedächnis Legierungen ) reprezină o ală caegorie de eleene de acţionare neconvenţionale, care po oferi soluţii ingenioase şi eficiene penru siseele ecaronice, uneori iposibil de realiza cu ale ipuri de sisee de acţionare. Fenoenul a fos rearca pria daă în anul 193 de un cerceăor suedez, care l-a consaa la un aliaj din aur-cadiu. O nouă redescoperire a avu loc în anii 1950 pe un şanier naval din S.U.A., unde plăci curbae din aliaj de nichel-ian, care rebuiau sudae, s-au îndrepa, ainind-şi de vechea foră. De aceasă daă descoperirea a arca începuul uilizării aliajelor din Ni-Ti (sau Niinol), dar şi pe bază de cupru (CuZnAl, CuAlNi, CuAlBe) penru realizarea de acuaori, în cele ai diferie şi rearcabile aplicaţii. Denuirea aliaje cu eorie a forei desenează o clasă de aeriale care sun capabile să anifese efecul de eorare a forei (Shape Meory Effec SME): după o deforare peranenă la eperauri joase, revin la fora lor iniţială, nedeforaă, aunci când sun încălzie. Aceasă proprieae se daorează unei ransforări de fază solidă-solidă, nuiă ransforare arensiică, care se produce înre o fază (auseniică, noaă cu A) la eperaură înală, T > A f, şi o fază la eperaură joasă, T < M f, (faza arensiică, noaă cu M) (fig.5.48). Transforarea A M ese eroelasică, deci se realizează fără o odificare de volu şi nu ese insananee, exisând un doeniu de eperaură în care cele două faze coexisă. PDF creaed wih pdffacory Pro rial version