Structuri constructive pentru echipamentul de conducere al unui robot

In capitolul IV au fost prezentate principale notiuni legate de specificarea,

generarea si conducerea miscarilor elementelor mecanice ale unui robot. O prezentare mai explicita a problematicii legate de aceasta importanta grupa

de sarcini pentru echipamentul de conducere al unui robot trebuie intregita si cu

abordarea unor aspecte legate de variantele constructive (suportul hardware) ce se utilizeaza la implementarea solutiilor cunoscute pentru conducere.

De aceea, in continuare au fost introduse doua capitole ce fac referire la schema bloc din figura 2.1 (cap. II) si prezinta descrierea generala a echipamentelor hardware ce se folosesc uzual in constructia echipamentelor de conducere a robotilor.

1. Calculatorul

Dupa cum s-a aratat in capitolele introductive (cap. I si II) ,elementul central din schema bloc informationala a unui robot din fig.1.2, este reprezentat in schema bloc din fig.2.1 cu un bloc denumit calculator.Aceasta denumire este justificata pentru ca acest bloc are toate caracteristicile calculatorului obisnuit,compatibil IBM PC.

Calculatorul personal IBM-PC a aparut pe piata in anul 1987, an ce a devenit astfel important in istoria tehnicii de calcul. Ulterior au aparut calculatoarele XT, AT,

PS cu procesoare 286, 386, 486 si apoi PENTIUM.

Denumirea PC (Personal Computer) sugereaza faptul ca acest calculator a fost conceput astfel incat sa poata fi utilizat cu usurinta la modul individual (personal)

la birou sau chiar la domiciliu. In acest scop,s-a conceput o structura care sa per-

mita dialogul cu O.U. prin echipamente externe dedicate acestui scop : monitor,

tastatura ,mouse, s.a.Dotarea interna a fost ,la acel moment,considerata ca fiind cea

adecvata aplicatiilor cu extindere medie. Proiectarea s-a facut modular pe baza unor standarde IBM, astfel incat orice configuratie sa poata fi completata ulterior cu ele-

mente suplimentare ( upgrade, in limba engleza) : memorie de capacitate mai mare,

co-procesoare aritmetice de viteza, interfete audio-video, etc.Aceasta structura

modulara conceputa si standardele introduse au determinat o rapida raspadire pe piata a acestei familii de calculatoare.

In fig. 1 se prezinta schema bloc a unui calculator personal uzual.

( de facut desenul cu structura PC)

Fig.nr.1. Schema bloc a unui calculator uzual

Nucleul central al calculatoorului este microprocesorul : 80386, 80486, 80586 (PENTIUM), 80G86, sau cele mai recente Celeron, Pentium 4 EE (Extreme Edition), Duron,Opteron, Athlon 64. Este mumit curent si unitate centrala.

Observatie : Toate microprocesoarele mai sus enumerate sunt dezvoltari, din ce in ce mai performante, ale microprocesorului 8086, primul microprocesor pe 16 biti ( bit provine din comprimarea cuvintelor binary digit ; la 8086 informatia este organizata si vehiculata in cuvinte exprimate pe cate o pereche 2 x 8 biti, adica 2 octeti).

Microprocesorul este un circuit digital in care a fost integrat un sitem de cal- cul complet intr-o singura capsula. Cele mai recente sunt realizate chiar dual-core, adica doua unitati centrale de calcul intr-un singur circuit integrat. Microprocesorul stie sa faca operatii aritmetice : SI, SAU, adunare,scadere, comparatie, s.a. si poate memora un anumit numar de date intr-o memorie interna de capaciate limitata.

Fizic capsula circuitului integrat este prevazuta cu mai muti pini de acces spre si de la mediul extern. Circuitul stie sa genereze semnale de comanda, sa receptioneze, in general sa dialogheze, cu echipamente/ procese externe.

In calculator microprocesorul este amplasat pe placa de baza ( mother board - MB) pentru asa numita unitate centrala de calcul a PC. El lucreaza si cu memoria suplimentar adaugata in exteriorul sau, citind si scriind in aceasta date. Legatura cu memoria externa este asigurata prin magistrala de date.

Observatie : Prin magistrala, in tehnica de calcul, se intelege un set de linii de conexiune ce transporta informatia aferenta executiei unei anumite functiuni.

Daca microprocesorul este capabil sa preia deodata, la un moment dat, 32 biti, el opereaza pe o magistrala de 32 de biti (cazul procesorului 486).Astazi proce-

soarele mai moderne sunt capabile sa opereze chiar pe magistrale de 64 de biti.

Pentru a citi / scrie din/ in memoria externa microprocesorul trebuie sa trans-

mita,mai intai, adresa locatiei de memorie din/ in care trebuie transferata informatia.

Adresa este transmisa pe magistrala de adrese, care are un numar variabil de linii. Cu cat memoria este mai mare si adresele sunt mai multe, iar magistrala de adrese este constituita dintr-un numar mai mare de linii.

Exemplu : Daca magistrala de adrese este alcatuita din 20 de linii de conexiune se pot formula un numar de maximum 2²⁰ de adrese, adica cca. 1.000.000 de adrese.

In consecinta, calculatorul poate fi echipat cu o memorie ce poate stoca cca. 1milion de cuvinte de cate 8 biti fiecare sau, scurt, 1 megacuvant.

Cresterea numarului de adrese impune suplimentarea numarului de pini de legatura cu exteriorul ai capsulei microprocesorului. Aceasta necesitate complica tehnologia de fabricatie si creste pretul de cost .Pe de alta de parte, o memorie mai mare creste performantele calculatorului. Solutia tehnica prin care se realizeaza optimizarea raportului pret/ performanta este aceea de a se proceda la multiplexare.

In general, prin multiplexare se intelege utilizarea aceluiasi suport hardware pentru executia de functiuni diferite,in momente diferite.Pentru un circuit integrat prin

multiplexare se asigura ca un acelasi pin al capsulei sale sa fie conectat la diferite circuite electrice interne, in momente diferite. Cu alte cuvinte, acelasi pin al circuitului fi utilizat la executia de functiuni diferite.Comutarea rolului unui pin de la o functie la alta se face prin software (programare).

2.Memoria

2.1.Memorii semiconductoare

Memoriile electronice utilizate intr-un calculator sunt de mai multe feluri :

a.       Memoria ROM. Este considerata o parte a memoriei permanente dintr-un

caculator. Denumirea provine de la denumirea ei din limba engleza Read Only Memory ,adica memorie care poate fi numai citita, microprocesorul nu poate

inscrie in aceasta vreo informatie.Astfel de memoriii se inscriptioneaza cu aparate

special construite numite programatoare.Informatia inscrisa este pastrata intacta

si in absenta tensiunii de alimentare a circuitului. Unele dintre aceste memorii sunt PROM (Programmable Read Only Memory) care pot fi numai programate, dar nu si sterse. Se fabrica si variante de memorii OTP (One Time Programmable), care sunt livrate cu continutul inscriptionat definitiv si, fiind mai ieftine, se folosesc in productia de aparatura de mare volum.

La alte categorii de memorii se poate face si stergerea informatiei folosind, de asemenea, procedee anume concepute si aplicate in functie de tipul memoriei.

Memoriile EPROM(Errasable Programable Memory), sunt acelea la care continutul inscris initial poate fi ulterior sters. Pentru stergere, pe capsula memoriei este preva-

zut un geam transparent pentru radiatiile ultraviolete.Supunand un timp circuitul la

iradiere cu ultraviolet se infaptuieste anularea informatiei continute.Exista si variante

de memorii EEPROM sau E²PROM(Electrically Errasable PROM),la care stergerea

se face aplicand,pe un pin dedicat al capsulei,un impuls electric de putere mai mare,

cu parametrii specificati in fila de catalog.La nivelul actual al tehnologiilor de fabrica-

tie s-au obtinut capsule cu astfel de memorii ce pot inmagazina 1 Mbit de informatie.

Memoria FLASH este cel mai nou tip de memorie considerata tot din familia E²PROM, la care accesul la informatie si stergerea se realizeaza mult mai rapid fiindca functionarea unei celule de memorie are la baza incarcarea si descarcarea capacitatii unui tranzistor MOS, ca si la memoriile in care se si poate inscrie informatie.

Intr-un calculator uzual memoria ROM pastreaza pachetul de programe de baza al acestuia,asa numitul BIOS, pentru ca aceste programe trebuie sa fie memo-

rate si reluate si dupa ce calculatorul a fost deconectat si apoi reconectat la tensiunea de alimentare.

b.Memoria RAM . Denumirea din limba engleza Random Access Memory se traduce cu memorie cu acces aleatoriu ,cu sensul ca este o memorie electronica din care se poate si citi,dar in care se si poate scrie. In aceasta memorie se pastreaza datele si programele care sunt in lucru la un moment dat. Continutul memoriei RAM se sterge odata cu deconectarea calculatorului.Din acest motiv,intr-un calculator uzual exista si o mica baterie, care alimenteaza o anumita parte a memoriei RAM, ce contine anumite date, pentru ca acestea sa ramana memorate si apoi sa poata fi reutilizate si dupa perioada in care alimentarea calculatorului a fost oprita.

In functie de circuitele electronice cu care sunt realizate, au fost fabricate me-

morii SRAM (RAM static), in care fiecare celula de memorie consta dintr-un cicuit basculant bistabil, respectiv DRAM ( RAM dinamic) , in care memorarea informatiei se face prin incarcarea capacitatii cate unui tranzistor MOS. Mai recent se produc si memorii SDRAM realizate prin combinarea celor doua structuri traditionale.

Memoria RAM este amplasata tot pe placa de baza (MB) si se partitioneaza in module SIMM (Single Inline Memory Module cu capacitatea de 2, 4, 8 Mbyte (1 byte = 8 bit sau, in limba romana 1 octet = 8 biti). Pentru sitemul de operare Windows este necesara o capacitate de memorie de cca 8 Mbyte.

2.2.Memoria permanenta

Pentru a se asigura si o capacitate de memorare permanenta a datelor si/sau programelor, un calculator este dotat cu unitati dedicate stocarii de informatie.Cele mai importatnte sunt :

a.       Hard-disk (HDD) este o unitate pe care se memoreaza o mare cantitate

de informatie. Inregistrarea datelor este magnetica.

Constructiv, HDD are un ax pe care sunt fixate unul ,doua sau trei discuri din material nemagnetic solid, de obicei sticla sau aluminiu.Aceste discuri sunt denumite

platane. Platanele sunt acoperite,pe ambele fete, cu cate un strat subtire din material

magnetic.Discurile sunt rotite cu mare viteza, cuprinsa intre 5400 si 10000 de rot/min

sau chiar mai mult.Informatia este inregistrata pe un platan in timp ce acesta este rotit in dreptul unor capete de citire/ scriere amplasate foarte apropiat (cca 1nm) de suprafata magnetica .Capetele de citire/ scriere au rolul de a sesiza, respectiv de a provoca, modificarea magnetizarii cate unui punct de pe materialul aflat, la un moment dat, in imediata lor apropiere. Pentru ambele suprafete a fiecarui platan este prevazut cate un cap de citire/scriere, iar toate acestea sunt deplasate cu un brat de actionare comun.Bratul de actionare este astfel construit ca fiecare cap de citire/scriere sa poata acoperi prin deplasare intreaga suprafata a unui platan.

HDD are o capacitate mare de memorare, cuprinsa astazi intre160 GB si750 GB. Rata de tranfer a informatiei stocate pe HDD a ajuns la 80 Mbyte/s. Face parte dintre memoriile cu acces lent.

Organizarea memoriei pe hard disk-uri se face pe sectoare, piste, cilindrii sau partitii. Comanda si dialogul cu hard-discul se realizeaza cu blocul numit driver de HDD.Ca software se folosesc programe de partitionare/ formatare,disk management, s.a. Astfel de programe sunt, cel mai adesea, rulate intr-un mod "invizibil" pentru operatorul uman, cand acesta lucreaza la calculator,dar pot fi si anume apelate.

Unitatea HDD este esentiala in fuctionarea calculatorului pentru ca stocheaza pe timp nelimitat , toate informatiile importante pentru utilizator.Prezinta insa deza-vantajul de a fi sensibil la conditii de mediu (praf, umiditate). De asemenea, regimul de lucru la viteze mari afecteaza fiabilitatea partilor mecanice.Pentru a se evita efe- ctele,uneori nefaste,ale unei eventuale defectari a unitatii HDD, se recomanda sa se foloseasca mai multe astfel de unitati simultan sau sa se realizeze copii care sa fie

pastrate separat de calculator.

b.Floppy-disk ( FDD ),discul flexibil ,este o folie din material plastic flexibil,

acoperita cu un material magnetic.Folia este incapsulata intr-o carcasa de protectie,

din material plastic rezistent,constituind o discheta. Informatia este citita/ inregistrata magnetic pe folia dischetei, prin intermediul driver-ului de disc (unitate pentru dische-

ta).Si pentru dischete exista programe dedicate de folosire a acestora .

Deazavantajul dischetelor este ca pot stoca numai o cantitate mica de infor-

matie( tipic 1,43,5 Mocteti ) si ca au o fiabilitate scazuta la utilizare repetata.

c. CD-ROM (CD - Compact Disk) , discul optic .Este cvasi-generalizat astazi in utilizare,avand o capacitate de memorare de sute de Mocteti. Discul este fabricat dintr-un material plastic policarbonat transparent.Pe una dintre suprafetele sale este depus un strat subtire din aluminiu pur sau aur, pentru ca suprafata respectiva sa devina reflectorizanta. Principiul de functionare consta in accea ca la inscriptionare, pe suprafata utila discului de plastic , pe o traiectorie in spirala, se creaza siruri de mici adancituri ("gropi") cu dimensiuni de ordinul sutelor de nanometri in diametru si adancime.Intre aceste "gropi" se afla spatii libere de material nedeteriorat.Informatia este continuta in succesiunea denivelarilor produse.Citirea se face cu o raza laser,cu lungimea de unda in domeniul rosu, care este reflectata in mod diferit daca, rotind discul, are loc sau nu o trecere peste vreo denivelare .Masurand diferenta de faza provocata intre raza directa si cea reflectata, la trecerea peste o denivelare repectiv la absenta ei, se gaseste informatia aferenta lui 1 sau 0 logic.Si pentru utilizarea acestor discuri se folososesc drivere specializate (unitate de disc optic).

Pe un CD-ROM pot fi stocate programe si date,dar de pe astfel de discuri pot fi transmise calculatorului si inregistrari muzicale sau fotografii. Au fost realizate si variante de Rewritable CD (in limba romana:CD care poate fi rescris), discuri optice care pot fi si sterse,iar apoi reinscriptionate, de un numar de ori specificat de produ-

cator.

d. DVD .Desi la aparitia sa denumirea a avut semnificatia Digital Video Disk,

astazi majoritatea producatorilor prefera denumirea de Digital Vesatile Disk,pentru ca discurile de acest fel se produc pentru diferite utilizari: DVD-Video la inregistrarea

de imagini filmate, DVD-Audio pentru inregistrari sonore sau DVD-ROM pentru stocarea de programe si/ sau date pentru calculatoare.

Ca aspect exterior un DVD nu se deosebeste de un CD,dar folosindu-se noi tehnici de formatare fizica ,asociate cu noi solutii de formatare de aplicatie (tehnici de compresie a datelor) s-a reusit o crestere importanta a capacitatii de memorare.

Daca la un CD capacitatea maxima este la limita a 900 Mbyte ,pentru un DVD capacitatea standard este de 4,7 Mbyte. La DVD-Video s-a reusit chiar inregistra-

rea pe ambele fete ale discului si cu aceasta o capacitate de 8,5 Mbyte.

Daca la un calculator se utilizeaza si DVD-uri unitatea (driver-ul) de disc optic trebuie sa fie una anume specializata .De regula, o unitate de DVD poate recunoaste si CD-uri,dar foloseste surse laser diferite pentru cele doua tipuri de discuri.In mod normal la un calculator se folosesc discuri DVD-ROM, dar pot fi utilizate si discurile Audio sau Video.Pentru acestea calculatorul trebuie sa contina interfete corespunza-

toare (hardware si software). Placa Video,de pilda, poate lipsi daca microprocesorul calculatorului este de mare viteza si poate opera cu un volum mare de date, fiind capabil sa ruleze si aplicatiile de procesare de imagini.

Cap. VII. Conducerea nemijlocita a axelor

unui robot

In contextul lucrarii de fata, prin conducere nemijlocita se intelege conducere propriu-zisa, directa, fara intermediar.

Indiferent de modul sau coordonatele folositein conducerea unui robot, conducerea nemijlocita a elementelor cuplelor cinematice conducatoare se realizeaza, individual, la nivelul fiecareia dintre ele. Se procedeaza deci la o conducere descentalizata, distribuita la nivelul fiecarei axe in parte.

Principial, structura(bloc) dupa care se realizeaza conducerea nemijlocita este:

Fig.7.1. Conducerea distribuita a axelor unui robot

Calculatorul central )de tip PC) comanda, prin generatorul de traiectorii si, uneori, interpolator, procesoarele de ax PAX I(controlerele de ax din schema bloc a robotului). Numarul de microprocesoare / microcontrolere de ax PAX este in functie de numarul de grade de libertate ale robotului (maxim 6).

Exista insa situati in care se foloseste un singur microprocesor / microcontroler pentru conducerea nemijlocita a mai multor axe, caz in care structura ierarhica se schimba:

Fig.

In acest caz sunt necesare microprocesoare / microcontrolere performante (scumpe) si trebuie elaborat un software mai complicat pentru acestea (costuri suplimentare de manopera).

Din punct de vedere al conducerii intregului robot ar fi mai avantajos sa se procedeze la o reglare globala (cu un regulator global) pe ansamblul intregului robot si nu o reglare locala(descentralizata) realizata cu PAX i. Motivele pentru care se procedeaza la o conducere descentralizata sunt:

1). Traductoarele care ar trebui sa urmareasca situarea punctului caracteristic in cartezian, la preciziile pretinse in diferite procese tehnologice, sunt prohibitiv de scumpe;

2). Realizarea unor traductoare globale cu actiune pe ansamblul intregului robot este foarte dificila pentru ca:

miscarile de pe fiecare axa nu sunt independente. Aceste legaturi se exprima matematic cu ecuatii foarte complicate si profund neliniare. De aici rezulta necesitatea unor calcule extrem de numeroase ce trebuie efectuate in timp real (ceea ce nu se prea poate face);

trebuie folosit modelul matematic (dinamic) al intregului robot. Acesta este complicat si nici un model matematic nu este perfect.

3). La nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare se pot amplasa traductoare (de viteza, pozitie, acceleratie, forta) care sunt produse la preturi accesibile;

4). Sistemele de reglare automata pentru miscarile elementelor unei axe sunt astazi produse in mod curent la preturi extrem de avantajoase (exista traditia de la masinile unelte clasice);

5). Elaborarea unui software pentru reglare globala este ampla, complexa(costisitoare).

Observatie: motivele expuse mai sus limiteaza posibilitatile de a se realiza reglarea globala (a actiunilor unui robot) folosind calculatoarele existente astazi. In ultimul timp au aparut calculatoarele CNN (Computer Neural Network machinal - masini da calcul cu retele neuronale).

Retelele neuronale sunt niste circuite analogice inlantuite care "invata din propria lor experienta. Ele sunt programate (cu un calculator obisnuit) sa se comporte intr-un anumit fel, in situatii ce sunt propuse ca fiind cele mai probabile.

Se introduc circuitele(programele) in situatiile respective si se urmareste rezultatul actiunilor. In functie de rezultat, circuitele isi corecteaza functionarea (se autoregleaza)pana ajung cat mai aproape de functionarea dorita.

Astfel de circuite sunt supuse unui "antrenament" cu situatii cat mai multe dintre cala posibile, astfel incat sa se ajunga la o comportare optima. Cu astfel de circuite s-au realizat calculatoare "autoprogramabile" care "invata din propria lor experienta" diferite situatii si isi adapteaza comportarea situatiilor noi ivite.

Acestea sunt calculatoarele CNN care, datorita proprietatilor structurilor analogice, au o viteza de calcul cu cel putin un ordin de marime mai mare decat cele obisnuite.

Astfel de calculatoare se folosesc deja (cu succes) in prelucrari de imagini. Cu astfel de calculatoare se va rezolva probabil conducerea globala si adaptiva a robotilor(impreuna cu calculatoarele clasice).

Sistemul de conducere al unui robot se compune din:

sistemul de comanda;

sistemul de actionare;

sistemul de perceptie.

Sistemul de actionare se compune din mai multe sisteme de conducere locale, dupa principiul conducerii descentralizate, la nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare fiind cate un sistem de conducere nemijlocita local.

Un sistem de conducere local este realizat cu o structura de sistem de reglare automata.

Elementul motric al sistemului de conducere local sau al sistemului de reglare automata este motorul de actionare.

Definitie: elementul care transforma in energie cinetica orice alta forma de energie se numeste motor.

La intrarea fiecarui sistem de conducere local (SCL, SRA) se aplica marimi de prescriere, care sunt parametrii cinematici ai miscarii calculati de catre generatorul de traiectorii(pozitie, viteza, acceleratie). In structura sistemelor de conducere locale sunt incluse traductoare cu care se urmareste miscarea obtinuta in realitate. Rolul sistemului de reglare automata este de a conduce elementele mecanice spre abateri (eroare) nula intre marimile de prescriere si marimile de reactie (cele citite de la traductoare).

In functie de tipul motorului este denumit si sistemul de actionare: electrica, hidraulica, pneumatica,.

Sistemul de actionare electrica este cel mai raspandit in cazul robotilor, circa 80% dintre roboti fiind cu actionare electrica.

Acest lucru se datoreaza urmatoarelor argumente:

1). Disponibilitatea cvasigenerala a energiei electrice in mediile industriale;

2). Robustetea motoarelor electrice (motoarele de gabarit relativ mic permit dezvoltarea de cupluri relativ mari, admit supraincarcari in limite destul de largi);

3). Posibilitatea de racordare simpla a motoarelor la sursa de energie;

4). Dinamica foarte buna(motoarele electrice au inerti mici si timp de raspuns scurt la comenzile aplicate);

5). Manopera de intretinere mica;

6).randament energetic ridicat;

7). Cost mai redus.

Sistemul de actionare pneumatica permite numai actionari simple (inchis / deschis inainte / inapoi) si se folosesc mai ales la manipulatoare simple.

In cazul actionarilor electrice cel mai frecvent se utilizeaza motorul de curent continuu, deoarece acesta prezinta avantajul modificarii turatiei sale la modificarea tensiunii aplicate la borne.

Tipuri de motoare electrice

I. Motorul de curent continuu (mcc)

Are ca principal avantaj faptul ca permite reglarea turatiei sale prin simpla schimbare a valorii tensiunii de la borne.

Motorul de curent continuu are insa o serie de dezavantaje:

gabarit mult mai mare decat pentru motorul de curent alternativ pentru o aceeasi putere dezvoltata la arbore;

pret de cost mai mare decat alte tipuri de motoare electrice (datorita complicatiilor constructive);

existenta periilor colectoare pentru ca:

- acestea se uzeaza in timp si trebuie inlocuite (manopera de intretinere);

- existenta scanteilor la comutari (in medii explozive trebuie luate masuri speciale antiexplozive);

- datorita periilor si cantactelor mobile rotorul trebuie amplasat in interiorul motorului ceea ce cauzeaza dificultati in ceea ce priveste eliminarea caldurii.

Cu toate aceste dezavantaje motorul de curent continuu continua sa fie folosit in robotica, mai ales ca in ultimul timp au fost dezvoltate noi variante de servomotoare.

Observatie: un servomotor este un motor de curent continuu folosit in aplicatii in care se cere pozitionarea precisa, de obicei in conditii de sarcina redusa.

a). Servomotorul cu rotor disc si intrefier axial.

La acest motor infasurarea rotorica este realizata sub forma de placi foarte subtiri de cupru (obtinute din folie de cupru prin corodare cu metode fotochimice). Placutele rotorice sunt legate compact. S-a obtinut un motor fara bobinaj rotoric, cu un moment de inertie, raportat la arbore, extrem de redus si cu constante de timp foarte mari (se obtin astfel performante dinamice excelente).

Modul de constructie al infasurarii rotorice:

Fig.

S-au desenat doua spire rotorice amplasate pe un miez feromagnetic.

Fig.

Rezulta un motor mult mai usor, iar rotorul are forma unui disc obtinut dintr-un pachet de tole.

b).Motorul de curent continuu fara perii (Brushlese DC).

Este cel mai nou tip de servomotor si are proprietati asemanatoare cu motorul de curent continuu cu rotor de curent alternativ sincron si cu motorul pas cu pas.

Se alimenteaza cu o tensiune in impulsuri (ca si motorul pas cu pas), dar este considerat motor de curent continuu deoarece cuplul dezvoltat e proportional cu curentul din infasurare (ca la motorul de curent continuu).

Principial se inverseaza rotorul cu statorul si rezulta ca infasurarea care se comanda este statorul. Alimentarea nu se mai face cu perii colectoare, ci prin intermediul unor tranzistoare de putere(= colectoare statice).

II. Motorul de curent alternativ.

Cel mai frecvent utilizat este motorul de curent alternativ asincron care in raport cu motorul de curent continuu are urmatoarele avantaje:

robustete mai mare;

pret de cost mai scazut - atat datorita tehnologiei de fabricatie, cat si gabaritului redus la aceeasi putere dezvoltata;

lipsa periilor colectoare (pentru variator cu rotor in scurt circuit);

fiabilitate ridicata;

posibilitatea de a fi utilizat in medii explozive.

Motorul de curent alternativ are ca principal dezavantaj faptul ca nu isi poate modifica turatia prin simpla modificare a tensiunii la borne. Pentru a modifica turatia motorului de curent alternativ sincron este necesar sa I se modifice atat amplitudinea, cat si frecventa tensiunii la borne.

Exista trei metode de modificare a turatiei motorului de curent alternativ sincron:

metoda U/t=ct.. Este considerata metoda clasica de reglare a turatiei. Se realizeaza modificarea turatiei cu modificarea simultana atat a amplitudinii, cat si a frecventei de alimentare. La modificarea U si t raportul valorilor lor se pastreaza aproximativ constant. Micsorarea simultana a lui U si t realizeaza scaderea turatiei, iar cresterea lor duce la cresterea turatiei.

metoda de comanda cu orientare dupa camp. Consta, in esenta, din masurarea fluxului magnetic rotitor din intrefierul masinii. Apoi se procedeaza la un set de calcule matematice prin care se "transforma" motorul de curent alternativ asincron trifazat intr-o masina echivalenta cu doua faze, cu infasurarile perpendiculare ca si motorul de curent continuu (se trece calculul la un model bifazat asincron).

Se amplifica apoi comenzile si reglajele pe modelul bifazat, similar cu cotorul de curent cotinuu, si se refera la modelul bifazat real calculandu-se marimile trifazate ce corespund marimilor de reglare la modelul bifazat.

Observatie: metoda prezinta utilizarea unui calculator, inclusiv in sistemul de actionare.

metoda prin accelerarea campului (Yamamura).

Este cea mai moderna metoda de comanda a motoarelor de curent alternativ si are la baza tot o transformare de la modelul trifazat la modelul bifazat, dar axele sunt alese altfel decat in cazul anterior si se obtine o reglare mai eficienta.

Progresele in domeniul electronicii de putere au permis realizarea unor structuri deosebit de avansate: circuite integrate de putere inteligenta.

In plus microprocesoarele s-au dezvoltat foarte mult si au aparut microcontrolerele ( = un intreg calculator intr-un singur circuit integrat). In aceste conditii astazi este posibila implementarea circuitului de comanda pentru motoare de curent alternativ asincrone la puteri competitive (pe baza teoriilor de reglare elaborate anterior). In acest fel, electronica aferenta motoarelor de curent alternativ asincron nu mai prezinta un impediment in utilizarea acesteia.

Se prevede ca in urmatorii ani actionarile cu motoare de curent alternativ asincron o sa devina majoritare in aplicati.

motorul pas cu pas.

La aparitia acestuia s-a crezut ca este cel mai potrivit motor pentru a putea fi comandat cu circuite numerice, deoarece el a fost conceput ca un convertor biunivoc, impuls electronic - increment de deplasare. Cu timpul s-a dovedit insa ca motoarele pas cu pas au o serie de dezavantaje majore:

sunt "hot function", adica functioneaza fierbinte, tipic 100⁰C;

nu pot fi incarcate la sarcina maxima pentru care au fost proiectate deoarece la incarcare mare pierde pasi;

schema electrica de comanda este sofisticata (desi la inceput s-au incercat scheme simple, practica a dovedit ca acestea nu au facut fata);

infasurarea consuma curent si in repaos, deci au randament energetic scazut.

Desi la inceput aplicatiile cu motoare pas cu pas au cunoscut o larga dezvoltare in ultimii ani se observa o restrangere a domeniului de aplicare, motoarele pas cu pas fiind folosite in aplicatii de mica putere.

Celelalte componente ale sistemelor de conducere locale

(sistemelor de reglare automata)

Un sistem de reglare automata complet de la nivelul unei cuple cinematice conducatoare trebuie sa contina si transmisia mecanica si o frana.

Observatie: din transmisie o parte se considera inclusa in sistemul de actionare: motorul motorului si - roata dintata primara;

- fulia de la cureaua de transmisie;

- o fata a ambreiajului;

- volantul.

Observatie: de aceea schema bloc s-a "taiat", blocul transmisiei fiind fragmentat in doua.

De obicei de axul transmisiei este legat si traductorul de pozitie, viteza, acceleratie (uneori numai unul, uneori toate trei), care furnizeaza informatii despre miscarea realizata in realitate.

Exista traductoare numerice (incrementale) care furnizeaza impulsuri electrice in timpul functionarii. Exista si traductoare electrice care furnizeaza o tensiune sau un curent electric proportional cu deplasarea efectuata sau cu viteza.

Motorul este comandat de blocul "electronica de putere". Acest bloc este de fapt un convertor de forma de energie.

Exemplu: pentru cazul motorului de curent continuu blocul "electronica de putere" se alimenteaza de la reteaua de curent alternativ monofazata sau trifazata pe care o transforma intr-o forma de tensiune continua cu valoarereglabila.

Sursa de energie este reteaua de curent alternativ monofazat sau trifazat (disponibila in toate mediile industriale) si mai rar se folosesc surse autonome de energie. Forma tensiunii care alimenteaza motoarele este:

pentru motoare de curent alternativ:

Fig.

Tensiunea este continua cu valoarea variabila, reglabila.

Pentru motoarele de curent alternativ asincrone la iesirea electronicii de putere se obtine un sistem de trei tensiuni alternative cu amplitudinea si frecventa variabile.

pentru motorul pas cu pas:

Fig.

La fiecare impuls electronic aplicat motorului pas cu pas executa un pas mecanic. Conducatorul intregului sistem de reglare automata este controlerul. Acesta este realizat cu un microprecesor sau micorocontroler si este subordonat direct generatorului de traiectorie.

La conducerea nemijlocita a unei cuple cinematice conducatoare scopul final este de a dezvolta un cuplu activ in axul motorului de actionare, adica de a reduce miscarea.

Conducerea nemijlocita a unei cuple cinematice conducatoare consta din urmatoarele aspecte:

I.            Se cunoaste pozitia relativa la care trebuie sa ajunga elementele cuplelor cinematice conducatoare. Se noteaza cu q^d. Se obtine de la generatorul de traiectorii si se numeste marime de prescriere.

II.         Se cunoaste permanent (de la traductorul aferent) pozitia obtinuta in realitate. Se noteaza q^r si este numita marime de reactie.

III.       Trebuie determinat cu cat trebuie comandat motorul pentru a ajunge din pozitia curenta in cea prescrisa.

Observatie: problematica enuntata mai sus reprezinta problema fundamentala a conducerii unei cuple cinematice conducatoare.

Suplimentar se mai pun cateva cerinte:

trecerea de la q^d la q^r sa se efectueze cat mai rapid (termenul 0 din automatica este "timp de raspuns mai scurt");

sosirea sa fie cat mai precisa (cu eroare nula).

Pentru realizarea dezideratului fundamental impreuna cu cerintele impuse de indicatorii de calitate se include in sistemul de reglare automata local un bloc regulator (implementat cu controlerul).

! Regulatorul local are rolul de a calcula cu cat trebuie comandata electronica de putere (cu care apoi se modifica tensiunea la bornele motorului) pentru a se asigura o deplasare pana la anularea abaterii:

a=q^d-q^r.

Un regulator executa functia de reglare dupa un algoritm de reglare.

Observatie:

1). Algoritm = formula dupa care regulatorul calculeaza marimea de comanda (catre electronica de putere)(aceasta formula este proiectata de inginerii automatisti).

2). Formula poate fi executata cu circuite analogice. In acest caz se folosesc amplificatoare operationale cu care se efectueaza adunare, scadere, inmultire, impartire,., de tensiuni (adica de marimi analogice, varianta folosita mai ales in anii 70). In aceasta varianta se numeste regulator analogic.

Astazi nu se mai intalnesc decat rar regulatoare analogice deoarece reglarea se face cu microprocesoare si microcontrolere, adica regulatorul este numeric.

Regilatorul are ca marimi de intrare q^d si q^r si parametrii de proces (constantele motorului, mase si momente de inertie ale obiectelor puse in miscare, cupluri rezistente,.). Tinand cont de arimile de intrare (si cu ajutrul formulei de reglare a algoritmului) regulatorul calculeaza marimea de reglare pentru electronica de putere (cu care se comanda motorului) necesara pentru anularea abaterilor.

Proiectarea algoritmilor de reglare

(principii)

Proiectarea algoritmilor de reglare incepe intotdeauna cu descrierea prin ecuatii matematice a functionarii sistemului. Se intocmeste astfel modelul matematic al acestuia.

Exemplu: cazul unei actionari cu motor de curent continuu - > schema electrica a unui motor de curent continuu:

Fig.

U_a - tensiunea de alimentare a motorului de curent continuu aplicata pe infasurarea de comanda;

R_a -rezistenta infasurarii bobinajului de comanda;

L_a -inductivitatea infasurarii de comanda;

i_a - curentul din infasurarea de comanda;

rotor mecanic

U_ex - tensiunea de alimentare a infasurarii de excitatie;

R_ex, L_ex - rezistenta si inductivitatea infasurari de excitatie;

_{i ex} - curentul din infasurarea de excitatie.

Observatie:

Daca motorul este cu excitatie cu magnet permanent atunci U_ex, L_ex, i_ex sunt marimi electrice echivalente (celor magnetice).

Q - pozitia unghiulara instantanee;

M - cuplul dezvoltat;

jett - momentele de inertie ale maselor in miscare raportate la arborele rotoeic;

K - coeficientul echivalent al frecarii.

Functionarea unui motor de curent continuu este descrisa de urmatoarele ecuatii:

Prima dintre ecuatii se numeste ecuatia cuplului dezvoltat. Cuplul dezvoltat M(t) este egal cu cuplul total necesar pentru miscarea sistemului mecanic si invingerea miscarilor. De fapt ecuatia reprezinta legea a doua a dinamicii.

A doua dintre ecuatii exprima faptul ca la un motor de curent continuu cuplul dezvoltat este proportional cu curentul din infasurarea de comanda.

Observatie:

1). La motorul de curent continuu cu cat curentul este mai mare, cuplul este mai mare si invers, cu cat creste cuplul, cu atat creste curentul. De exemplu, daca rotorul este blocat (M->)curentul creste foarte mult si motorul se arde.

2). Proprietatea principala a motorului de curent continuu este ca turatia lui se schimba daca se modifica tensiunea la borne. Aceasta proprietate este echivalenta cu proprietatea exprimata de a doua ecuatie. Cele doua proprietati se pot reduce una la cealalta pe baza ecuatiilor interne de motor de curent continuu. Se foloseste ecuatia a doua pentru ca este mai usor de operat matematic.

Ecuatia a treia reprezinta ecuatia de dependenta dintre tensiunea la bornele motorului, curentul din infasurare si viteza arborelui rotoric. Termenul

Se numeste tensiunea contra electromotoare si reprezinta o tensiune indusa care apare din cauza miscarii relative a infasurarii rotorului in campul magnetic creat de infasurarea de excitatie. De fapt aceasta ecuatie este teorema a 2-a a lui Kiekhoff aplicata la circuitul infasurarii rotorice. Tensiunea aplicata pe infasurare este egala cu suma dintre caderea de tensiune pe rezistenta infasurarii, caderea de tensiune pe inductivitatea infasurarii si tensiunea elecromotoare.

Pornind de la ecuatiile de mai sus se pune problema de a gasi o relatie de legatura intre tensiunea u_a aplicata la bornele infasurarii rotorice si pozitia q realizata la bornele rotorice. Aceasta legatura se numeste functie de transfer (fdt) a unui sistem (motor).

In schema bloc generala a sistemelor de reglare automata, motorul de curent continuu se inlocuieste cu un bloc de forma:

Fig.

Calculul pentru gasirea functiei de transfer se realizeaza mai usor daca se efectueaza in operational. Aplicand transformata Laplace primeia si ultimeia dintre ecuatii se obtine:

Se obtine:

functia de transfer a motorului de curent continuu.

Aceasta relatie este functia de transfer a motorului de curent continuu in operational sau modelul matematic la motorului de curent continuu (ne arata cum depinde de tensiunea aplicata).

Observatii:

1). Demonstratia matematica se cere la examen.

2). Pentru toate elementele componente ale cate unui sistem de reglare automata local, electronica de putere, motor, transmisie, traductor, se stabileste cate un astfel de model matematic. Dupa determinarea modelului matematic al intregului sistem trebuie ales un algoritm de reglare. Prima etapa a proiectarii este determinarea matematica a schemei bloc.

Exista mai multe tipuri de algoritmi:

1). Algoritm de tip proportional (P), caracterizat prin formula:

y_a(t) - marime de comanda. Este cea care se obtine la iesirea "formulei"(in cazul nostru este o marime care se transmite apoi electronicii de putere si motorului pentru realizarea reglari).

q^d(t)-q^r(t)=a(t)

a(t) - abaterea sau eroarea. Este diferenta dintre evolutiile in timp ale marimilor de prescriere si de reactie.

q^d=q^dorit (necesar);

q^r=q^real (dr reactie).

K_p - constanta de proportionalitate numita constanta algoritmului.

La algoritmul de tip P marimea de comanda este proportionala cu abaterea.

2). Algoritmul proportional derivator (PD) are expresia:

Marimea de comanda proportionala cu abaterea, pentru marimea prescrisa, si cu abaterea de la derivata acesteia.

Rolul proiectarii este determinarea K_p si K_v din modelul matematic.

De foarte multe ori in robotica se foloseste comanda "viteza". De aceea, in cazul comandarii unui motor de curent continuu, functia de transfer a motorului se determina ca raport dintre turatia si tensiunea aplicata.

A doua forma este corespondentul in operational al functiei de transfer.

Observatie: anterior a fost dedusa expresia Q(s)/u_a(s) (functia de transfer la comanda in pozitie). Aceasta inmultita cu s ne conduce la expresia lui F_v(s).

Daca se urmareste viteza (comanda de viteza), atunci algoritmul este un algoritm de tip PI (proportional integrator) deoarece viteza(derivata lui q) este marimea de intrare, iar marimea de comanda este proportionala cu abaterea pentru

si pentru .

Acelasi algoritm poate fi privit ca PI sau PD. Ne propunem sa obtinem o "formula", un algoritm pe care il poate executa un microprocesor (cu functia de controler de ax). Vom folosi, de exemplu, un algoritm de tip PI.

Observatie: algoritmul PI are avantajul de a conduce sistemul spre eroare nula in regim stationar (stabilizat). Algoritmul de tip PI are expresia:

Kv - constanta de proportionalitate a algoritmului;

Ti - constanta de timp a algoritmului;

a(t) - evolutia in timp a abaterii;

y(t) - marimea de comanda (aceasta se transmite electronicii de putere).

Observatie: formulele de mai sus pentru PI si Fv(s) inseamna acelasi lucru. Microprocesorul sau microcontrolerul nu stie sa calculeze o formula scrisa in ultima forma. El foloseste metode numerice de integrare si derivare. De aceea ultima formula trebuie adusa la o forma adecvata spre a fi executata cu microprocesorul.

Pentru aceasta se trece in operational:

Aceasta forma de algoritm face parte dintr-o clasa mai larga de algoritmi definita prin forma generala a functiei de transfer:

Acestei formule ii corespunde, in operational, urmatoarea ecuatie diferentiala in timp;

Se pune problema gasirii expresiei lui y(t) din aceasta forma a algoritmului. Expresia se determina integrand ultima ecuatie.

Observatie: rezolvarea acestor ecuatii diferentiale se face prin integrarea lor. Integrarea se face de atatea ori cate ordine de derivare sunt in ecuatie. In cazul de fata este suficienta o singura integrare deoarece regulatorul este realizat cu microprocesor sau microcontroler si algoritmul trebuie executat cu mijloace numerice. De aceea la integrarea ultimei ecuatii se vor folosi metode numerice de integrare.

In sistemele numerice intervalul total de timp (in care se face reglarea) se imparte in mici intervale de timp Te numite perioade de esantionare. Executia numerica a operatiilor si calculelor este cu atat mai precisa cu cat Te sunt mai mici. Te nu poate fi luat oricat de mic deoarece pe parcursul lui trebuie efectuate multe operatii care dureaza un timp finit.

Expresia lui z(t) o obtinem din ultima ecuatie prin integrarea ei pe durata fiecarei Te. Integrarea se face aplicand mijloace numerice de integrare pentru a se ajunge la o expresie pe care microcontrolerul sa o poata executa in mod direct.

Metoda trapezelor de integrare.

Este o metoda de calcul aproximativ a unei integrale. Fie o functie F(t) si doua momente t_k si t_k+1, calculam:

Fig.

Daca intervalul [t_k,t_k+1] este suficient de scurt, atunci valoarea exacta a integralei (egala cu aria suprafetei de sub graficul functiei) poate fi aproximata cu aria unui trapez:

Fig.

Deci perioada de timp considerata este o perioada de esantionare.

Pentru determinarea expresiei lui y(t) se foloseste metoda trapezelor de integrare, Se integreaza ecuatia obtinuta in fiecare perioada de esantionare.

Observatie: la integrare se va tine cont si de faptul ca:

Se obtine:

Se obisnuieste sa se noteze:

y(t_k)=y_k;

y(t_k+1)=y_k+1;

a(t_k)=a_k;

a(t_k+1)=a_k+1.

Obtinem:

Aceasta este forma discreta pentru un algoritm de reglare de tip PI. Este forma in care se executa algoritmul de catre microprocesor sau microcontroler. Aceasta relatie se calculeaza pe microcontroler in fiecare perioada de esantionare Te.

In aceasta expresie:

Y_k+1 - marimea de comanda din esantionarea curenta;

Y_k - marimea de comanda din esantionarea precedenta;

a_k+1 - abaterea din perioada de esantionarea curenta;

a_k - abaterea din perioada de esantionarea precedenta.

Coeficientii d₀, d₁, c₁ se calculeaza cu relatiile:

Observatie: aceste relatii se obtin prin rezolvarea pana la capat a solutiilor obtinute prin integrarea trapezelor.

Procedura de calcul a coeficientilor din formula(*):

Se pleaca de la forma continua a algoritmului PI in care exista coeficientii Kb si Ti. Acesti coeficienti se proiecteaza, de catre inginerul automatist, pe baza modelului matematic al procesului si cu modele specifice automaticii.

Cunoscand K6 si Ti se calculeaza, prin identificare, coeficientii

Iar apoi se vor calcula coeficientii d_0, d_1, c₁.

Se obtin astfel valori concrete pentru coeficientii din formula analizata care se introduc in memoria microcontrolerului, iar acesta executa formula in fiecare perioada de esantionare, cat timp are loc conducerea nemijlocita a axei.

Observatie: algoritmul descris asigura reglarea vitezei. Daca se doreste si reglarea pozitiei se efectueaza un calcul asemanator si se ajunge la o formula tot de forma celei analizate, dar cu alte valori pentru coeficienti. Controlerul de axa din sistemul de reglare automata de la nivelul unei cuple cinematice conducatoare are de efectuat urmatoarele seturi de calcule:

a). calcule OFFLINE

Functiile de acces (Q(s)/A(s) sau sQ(s)/A(s)) pentru modelele matenatice ale tuturor blocurilor componente in sistem au valori concrete pentru parametrii elementelor continute (de exemplu, pentru modelul La, Ra, jett);

Se alege un tip de algoritm, de obiceiP sau PI, si se calculeaza coeficientii Kv, Kp, Ti cu metode de proiectare din automatica;

Se calculeaza apoi coeficientii

(cunoscand Kv si Ti) si apoi coeficientii d_0, d_1, c_1;

Se alege o perioada de esantionare Te.

Observatie: pentru alegerea perioadei de esantionare se foloseste teorema esantionarii. Conform acestei teoreme se alege

Unde Tj sunt constantele de timp dominante din proces (constante dominante = constantele de timp cele mai mari alese dintre toate elementele componente ale sistemului, de exemplu, pentru motorul de curent continuu, Tn = constanta mecanica a motorului este cea mai mare si este considerata dominanta).

b). calcule ONLINE

Preia de la generatorul de traiectorie marimea prescrisa;

Preia de la traductor marimea reala executata;

Calculeaza abaterea dintre cele doua marimi de mai sus;

Comanda electronica de putere cu marimea y(k) calculata anterior.

Observatie:

1).Calculele 1,.,4 se efectueaza in fiecare perioada de esantionare.

2). Marimile a_k, y_k din fiecare perioada de esantionare se memoreaza deoarece se folosesc si in perioada de esantionare urmatoare.

Exemplu: calculele si operatiile efectuate de la nivelul fiecarei cuple cinematice conducatoare reprezinta nivelul cel mai de jos (ultimul nivel) de calcule din conducerea unui robot.

In concluzie: se porneste de la schema bloc a sistemului de conducere local:

Fig.

CA - controler de ax;

EP - electronica de putere;

M - motor;

T - traductor;

- marime de prescriere;

r_v - marime de reactie.

Pentru fiecare element fizic din schema bloc se determina functia de transfer (f(t)). f(t) este o formula matematica care exprima functionarea elementului respectiv. Calculul se efectueaza in operational (transformata Laplace) pentru simplificarea calculelor. De exemplu: pentru motor:

Fig.

Se alcatuieste schema bloc operationala a sistemului de conducere locale (o schema cu blocuri matematice).

Fig.

Pe baza acestei scheme bloc operationale automatisti proiecteaza algoritmul. De exemplu: pentru formula mai sus demonstrata anterior automatistii determina valorile numerice concrete pentru d_0, d_1, c₁(parametrii algoritmului). Adica ei calculeaza

care provin din Kv si Ti, iar acestia se proiecteaza pornind de la schema bloc operationala. Cu alte cuvinte, valorile concrete ale parametrilor d_0, d_1, c₁ se afla (pornind de la schema bloc operationala) pe baza parametrilor fizici ai componentelor sistemului de conducere locala.

In final se obtine o formula in care d_{0 ,}d₁ si c₁ sunt niste numere concrete = algoritmul de reglare propriu-zis. Aceasta formula se inscrie in memoria controlerului de ax si se foloseste in fiecare perioada de esantionare la calculul marimii de comanda y care comanda electronica de putere si motorul in sensul anularii abaterii (dintre w_v si r_v).

Sistem de conducere nemijlocita a unei axe

Implementat cu motor de curent continuu

In mod frecvent in literatura se foloseste si denumirea sistem de actionare a unei axe a unui robot cu motor de curent continuu.

Fig.

Observatie: corespondenta cu schema bloc a unuisistem de conducere local (folosita anterior) este notata cu acolada, deasupra schemei de fata.

1). SIS - Sistem Ierarhic Superior. In schema bloc generala pentru sistemul robot SIS a fost reprezentat cu generatorul de traiectorii GT(care face parte din calculatorul PC). In cazul in care calculele sunt dificile si numeroase este necesar si blocul interpolator. De la SIS sunt generate marimile de prescriere q^d.

2). PAx - Procesor de Ax. Este un microsistem realizat cu micreprocesor sau microcontroler.

Observatie: S-a considerat numai varianta cu un microprocesor sau un microcontroler pe ax.

Functiile indeplinite de Pax sunt:

F1 - preluarea marimii de prescriere q^d (=pozitia impusa in deplasare pentru axa respectiva) de un SIS;

F2 - preluarea marimii de reactie q^r (=marimea curenta obtinuta in realitate) de la traductorul de pozitie TP;

F3 - calculul abaterii a=q^d-q^r pentru pozitie;

F4 - efectuarea calculelor conform unui algoritm de reglare numeric pentru pozitie (cu o formula de tip *);

F5 - generarea in forma numerica a marimii de prescriere pentru viteza.

3). RvA - Regulator de viteza Analogic. Asigura reglarea vitezei. Acest bloc efectueaza calcule cu mijloace analogice, nu numerice, si in acest caz se foloseste un algoritm de reglare, adica o formula de tip *. Calculele se efectueaza analogic, adica formula se calculeaza folosind circuite (amplificatoare operationale) care efectueaza operatii matematice cu curenti si tensiuni (nu cu numere);

4). CAN - Convertor Analogic Numeric. Intru-cat PAx este un circuit digital iar RvA este analogic, intre ele s-a interpus blocul CAN care transforma numarul de la iesirea blocului Pax intr-un curent sau o tensiune care este marimea de prescriere q^d pentru RvA.

5). TG - TahoGenerator. Acesta furnizeaza reactia pentru viteza curenta (obtinuta in realitate). Un TG este un generator electric (un dinam) care furnizeaza o tensiune proportionala cu turatia cu care axul sau este rotit. Axul TG este cuplat la axul principal al motorului.

RvA calculeaza (analogic) abaterea de turatie facand diferenta dintre tensiunile ce reprezinta derivatele pentru q^d si q^r (folosind un comparator, eprs exemplu). Aceasta abatere se aplica la intrarea unui circuit cu amplificatoare operationale care indeplineste functia de regulator de viteza. Acest circuit calculeaza(analogic) marimea de comanda(un curent sau o tensiune).

Observatie: se constata ca in schema bloc de mai sus se folosesc doua tipuri de regulatoare:

unul numeric pentru pozitie realizat cu microprocesor sau microcontroler;

unul analogic pentru viteza executat cu amplificatoare operationale RvA.

Din acest motiv se spune despre aceasta schema ca este realizata intr-o structura hibrida( si numerica, si analogica). Aceasta structura a fost foarte raspandita in anii '80 cand microprocesoarele / microcontrolerele nu erau foarte rapide si nu erau capabil sa realizeze reglarea de pozitie si viteza simultan.

In ultimii ani microprocesoarele / microcontrolerele au devenit din ce in ce mai performante si -a putut renunta in totalitate la reglarea analogica de viteza.

Multi roboti aflati astazi in functiune au sistemele de conducere locale implementate dupa o structura ca cea de mai sus.

6).TP - Traductorul de Pozitie de tip TIRO - Traductor Incremental Rotativ Optic.

7). EE - Element de Executie =electronica de putere. Pana la inceputul anilor ''0 acest bloc era realizat cu tiristoare sau triace. Astazi se realizeaza cu tranzistoare de mare putere MOS sau IGVT.

Un astfel de bloc se comanda cu impulsuri cu perioada T=ct. si cu durata impulsului Tc=var.(asa numita comanda PWM). De aceea marimea de comanda y(analogica) trebuie convertita in impulsuri cu durata Tc variabila.

8). MID A - Modulator In Durata Analogic. Are rolul de a modifica durata Tc a impulsurilor de comanda conform cu marimea y calculata de regulatoare. Prin modificarea Tc se modifica valoarea medie a tensiunii u de la bornele motorului si se schimba turatia acestuia in sensul anularii abaterii.

Concluzie:

cu regulatoarele

Y

cu MID A.

Tc

cu EE.

Um

Sistem de actionare exclusiv numeric

pentru conducerea unei axe

Fig.

Aceasta structura s-a obtinut prin eliminarea circuitelor analogice. In comparatie cu structura hibrida au fost eliminate:

tahogeneratorul TG;

blocul regulator de viteza RvA;

convertorul numeric analogic CAN.

Acest lucru a fost posibil folosind microprocesoarele / microcontrolerele mai performante care pot realiza mai multe functii:

F1 - preluarea marimii de prescriere pentru pozitie de la SIS;

F2 - preluarea marimii de prescriere pentru turatie de la SIS.

Observatie: cele doua marimi de prescriere sunt sub forma numerica.

F3 - preluarea marimii de reactie de pozitie de la traductorul de pozitie TP(se numara impulsurile generate in timpul deplasarii);

F4 - calculul marimii de reactie pentru viteze din marimea de reactie pentru pozitie.

Observatie: cei doi algoritmi de reglare sunt niste formule si, in principiu, trebuie folosita cate o formula pentru reglarea pozitiei si a vitezei. In realitate automatistii au gasit formule comune (algoritmi globali) care calculeaza simultan un singur y cu care se asigura reglarea pozitiei si a vitezei. Un astfel de algoritm global are ca marimi de intrare q^d si derivata acesteia, respectiv q^r si derivata acesteia si are o singura marime de iesire y.

9). MID N Modulator In Durata Numeric. Converteste y in Tc dar cu mijloace exclusiv digitale.

10). EE Element de Executie - electronica de putere. Asigura tensiunea variabila pentru motorul M daca e comandat cu Tc variabil.

Elemente de executie

(electronica de putere)

EE este blocul electronic de putere din structura echipamentelor de comanda nemijlocita a unei cuple cinematice conducatoare a robotului. Rolul sau este de a adapta marime de comanda y, numerice sau analogice, furnizate de regulator la forma si nivelul de putere corespunzator motorului de actionare.

Schema bloc de principiu este:

Fig.

MID este modulatorul de durata (analogic sau numeric) care are rolul de a transforma marimea de comanda y in durata de conductie Tc pentru dispozitivele electronicii de putere. CD este circuitul d comanda care asigura amplificarea si distribuirea corecta(in functie de sensul de rotatie impus motorului) a comenzilor catre dispozitivele electronicii de putere.

PT este puntea de tranzistoare(in variante mai vechi, tiristoare) care comanda motorul si care este alimentat cu o tensiune continua +U.

Observatie: sursa +U este o sursa de putere, adica trebuie sa fie capabila sa furnizeze curenti mari.

Sistemele de reglare locale cu care se asigura conducerea nemijlocita la nivelul cuplelor cinematice conducatoare trebuie sa realizeze timpi de raspuns scazuti(adica sa asigure reglarea rapida). In consecinta trebuie folosite si elemente de executie cu raspuns rapid. De aceea se folosesc tranzistoare de putere(care asigura o frecventa de functionare cu un ordin de marime mai mare decat tiristoarele). Exista astazi tranzistoare care pot comanda motoare de cateva sute de KW(ceea ce depaseste cu mult motoarele robotilor - zeci, sute de KW, pana la cativa KW).

Dispozitivele electronice de putere utilizate in elementul de executie

Dispozitivele electronice de putere reprezinta componentele cele mai importante dar li cele mai expuse la defectare din cadrul elementului de executie. Principalele caracteristici ale unui dispozitiv de putere sunt:

tensiunea maxima care I se poate aplica atunci cand este blocat;

curentul maxim care poate trece prin dispozitiv atunci cand este in conductie;

puterea maxima [UI] care se poate disipa pe dispozitiv;

timpul de comutare;

caderea de tensiune pe dispozitiv atunci cand este in conductie(care se doreste a fi cat mai mica).

Exemple:

Tiristorul. Este un dispozitiv cu trei jonctiuni conductoare care poate fi adus in conductie daca:

tensiunea la bornele sale este (+) la anod si (-) la catod;

I se aplica un impuls de comanda pe grila.

Odata adus in conductie tiristorul nu mai poate fi blocat prin semnale de comanda. In schemele cu tiristoare se monteaza circuite speciale pentru blocarea tiristoarelor ceea ce complica configuratia de circuite. Tiristorul este un dispozitiv foarte robust si fiabil. Valorile limita sunt astazi pana la 6000 V si pana la 3500 A (valori foarte mari!).

Dezavantajul principal al tiristorului este stingerea complicata si viteza de comutatie mica, el putand fi utilizat la frecvente de comutatie de zeci, pana la sute de Hz.

Triacul.

Integreaza doua tiristoare conectate in sensuri opuse, deci permite trecerea curentului in ambele sensuri(tot dupa aplicarea unui impuls de comanda). Valorile limite absolute: 800V, 40A si viteza de comutatie mica.

Tiristorul cu strangere de poarta (6TO)

Este un dispozitiv asemanator cu tiristorul, dar cand se afla in conductie poate fi blocat prin aplicarea unui impuls de strangere tot pe poarta. Valorile limita absolute: 4500V, 3000A si viteza de comutatie mai mare ca la tiristor, deci poate fi utilizat la cativa Hz.

Tranzistorul bipolar (clasic).

Are o raspandire larga pentru ca poate fi comandat atat la conductie, cat si la blocare prin semnale aplicate in baza. Principalul dezavantaj este ca el comuta mai ancet decat alte tipuri de tranzistoare desi se poate folosi pana la 10,.,20 Hz. Prezinta un avantaj imortant si anume acela ca aflat sa conductie, caderea de tensiune colector - emitor este de valoare mica, mai mica de 1V(deci se apropie de notiunea de "contact perfect" care la conductie prezinta o cadere de tensiune practic nula. Valorile limita absolute astazi:1000V, 800A.

Tranzistoare cu efect de camp de tip MOS(MOSFET)

Principalul avantaj al acestui tip de tranzistor este ca se comuta cu curenti extrem de mici, practic neglijabili, de aceea frecventa de comutatie este foarte mare(zeci, sute de Hz).

Principalul dezavantaj este acela ca la conductie prezinta o cadere de tensiune drena - sursa de valori mari si deci puterea disipata pe el la conductie este mai mare. Valorile limita absolute: 600V, 50A.

Tranzistorul bipolar cu poarta izolata (IGBT)

Este un tranzistor bipolar, dar care se comanda ca si un tranzistor MOS. Deci la iesire prezinta o cadere de tensiune colector - emitor de valori mici (1,.,2 V) si se comanda in grila cu curent neglijabil, deci lucreaza la frecvente mari. Valorile limita absolute: 1200V,400A.

Tiristorul controlat cu MOS

Se noteara cu MGT si este un dispozitiv asemanator cu tiristorul GTO, deci este foarte robust. Se comanda asemanator cu un tranzistor MOS. Are calitati mai bune decat tranzistoarele MOS (si IMGT). Se afla inca in faza de cercetare.

Tendinte actuale

Module de putere. Include intr-o singura capsula mai multe dispozitive de putere care sunt interconectate intern astfel incat sa formeze structura unor convertoare de putere:

Se construiesc punti complete cu astfel de brate.

Fig.

Circuite integrate de putere(PIC). Include intr-o capsula atat dispozitive de putere, cat si circuitele de comanda si protectie.

Fig.

Principiul PWM in cazul motoarelor

de curent continuu

Principiul de comanda PWM este clasic generalizat in actionarile electrice moderne.

Observatie: atat in actionarile cu motoare de curent continuu, cat si cu motoare de curent alternativ!

PWM(Pulse Width Modulation) - modulare in latime de puls.

De exemplu, in cazul motorului de curent continuu schema de alimentare de principiu este:

Fig.

M - motor de curent continuu;

U - tensiune continua de alimentare;

cs - contactor static - are functia unui contact care se inchide si se deschide in mod repetat dar este realizat cu tiristoare sau tranzistoare care se inchid si se deblocheaza(deci comutarea are loc static, fara elemente mobile);

cc - circuitul de comanda pentru contactorul static;

Contactorul static este comutat cu o perioada de comutatie T. In timpul unei perioade Tc reprezinta durata de conductie a contactorului(durata cand contactorul static este inchis), iar T - Tc este durata de pauza(contactorul static este deschis).

Fig.

Observatie: pe durata T cu cat Tc este mai mare, Um este mai mic sicu cat Tc este mai mic, cu atat Um este mai mica.

Valoarea medie a unei tensiuni in impulsuri se calculeaza cu relatia:

Pentru T=ct.,

Observatie: motorul de curent continuu in principiu ar trebui alimentat cu o tensiune de forma:

Fig.

Fig.

Se observa ca desi motorul este de curent continuu, el se alimenteaza cu o tensiune in impulsuri dreptunghiulare cu durata Tc variabila. Practica a dovedit ca motorul de curent continuu accepta o astfel de comanda intru-cat caracterul conductiv al infasurarii de comanda determina o variatie mai lenta a curentului din infasurare decat la variatia tensiunii.

Fig.

Explicatia variatiei lui I este ca infasurarea de comanda are inductivitatea L. Daca la bornele unei inductivitati L se produce o variatie de tensiune, atunci in inductivitatea L se produce o tensiune electromotoare autoindusa care se opune variatiei tensiunii aplicate.

Observatie: "Eu, curentul cel indus, intotdeauna m-am opus, cauzei care m-a produs".

Aparitia acestei tensiuni electromotoare induse face ca prin bobina curentul sp aiba o variatie mai lenta decat variati tensiunii:

Exemple de executie pentru alimentarea motoarelor de curent continuu.

Schema traditionala este realizata sub forma unei punti cu tranzistoarele de putere:

Fig.

Pentru dispozitivele T_1,., T₄ s-a folosit un simbol neconventional de reprezentare pentru a evidentia faptul ca ele pot fi tranzistoare de orice tip.

Observatie: in ultimul timp se folosesc mai ales tranziatoare MOS si IGBT deoarece ele permit comutari cu frecvente mai mari decat bipolarul si deci realizarea unor performante mai bune(cu cat f creste, cu atat curentul I prin infasurarea de dioda este mai constant).

Diodele D₂,.,D₄ se numesc diode de supresare si au rolul descarcarii, pe timpul pauzei de conductie, a energiei magnetice inmagazinate in infasurarile motorului. Tot odata aceste diode asigura protectia tranzistoarelor T₁,.,T₄ impotriva tensiunilor inverse ce apar in timpul functionari.

Puntea se alimenteaza cu tensiune de alimentare continua +U conectata intre bornele (+U, ). Sursa trebuie sa fie capabila sa furnizeze curenti mari cat cer infasurarile motorului.

Principiul de functionare. Cele patru tranzistoare din schema au rolul de contacte care furnizeaza deschis - inchis. Starea de inchis . deschis se stabileste intr-un anumit timp si se calculeaza cu niste impulsuri de comanda. "Schema echivalenta" a puntii este:

Fig.

"Schema echivalenta" s-a reprezentat pentru cazul cand toate cele patru tranzistoare sunt blocate(nu conduc) si prin motor nu exista curent.

O astfel de schema permite comanda motorului la rotire in ambele sensuri.

De exemplu, pentru un sens de comanda al motorului, se comanda T₁ si T₂ la starea de conductie(inchise) si se mentin in continuare T₃ si T₄.

Fig.

Prin infasurarea de comanda a motorului se stabileste un curent I cu sensul indicat pe figura, rezultand ca motorul se va roti intr-un sens. Pentru celalalt sens de rotatie se comanda la conductie tranzistoarele T₁ si T₂ iar tranzistoarele T₃ si T₄ se mentin tot timpul blocate.

Fig.

Se alege o perioada de repetitie T pentru starile inchis - deschis, iar in cadrul acesteia se mentin in conductie T₁ si T₂ pe durata Tc(timp de conductie). Rezulta tensiunea la bornele motorului:

Fig.

Metode de comanda

I.           Comanda simultana a doua tranzistoare de pe o diagonala

Fig.

In cazul acestei metode se mentin blocate(deschise) doua tranzistoare de pe o diagonala a puntii si se inchid /deschid alternativ celelalte doua tranzistoare de putere.

Fie exemplul, in cazul unui sens de rotatie, cand se tin blocate T₃ si T₄ si se chopeaza T₁ si T₂ (chopeaza = se inchid si se deschid succesiv).

Fig.

Se observa ca motorul este alimentat cu o tensiune in impulsuri. Practica a dovedit ca motorul de curent continuu functioneaza foarte bine daca este alimentat cu o astfel de tensiune, cu conditia ca T, durata de repetitie a impulsurilor, sa fie suficient de scurta pentru ca prin infasurare curentul sa nu se anuleze.

Valoarea medie a tensiuni la bornele motorului se calculeaza cu relatia:

Rezultatul acestei integrale ne arata ca:

tensiunea medie la bornele motorului are o valoare continua(desi motorul este alimentat in impulsuri).

Observatie: tensiunea u_m este continua.

daca se mentine T constant si se modifica Tc se obtin diferite valori pentru u_m, adica modificand Tc motorul se alimenteaza cu tensiuni(continue) de valori diferite, adica modificand Tc se modifica turatia motorului.

Aceasta metoda este cea mai simpla metoda de alimentare pentru puntea H.

Se observa ca tensiunea la bornele motorului isi schimba polaritatea in momentul blocarii tranzistoarelor T₁ si T₂. cand T₁ si T₂ conduc, tensiunea la bornele motorului este cea cu polaritatea indicata fara paranteze pe desen. Cand T₁ si T₂ se blocheaza se intrerupe legatura bornelor motorului cu sursa de alimentare si curentul prin motor incepe sa scada. Den aceasta cauza in infasurarea motorului apare o tensiune electromotoare indusa si polaritatea acesteia este inversa tensiunii initiale.

Principalul dezavantaj al acestei metode de comanda este acela ca se comuta(deodata) doua tranzistoare. Comutarea solicita cel mai mult tranzistoarele li, in consecinta, ambele tranzistoare trebuie sa fie foarte rezistente, deci, implicit, scumpe.

Observatie: este evident ca pentru celalalt sens de rotatie se mentin blocate permanent T₁ si T₂ si se comuta simultan T₃ si T_4.

I.           Metoda comutarii unui singur tranzistor de pe o diagonala

In acest caz, pentru un sens de rotatie:

se mentin blocate doua tranzistoare de pe o diagonala;

pe cealalta diagonala unul dintre tranzistoare se mentine tot timpul in conductie, iar cel de-al doilea se comuta tot timpul.

Fig.

Fig.

In cazul acestei metode T₁ si T₃ trebuie sa fie tranzistoare scumpe, dar T₂ si T₄ pot fi tranzistoare obisnuite(deoarece, pentru un sens de rotatie, se comuta permanent numai T₁ , iar pentru celalalt sens de rotatie se comuta permanent numai T₃).

In acest caz tensiunea la bornele motorului se mentine mereu cu aceeasi polaritate.

Valoarea medie a tensiunii la bornele motorului este:

Si in acest caz mentinand T constant si modificand Tc se schimba valoarea medie a tensiunii la bornele motorului li daci turatia acestuia.

III. Comanda alternativa a doua tranzistoare de pe o diagonala

Fig.

Fig.

Metoda are avantajul ca ambele tranzistoare de pe diagonala puntii sunt la fel de solicitate li sunt de acelasi tip(pret mediu), deoarece ele sunt solicitate in aceeasi masura(fiind comutate pe rand).

Valoarea medie a tensiuni la bornele motorului este si in acest caz:

Rolul diodelor din scheme

Diodele din schema sunt de supresare. Ele au rol de protectie.

La intreruperea alimentarii infasurari motorului in L se induce o tensiune cu polaritatea inversa iar aceasta poate distruge tranzistoarele.

Fig.

In aceasta schema infasurarea de comanda a motorului s-a reprezentat prin schema ei echivalenta.

Tensiunea aplicata la bornele motorului are expresia:

u_e este tensiunea contra electromotoare. Este o tensiune care se induce in infasurarea de comanda. Din cauza rotirii in campul magnetic produs de excitatie.

u_e este cu atat mai mare cu cat turatia care este mai mare(acesta este un efect de dinam suprapus peste efectul de motor).

Observati:

excitatia produce un camp magnetic de inductie B;

aplicand la bornele infasurarii de comanda o tensiune u prin infasurare apare un curent i. In consecinta infasurarea este un conductor parcurs de curentul I, dar care se afla in campul magnetic de inductie B, deci ia nastere o forta:

F=BiL

asupra conductorului. Efectul va fi de punere in miscare a conductorului, care este efectul de motor.

infasurarea de comanda este realiyata sub forma de spire care au fost puse in miscare(prin efectul de motor), deci exista spire in miscare intr-un camp de inductie B. In la va apare o tensiune electromotoare indusa si deci apare si efectul de generator.

RaIa este caderea de tensiune pe rezistenta infasurari. La di_a/dt este caderea de tensiune pe elementul inductiv. Acest element intervine deoarece el se alimenteaza cu o tensiune in impulsuri si curentul prin infasurare are variatii. Acest termen indica tocmai proprietatea unui inductivitati de a integra variati bruste de curent.

Ecuatia scrisa mai sus este variabila pe durata T, cand motorul este alimentat de la sursa. Pe durata T - Tc alimentarea infasurarii se intrerupe. In momentul intreruperii apare numai efectul de generator precum si un fenomen de autoinductie in inductivitatea La a infasurarii. In La apare o tensiune electromotoare autoindusa cu polaritatea indicata intre paranteze pe figura.

Mecanismul fenomenului

Dupa durata Tc cel putin unul dintre tranzistoarele de pe diagonala care a condus se blocheaza. De aceea se intrerupe legatura ce sursa +U. Ca urmare curentul I_a are in primul moment o tendinta de scadere. In bobina La apare o tensiune electromotoare autoindusa care se opune acestei scaderi. Tensiunea electromotoare autoindusa are o asemenea polaritate incat sa genereze un curent in acelasi sens cu I_a(care incepe sa scada). Datorita intreruperii legaturii cu sursa +U, singura sursa din circuit in acest moment este tocmai aceasta tensiune electromotoare autoindusa. Datorita printr-o sursa sensul curentului este de la (-) spre (+), tensiunea electromotoare autoindusa are polaritatea indicata pe figura.

Observatie: se stie ca in cazul unui circuit:

Fig.

Tensiunea electromotoare autoindusa are valori mari si este de polaritate inversa fata de cea normala aplicata la bornele motorului. De aceea ea poate periclita tranzistoarele de putere. Cand acestea sunt intrerupte li se aplica aceasta tensiune de polaritate negativa(care le poate distruge)(de exemplu (-) la La poate distruge T₄). Din acest motiv se pun diodele.

Polaritatea tensiunii electromotoare autoindese in La produce deschiderea diodei D((-) in catod) si deschiderea diodei D₃ ((+) la anod). Rezulta D₃ si D₄ se deschid si I_a continua sa circule pe traseul Ra, La, u_mi,D₃,+U, prin sursa, masa, D₄. Ca urmare a acestei circulatii a curentului, energia inmagazinata sub forma de camp magnetic in bobina La se descarca si tensiunea electromotoare autoindusa cu polaritatea periculoasa se anuleaza. Rezulta asadar cum au fost amplasate diodele ca sa se deschida rapid. Daca diodele nu ar exista, tensiunea electromotoare autoindusa(cu polaritate inversa) s-ar mentine in timp destul de indelungat si polaritatea ei ar distruge tranzistoarele.

Observatie: pentru sensul celalalt de rotatie supresarea se realizeaza de catre diodele D₁ si D₂.

Pentru un sens de rotatie al motorului conduc T₁ si T₂ si supresarea e facuta de D₃ si D₄. Pentru celalalt sens de rotatie conduc T₃ si T₄, iar supresarea e realizata de D₁ si D₂.

Elemente de executie pentru mototrul

asincron de curent alternativ

In schemele de actionare moderne alimentarea motorului asincron se face cu un sistem trifazat de tensiuni alternative cu amplitudinea si frecventa variabile. Sinteza celor trei tensiuni alternative reglabile se realizeaza folosindu-se ca element de executie un invertor in punte trifazata.

Observatie: circuitul care transforma curentul alternativ in curent continuu este numit redresor, iar circuitul care transforma curentul continuu in curent alternativ se numeste invertor.

Fig.

Observatii:

1). Tranzistoarele pot fi de acelasi tip: bipolare, MOS sau IGBT;

2). Schema seamana foarte mult cu cea de la curent continuu intru-cat la schema anterioara s-a mai adaugat doar un brat cu doua tranzistoare;

3). Schema se alimenteaza tot de la o baterie de curent continuu intre (+) si (-), masa, pentru ca este o schema de invertor.

Schema bloc de mai sus este aferenta unui motor asincron cu rotorul in scurt-circuit de putere medie(pana la 3KW). Acest element de executie este o punte trifazata cu 6 tranzistoare de putere. Cu aceasta punte se sintetizeaza trei tensiuni alternative care se aplica infasurarilor motorului.

Circuitul care asigura comanda PWM furnizeaza secventa de impulsuri de comanda pentru cele 6 tranzistoare ale puntii. Este compus dintr-un microprocesor si un modulator numeric de durata.

Observatie: exista astazi microcontrolere moderne care stiu sa genereze la iesire direct semnal PWM(au iesiri numite PWM).

Principiul sintetizarii tensiunilor alternative este:

Fig.

Se comanda tranzistoarele puntii prin impulsuri. Perioada de repetitie a impulsurilor(impuls+pauza) este constanta si egala cu Tc. Durata impulsului este insa variabila.

Fig.

Modificand valoarea marimii semnalului se modifica valoarea medie a tensiunii comandand doua dintre tranzistoare(de exemplu T₁ si T₄) ca impulsul sa fie ca in figura a doua a acestui subtitlu si valoarea medie a tensiunii aplicate infasurarilor sa aiba o variatie sinusoidala.

Fig.

Pentru sinteza unei tensiuni sinusoidale se porneste de la valorile instantanee ca in desen. Fiecare dintre cele 9 valori ale tensiunii sinusoidale u_I ii poate corespunde o durata conform formulei demonstrate mai sus. Daca frecventa tensiunii sinusoidale ce trebuie sintetizata este f si este perioada T=1/f se ia in perioada impulsului egala cu cea aferenta valorii medii sinusoidale.

La inceputul, mijlocul si sfarsitul sinusoidei care trebuie sintetizata se aleg impulsuri cu durata Tc/2 pentru ca valoarea medie a tensiuni trebuie sa fie 0. Pentru sinteza alternantei pozitive trebuie alese durate mai mari de Tc/2, iar pentru sinteza alternantei negative trebuie aleasa o durata mai mica decat Tc/2.

Schema bloc de alimentare a unui motor sincron este:

Fig.

Puntea trifazata se alimenteaza cu o tensiune continua. Aceasta tensiune continua se obtine de la reteaua de curent alternativ prin redresare si filtrare. Intre redresorul de alimentare si puntea trifazata se afla un circuit de sesizare a curentului care are rol de protectie. Ori de cate ori curentul depaseste valoarea maxima admisa, circuitul "sesizare curent" inhiba comanda(opreste alimentarea motorului). In schema bloc sunt prezentate si alte surse de curent continuu care sunt necesare circuitelor de comanda PWM pentru tranzistoarele din punte.

Elemente de executie pentru motoarele pas cu pas

Infasurarea motorului pas cu pas Mpp se alimenteaza folosind tranzistoare. Fie exemplul unui motor pas cu pas cu patru infasurari care are schema electrica:

Fig.

Principiul de comanda consta in a trece in stare de conductie, pe rand, cele patru tranzistoare in functie de o anumita secventa de comanda(cale patru tranzistoare sunt initial blocate).

Observatii:

1). Trecerea in conductie a unui tranzistor se face aplicand un impuls in baza lui;

2). Diodele din schema sunt de supresare(pentru descarcarea tensiunilor induse in bobina si protejarea tranzistoarelor).

Polaritatea tensiunii induse in bobina este cea indicata in figura.

Exista mai multe moduri de comanda a motoarelor pas cu pas:

a). Comanda numerica simpla.

Fig.

La aplicarea cate unui impuls in baza unui tranzistor motorul face un pas.

Motorul pas cu pas este un convertor impuls electric - increment de deplasare.

Frecventa de aplicare a impulsurilor de comanda determina frecventa de pasire a motorului pas cu pas. Pentru schimbarea sensului de rotatie impulsurile se aplica in ordine inversa.

b). Comanda simetrica dubla.

Fig.

In acest caz la un moment dat sunt alimentate doua infasurari rotorice simultan.

Avantaje: creste cuplul motorului pas cu pas si in acest caz la aplicarea unui nou impuls motorul va efectua cate un pas.

Observatie: consumul de la sursa creste.

c). Comanda nesimetrica.

Fig.

Avantaj - buna stabilitate in functionare.

Schema si metodele prezentate presupun o circulatie de curent intr-un singur sens prin infasurare(de la +U la masa). De aceea toate cazurile de comanda sunt metode de comanda unipolara a infasurarii(unipolar = o singura polaritate).

Schemele mai perfectionate permit o comanda bipolara a infasurarii, adica permit trecerea curentului prin infasurare in ambele sensuri. Pentru aceste scheme elementele de executie sunt mai complicate pentru fiecare infasurare a motorului pas cu pas folosindu-se un circuit de forma:

Fig.

Observatie: schema e identica cu cea de la motoarele de curent continuu, dar pentru fiecare infasurare a motoului pas cu pas exista o schema ca cea din figura.

Cand se comanda T₁ si T₂ curentul circula pe traseul indicat de sageata plina. ]Pentru motoarele pas cu pas cu patru faze sunt necesare 16 tranzistoare. In cazul comenzii bipolare secventa de comanda este:

Fig.

Comanda e simetrica, dubla si bipolara simetrica = infasurarile sunt comandate dupa o secventa simetrica dubla = infasurarile sunt cate doua comandate simultan.

Bipolara = curentul trece in cele doua sensuri prin fiecare infasurare.

Observatii:

Motorul pas cu pas e un motor hot - function. Temperatura lui normala e de 105⁰ C. Acest lucru provine din faptul ca infasurarile primesc curent cat motorul executa un pas.

Comanda corecta a unei infasurari presupune o asigurare a curentului prin infasurare la valoare nominala(dificil de realizat).

Motorul pas cu pas nu poate fi incarcat la cuplul nominal pentru ca la incarcari mari scapa pasi. Practica a dovedit ca o functionare fara scapare de pasi se obtine numai la incarcarea la 1/3 din cuplul nominal.

Motorul pas cu pas nu poate functiona la turatii foarte mari. Pe masura ce creste frecventa de comanda, creste si turatia, dar cuplul scade mult. Uzual se foloseste la 600,.,1000 pasi / s.

Orice motor pas cu pas permite o frecventa de rezonanta. Daca e comandat pe frecventa respectiva, el incepe sa functioneze oscilant cu miscari inainte - inapoi, de aceea trebuie evitata comanda unui motor pas cu pas pe aceasta frecventa.

Cresterea cuplului dezvoltat si eliminarea fenomenului de rezonanta se obtine folosind comanda simetrica bipolara dubla. In acest caz schema devine foarte scumpa.

Concluzie: in ultimul timp se constata o tendinta de a renunta la folosirea motoarelor pas cu pas.

Actionari cu motoare de curent continuu fara perii

Motorul de curent continuu are ca principal avantaj flexibilitatea ce provine din faptul ca I se poate modifica turatia foarte usor prin simpla schimbare a valorii tensiunii de la borne (= foarte frecvent folosit in robotica).

Dezavantajul motorului de curent continuu clasic este ca are rotorul bobinat, bobinajul se incalzeste in timp si, fiind in interior, caldura se elimina greu. Alt dezavantaj este ca are gabarit mai mare decat motoare de curent alternativ de aceeasi putere, deci va avea un pret mai mare datorita materialului.

Pentru eliminarea acestui dezavantaj in ultimii ani au fost dezvoltate noi variante de motoare la care reglarea turatiei se realizeaza tot prin modificarea tensiunii de alimentare, dar s-au eliminat dezavantajele anterior amintite.

Motorul ce tinde sa se raspandeasca cel mai mult in actionari este motorul de curent continuu fara perii.

Principial motorul de curent continuu fara perii se obtine prin "transformarea" unui motor de curent continuu cu excitatie cu magnet permanent astfel:

a). se inverseaza functionarea statorului cu a rotorului. Se amplaseaza magnetul permanent in rotor si infasurarea in stator;

b). se inlocuieste sistemul de comutare mecanic cu un sistem de tranzistoare de putere ce se comanda adecvat pentru alimentarea infasurarii statorice, in functie de pozitia statorului.

Pozitia curenta a rotorului e determinata cu un traductor de pozitie bara introdus constructiv in motor.

Fig.

Motorul de curent continuu fara perii imbina avantajele reglarii turatiei sale prin modificarea tensiunii de alimentare(ca la motoarele de curent continuu) cu uratoarele avantaje:

prin deplasarea bobinajului in stator nu se produce incalzirea robotului;

variantele constructive realizate au un raport putere - gabarit mai bun decat la motorul asincron;

s-au eliminat periile.

Durata de viata a unor motoare fara perii depaseste 70000 ore de functionare.

Dezavantaje:

necesitatea traductorului de pozitie incorporat;

pretul ridicat al materialelor din care se fabrica magneti permanenti(obtinerea gabaritelor mai mici presupune utilizarea unor materiale cu proprietati magnetice foarte bune: aliajul AlNiCo, abalsamariu, neodinfierbon, materiale foarte scumpe).

Exista doua variante constructive de motoare fara perii:

cu infasurari distribuite, notat Mcc FP - ID;

cu infasurari concentrate, notat Mcc FP - IC.

Aferent celor doua tipuri constructive exista si doua metode de comanda:

1). Comanda sinusoidala aplicata la Mcc FP - ID

In cazul acesta prin constructia motorului si prin modul de alimentare al infasurarilor se asigura simultan:

o dependenta sinusoidala a cuplului motor cu pozitia unghiulara a robotului;

o variatie a curentului prin fiecare infasurare(tot in functie de unghiul de rotatie).

Fie cazul motorului fara perii cu doua infasurari:

Fig.

Fig.

Pentru o pozitie a magnetului rotoric asupra rotorului actioneaza cate un camp magnetic produs de fiecare infasurare, fiecare dintre campuri producand cate un cuplu:

Aceste dependente se realizeaza prin amplasarea adecvata a infasurarilor din stator. Totodata curentul cu care se alimenteaza fiecare dintre infasurari se asigura sa aiba cate o dependenta, pe pozitie unghiulara, de forma:

Observatii:

1. de aceea este nevoie de traductor interior;

2. cuplul dezvoltat e independent de pozitia rotorului. Din punct de vedere practic, aceasta metoda prezinta doua dezavantaje:

- constructia mecanica a statorului si rotorului trebuie sa asigure dependenta sinusoidala a unghiului , greu de realizat.;

- generarea unui curent cu variatie sinusoidala in raport cu necesita un echipament electronic complex(scump).

b). Comanda trapezoidala.

In acest caz, prin conductie, se asigura:

o variatie trapezoidala a cuplului in raport cu unghiul de rotatie;

se aliniaza infasurarile cu impulsuri de curent de amplitudine constanta.

Fie cazul unui motor cu trei infasurari:

Fig.

Fig.

Dependenta trapezoidala a cuplului de unghi se obtine folosind magneti cu forta coercitiva mare. Momentul comutatiei curentului in raport cu unghiul se alege astfel incat cuplul sa fie constant pe portiunea in care si curentul aferent, injectat, este constant.

Daca si curentii I_BC si I_CA au variatii similare pentru cea indicata cu I_AB, atunci cuplul rezultant este:

M=K_mI

Alimentarea cu impulsuri de curent a infasurarilor se realizeaza cu o schema electronica mult mai simpla decat cea aferenta metodei anterioare. Schema bloc pentru comanda unui motor de curent continuu fara perii este:

Fig.

Circuitul redresor transforma tensiunea alternativa trifazata de la retea intr-o tensiune continua cu care se alimenteaza invertorul. Comanda redresorului se face astfel incat curentul furnizat de acesta sa se mentina la o valoare constanta, fiind realizata o reglare a curentului a carui valoare instantanee este sesizata cu traductorul de curent Tc.

Curentul de amplitudine constanta furnizat de redresor care alimenteaza invertorul este constant de la o faza la alta a motorului fara perii in momentul potrivit si sesizate cu ajutorul traductorului de pozitie din interiorul motorului fara perii. Circuitul de comutare al fazelor sesizeaza pozitia rotorului motorului de curent continuu fara perii si comanda tranzistoarele din interior sa intre in conductie la momentele potrivite.

Comanda electronica a servomotoarelor

Fig.

S-a reprezentat schema bloc a unui sistem de pozitionare hidraulic. Debitul lichidului determina viteza de deplasare a pistorului. Debitul este determinat de un sertar de distributia carui comanda se face cu o servovalva care la randul ei este comandata electric. Curentul prin infasurarile servovalvei comanda pana la urma debitul lichidului prin motorul hidraulic.

Pozitia curenta a pistonului se masoara prin conversia ei in marime electrica cu ajutorul unui potentiometru liniar. Se obtine astfel reactia de pozitie. Pozitia este reglata cu ajutorul unui regulator electronic. La intrarea acestuia se afla avaterea dintre pozitia prescrisa si cea reala, iar la iesirea regulatorului se obtine curentul de comanda pentru infasurarile servovalvei cu care se regleaza debitul de lichid astfel incat abaterea sa se anuleze(s-a realizat o bucla de reglare a pozitiei).

Schema bloc pentru circuitul servovalvei este:

Fig.

L₁ ,Ll₂ - infasurarile servovalvei care pot fi legate fie in serie, fie in paralel.

Din fila de catalog se cunoaste valoarea limita a curentului cu care se alimenteaza infasurarile. Curentul de comanda a infasurarilor se obtine cu ajutorul unui amplificator in doua etaje AS+AP:

AS - amplificator sumator cu care se insumeaza mai multe marimi de intrare.

AP - amplificator de putere.

Amplificatorul AS+AP este comandat cu alte doua etaje AD+AM:

AD - amplificator diferential ce amplifica diferenta dintre curentul prescris si cel propriu-zis obtinut.

AM - amplificator de masura care amplifica diferenta dintre prescriere si reactie.

Peste curentul continuu al alimentarii infasurarii se suprapune o componenta de curent alternativ denumita curent de Dither.

Fig.

Efectul curentului Dither este acela de a provoca mici miscari dute - vino, cu frecventa ridicata, pentru pistonasul din sertarul de distributie al servovsalvei, pentru a se evita imbacsirea cu impuritati a ghidajului prin care culiseaza pistonasul si pentru a se asigura o comanda fina fara agatari a sertarului de distributie.

GS - generatorul de semnal care furnizeaza o tensiune sinusoidala de 200 Hz care se insumeaza cu curentul continuu de la intrarea AS.

Curentul prin infasurarile servovalvei se regleaza continuu functie de valorile prescrise si se urmareste cu doua bucle de reactie, una realizata cu rezistenta Rr si una realizata cu AD.