Cap I

Constructia si functionarea motoarelor pas cu pas

In multe dintre aplicatiile tehnice se astazi se prefera utilizarea unor sisteme de actionare electrice care utilizeaza motoare pas cu pas. Motorul pas cu pas (denumit uneori si motor sincron cu impulsuri), transforma impulsurile electrice de tensiune in deplasari unghiulare discrete. La primirea unui impuls rotorul motorului isi schimba pozitia cu unghi bine precizat, functie de impuls. Unghiul minim de deplasare al rotorului este denumit pas. Motoarele pas cu pas permit realizarea unor sisteme auotmate de tip discret care nu au nevoie de legaturi inverse, deoarece stabilesc o corespondenta directa riguros univoca intre informatia primita si deplesarea unghiulara realizata. Generalitati (constructie si functionare, clasificare, definitii) Motorul electric pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizeaza conversia impulsurilor de comanda aplicate fazelor motorului ntr-o miscare de rotatie ce consta din deplasari unghiulare discrete, de marime egala care reprezinta pasii motorului. Numarul pasilor efectuati trebuie sa corespunda, n cazul unei functionari corecte, cu numarul impulsurilor de comanda aplicate fazelor motorului. Majoritatea MPP sunt bidirectionale si permit o accelerare, oprire si inversare rapida fara pierderi de pasi, daca sunt comandate cu o frecventa inferioara frecventei limita corespunzatoare regimului respectiv de functionare. Pentru extinderea functionarii motoarelor pas cu pas la viteze mai mari dect viteza corespunzatoare frecventei limita, este necesara o accelerare prin cresterea treptata a frecventei impulsurilor de comanda. MPP sunt utilizate in special n aplicatiile unde se doreste realizarea unei miscari incrementale, folosind sisteme de comanda numerica.

Avantajele utilizarii MPP sunt urmatoarele. - asigura univocitatea conversiei impuls-deplasare si pot fi utilizate n circuit deschis; gama larga de frecvente de comanda;

- precizie si rezolutie (numar de pasi pe rotatie) mari, ceea ce simplifica lantul cinematic motor-sarcina permit porniri, opriri, inversari, fara pierderi de pasi;

-

memoreaza pozitia; sunt compatibile cu tehnica numerica.

Dezavantajele utilizarii MPP sunt: - unghi de pas, deci increment de rotatie, de valoare fixa pentru un motor dat - randament scazut; - capacitate limitata n ceea ce priveste actionarea unor sarcini cu inertie mare - viteza de rotatie relativ scazuta; - necesita o schema de comanda adaptata la tipul constructiv respectiv si relativ complexa, pentru asigurarea unei functionari la viteze mari. Dezvoltarea relativ recenta a MPP, precum si interesul manifestat fata de aceste motoare au determinat dezvoltarea unei game largi de tipuri de MPP. 1 Clasificarea constructiva a motoarelor pas cu pas Din punct de vedere constructiv, MPP poate fi de tipul: solenoidal, cu reluctanta variabila, cu magnet permanent n stator, cu magnet permanent in rotor, cu magnet permanent si reluctanta variabila (hibrid), electromecanic sau, pentru cupluri mai mari, electro-hidraulic. Acesta reprezinta o combinatie ntre un MPP si un amplificator hidraulic. 1.1 MPP de tip solenoidal Consta ntr-un electromagnet care pune n miscare o armatura mobila, ce este legata cinematic cu un cuplaj de sens unic. Cuplajul de sens unic poate fi cu bile sau cu mecanism cu clichet. Cnd se alimenteaza nfasurarea electromagnetului, clichetul este atras pe un dinte al arborelui de iesire, iar atunci cnd nfasurarea electromagnetului nu mai este alimentata, un arc de revenire roteste arborele cu un pas. Un al doilea clichet mpiedica rotirea arborelui n directia opusa. nfasurarea electromagnetului poate fi alimentata fie n curent continuu, fie n curent alternativ. Avantajele acestui motor sunt : dezvolta un cuplu relativ mare; la efectuarea pasului nu apar oscilatii;

-

nu necesita alimentarea nfasurarilor pentru crearea cuplului de mentinere.

Dezavantaje: are o functionare zgomotoasa; frecventa de executie a pasilor este redusa prezinta uzura a pieselor n miscare; motorul este unidirectional.

magnetic sa prezinte reluctanta magnetica minima, adica dintii statorici si cei rotorici sa fie aliniati radial. Comutnd alimentarea pe faza urmatoare se realizeaza o rotatie a rotorului, si o deplasare a dintilor rotorici fata de cei statorici, astfel nct nu vor mai fi aliniati. Apare astfel un cuplu electromagnetic reactiv, care mareste unghiul de decalaj ntre pozitia dintilor statorici si rotorici. Prin cresterea cuplului electromagnetic se atinge un maxim, dupa care cuplul scade din nou la zero. Aceasta reprezinta pozitia instabila, cnd dintii rotorici sunt aliniati ntre cei statorici (fig.2). Statorul si rotorul MPP polistatorice au acelasi numar de dinti. Toate pachetele statorice sunt fixate mecanic n aceeasi carcasa, dar sunt independente din punct de vedere electric si magnetic. Pachetele rotorice sunt de asemenea fixate mecanic pe acelasi arbore, dar sunt separate din punct de vedere magnetic.

Fig. 2

MPP cu reluctanta variabila are o larga utilizare si se caracterizeaza prin urmatoarele avantaje: - seccventa maxima de comanda atinge limite relativ mari si deci se pot realiza viteze mari; - constructie mecanica simpla; - poate fi realizat pentru o gama larga de unghiuri de pas; - este bidirectional, deci are un numar de faze mai mare sau egal cu trei;

Dezavantajele MPP cu reluctanta variabila sunt: - nu memoreaza pozitia si nu dezvolta cuplu electromagnetic n lipsa curentului de comanda din fazele statorice; MPP cu reluctanta variabila se realizeaza cu trei si patru faze, mai rar cu cinci faze. MPP cu patru faze, spre deosebire de cele cu trei faze, sunt mai rapide, prezinta oscilatii mai reduse la efectuarea pasilor, au o stabilitate mai buna n regim dinamic si dezvolta un cuplu mai mare la alimentarea n secventa dubla.

MPP se pot executa cu rezistente mici sau cu rezistente mari ale nfasurarilor fazelor, fiecare caz n parte avnd anumite avantaje si

dezavantaje, n functie de cazul concret de utilizare.

MPP cu rezistenta pe faza marita prezinta urmatoarele avantaje: - dispozitivul electronic de comanda este mai simplu si deci mai ieftin; - constanta de timp a fazelor, egala cu raportul L/R, este mai mica, ceea ce permite o functionare la frecvente de comanda mai mari; - greutatea motorului este mai mica.

Dezavantajele sunt: pierderi mari prin caldura dezvolta n nfasurarile fazelor; capacitatea redusa de ncarcare din punct de vedere al cuplului.

MPP cu rezistenta mica a nfasurarilor fazelor au urmatoarele avantaje: - cuplul dezvoltat este constant, indiferent de temperatura, daca sunt alimentate la curent constant pe faze; - disiparea de caldura pe fazele motorului este mica; - sistemul de comanda are randament mai bun, daca se foloseste alimentarea cu curent constant pe faza; - n cazul alimentarii cu fortarea curentului prin tensiune, se obtin cupluri si viteze mai mari.

Dezavantaje: - viteza de functionare este limitata, n cazul alimentarii cu curent nominal; - n cazul fortarii curentului, este necesar un sistem de protectie la supracurent 1.3. MPP cu magneti permanenti n stator

Aceste motoare se obtin prin nlocuirea nfasurarilor de excitatie cu magneti permanenti. In figura 4 este prezentata o sectiune printr-un astfel de motor. Fluxul de excitatie constant al magnetilor permanenti depinde de pozitia rotorului datorita decalajului cu + a permeantei magnetice corespunzatoare la doi poli vecini, care formeaza o faza. Decalajul zonelor dintate a doi poli separati de magnet este +/2. Caracteristic, pentru MPP cu magneti permanenti si nfasurari de comanda montate pe stator este faptul ca zonele dintate sunt saturate de fluxul total, ceea ce duce la micsorarea coeficientului de utilizare a magnetilor. Avantajul acestui motor consta n faptul ca memoreaza pozitia fara ca fazele sa fie alimentate. Dezavantajul principal consta n aceea ca este unidirectional, frecventa limita de comanda este scazuta, iar o modificare a proprietatilor magnetului permanent i afecteaza performantele. 1.4 MPP cu magneti permanenti n rotor

O varlanta inversa a tipului de motor prezentat anterior este cea din figura 5.

Fig 5 Aceste motoare au n rotor un magnet permanent care magnetizeaza rotorul radial. Fazele pot fi dispuse pe rotor, ca in figura 5 sau pe stator.

Cnd se alimenteaza fazele de comanda, se creeaza un flux ce interactioneaza cu fluxul magnetului permanent, ceea ce face ca rotorul sa ocupe o pozitie ce corespunde reluctantei minime a circuitului magnetic. Avantajele acestui motor sunt: dezvolta un cuplu de fixare a rotorului, chiar cu fazele nealimentate; mai mica; energia introdusa din exterior prin dispozitivul de comanda este

- din cauza prezentei magnetului permanent, rotatia arborelui de iesire la fiecare pas are un caracter amortizat.

Dezavantajele principale ale acestui motor sunt: - performantele motorului sunt afectate de schimbarile caracteristicilor magnetilor; tensiunea electromotoare indusa n fazele de comanda este mare.

La ambele variante de MPP prezentate, cu magnet n stator si cu magnet n rotor, alimentarea fazelor se face cu impulsuri de polaritate alternanta. Acest lucru implica anumite dificultati in realizarea dispozitivului de comanda. Din aceasta cauza s-a recurs la alte variante de MPP cu doua statoare si doua rotoare si cu magnet magnetizat axial si plasat n stator sau rotor. Acest MPP se numeste si motor hibrid cu magnet permanent si reluctanta variabila.

1.5. MPP hibrid cu magnet permanent si reluctanta variabila Acest motor are doua pachete stator-rotor. Cele doua pachete statorice sunt fixate n aceeasi carcasa, iar rotoarele sunt solidare pe acelasi arbore. ntre cele doua rotoare este plasat un magnet permanent cilindric magnetizat axial. Se poate construi si un MPP inversat, n care magnetul permanent cilindric sa fie plasat intre pachetele statorice. Acest motor prezinta urmatoarele avantaje: - n absenta alimentarii fazelor prezinta un cuplu de mentinere a rotorului; - are un randament bun, datorita energiei nmagazinate n magnetul permanent

din stator sau rotor; - poate functiona cu o frecventa mare de comanda.

Ca dezavantaje, se pot aminti: -inertia mare a rotorului; -performantele motorului sunt afectate de schimbarea caracteristicilor magnetului permanent.

Pe baza aceluiasi principiu de functionare s-au realizat si MPP hibride, cu magnet si reluctanta variabila, dar care executa o miscare liniara de deplasare.

1.6. Alte tipuri de MPP

Exista MPP cunoscute sub numele de MPP electromecanic si MPP electrohidraulic . Primul are constructie unitara, compacta, ce consta dintr-un circuit electromagnetic si un sistem de transmisie armonica, ce mareste cuplul de iesire si reduce pasul motorului la valori foarte mici.

Avantajele MPP din aceasta categorie sunt:

-

pot antrena sarcini inertiale mari;

-

functioneaza la frecvente de comanda mari;

-

prezinta oscilatii mici la efectuarea pasilor;

mici.

se pot executa astfel de motoare cu unghiuri de pas extrem de

Dezavantaje:

-

viteza de rotatie mica;

-

uzura mecanica a angrenajelor

Posibilitatile motoarelor electrice pas cu pas de a dezvolta cupluri de valori mari la frecvente de comanda ridicate sunt limitate. Pentru marirea fortelor magnetice tangentiale din ntrefierul motorului, si deci a cuplului dezvoltat de motor, este necesara marirea diametrului rotorului, ceea ce duce la cresterea momentului de inertie si deci la micsorarea turatiei limita de functionare pentru un cuplu de sarcina dat. Marirea cuplului util intr-un sistem de actionare cu motor pas cu pas, fara a limita turatia maxima de functionare prin marirea momentului de inertie, este posibila prin utilizarea unui motor electric pas cu pas de mica putere, in combinatie cu un amplificator de cuplu hidraulic cu piston axial, acesta din urma avnd un randament ridicat si un moment de inertie redus. ntregul ansamblu motor-amplificator hidraulic a primit denumirea de motor pas cu pas electrohidraulic.

2. Clasificare functionala a MPP

Din punct de vedere al transformarilor electromagnetice specifice MPP, se poate face o clasificare ntr-un numar mai restrns de grupe functionale. Aceasta noua clasificare se bazeaza pe modul de conectare a nfasurarilor fazelor motorului si de tipul comenzii.

Din acest punct de vedere exista trei categorii de MPP: inductoare, reactive inductor-reactive.

2.1. MPP inductoare

Acestea pot fi cu autoexcitatie si cu excitatie independenta prin bobina

sau magneti permanenti (MPP inductoare electromagnetice).

MPP inductoare cu excitatie independenta de la magneti permanenti (de tip electromagnetic) se obtin prin nlocuirea bobinelor nfasurarii de excitatie cu magneti permanenti.

MPP inductoare cu autoexcitatie sunt MPP cu rotor pasiv, la care se poate separa un circuit fictiv de excitatie generat de existenta componentei homopolare directe a fluxului n faze. MPP prezentate n fig. 9 si 10 sunt, din punct de vedere al clasificarii functionale, MPP inductoarc cu autoexcitatie, care au m = 4 faze si l = 8 poli aparenti. Fiecare faza este constituita prin legarea a doua infasurari diametral opuse, rezultnd q = 2 poli pe o faza. Polii statorici au o polaritate alternanta, asigurind autoexcitarea motorului, daca este comandat cu impulsuri de aceeasi polaritate. Daca s-ar alimenta cu impulsuri de polaritate alternanta, motorul nu ar avea excitatie deoarece ar lipsi componenta homopolara directa.

Fluxul din ntrefier are doua componente: o componenta constanta, produsa de componenta constanta a curentului, care creeaza excitatia masinii prin poli alternanti si o componenta rotitoare, cu un numar de poli egal cu numarul dintilor rotorici , determinati de componenta alternativa a curentului n faze. Deoarece polii aparenti sunt totdeauna perechi, rezulta ca la acest tip de MPP, numarul de faze este totdeauna par. Rotorul MPP inductoare cu autoexcitatie este pasiv avnd dinti. Pe fiecare pol statoric sunt 2 dinti egali cu cei rotorici si avnd acelasi pas.

Relatia dintre ,

(1) n care k=0, 1, 2... este un numar ntreg oarecare, iar 0