Având în vedere variabilitatea mare a principiilor de lucru pe care se bazează diferitele tehnologii de acționare, acest capitol va prezenta pe scurt cele mai multe dintre ele și se va concentra în principal pe actuatoarele electromecanice care sunt soluția utilizată pe scară largă în automatizare și robotică.

Actuatoare electromecanice

Motoarele electrice sunt cele mai frecvent utilizate în industrii: un actuator electromecanic este de obicei configurat ca un sistem rotativ al cărui semnal electric care comandă principiul de lucru și generează cuplul este comutat mecanic (motor cu perii) sau electronic (fără perii). O clasificare inițială la nivel funcțional se poate face între motorul cu viteză reglabilă și motorul cu regim de rotație fixat (Greenwood 1965). Primul este utilizat în toate acele aplicații în care este necesară o reglare continuă a vitezei și generarea unei traiectorii complexe; al doilea tip este utilizat în principal în acele aplicații în care sunt necesare trei regimuri diferite de rotație: înainte, înapoi și oprire. O a doua clasificare a mașinilor electrice rotative se poate face luând în considerare caracteristicile constructive prezentate în Fig. 3a. Motoarele asincrone sunt mașini alimentate cu curent alternativ la care viteza de rotație a rotorului lor este mai mică decât cea a câmpului magnetic rotativ, a cărur viteză de rotație este multiplu al frecvenței sursei de energie (Wavre și Thouvenin 1995). La mașinile sincrone viteza de rotație este sincronizată cu cea a câmpului electric, iar rotorul are aproximativ aceeași viteză.

O primă aplicare a acestor două categorii de motoare a fost o turație constantă fără posibilitate de reglare fină, deoarece regimul de rotație fusese impus de sursa primară de energie 50 sau 60Hz. Motoarele cu colector au fost proiectate pentru a permite o reglare fină a vitezei; de obicei sunt alimentate cu curent continuu și au două arhitecturi principale care sunt „perii” și „fără perii”; prima arhitectură necesită prezența unei comutări mecanice deoarece câmpul magnetic este generat de magnet permanent (sau bobinele înfășurate) în stator. Motorul fără perii reprezintă cel mai utilizat actuator electromecanic rotațional în automatizare și robotică, datorită performanțelor sale ridicate și a raportului greutate-putere redus și va fi discutat în detaliu în paragrafele următoare.

La motorul fără perii, înfășurările sunt pe stator, în timp ce rotorul are magneți permanenți. Un traductor (senzor Hall și/sau encoder optic) citește poziția unghiulară a rotorului, reintroducând informațiile către electronica care alimentează înfășurarea trifazată în stator (Beaty și Kirtley 1998). Din punct de vedere al principiului de funcționare, acest tip de motor este similar cu cele sincrone, unde câmpurile electrice ale statorului și rotorului sunt mereu în fază și cu multiple avantaje legate de frecare redusă (fără perii pentru comutație mecanică), inerție redusă, și dispersie de căldură datorită înfășurării care se află pe structura exterioară a statorului. Apoi, în paragraful următor, vor fi descrise în detaliu unele tipologii de acționare electromecanică, care reprezintă în zilele noastre cele utilizate pe scară largă.

Motor AC

Motorul AC reprezintă cel mai scăzut punct în ceea ce privește complexitatea controlului și este, de asemenea, cel mai puțin costisitor în ceea ce privește efortul tehnologic și performanța.

Liniile de producție implică de obicei o varietate de acționări cu motoare cu viteză variabilă care servesc la alimentarea benzilor transportoare, a brațelor robotice, a macaralelor, a liniilor de procesare a oțelului, a fabricilor de hârtie și a liniilor de prelucrare a plasticului și a fibrelor, pentru a numi doar câteva. Aceste aplicații sunt acum servite în mod predominant de ceea ce poate fi numit acționări AC de uz general. În general, astfel de acționări AC prezintă adesea un avantaj de cost față de omoloagele lor DC și, în plus, oferă o întreținere mai mică, o dimensiune mai mică a motorului și o fiabilitate îmbunătățită.

Însă, așa cum a fost introdusă anterior, flexibilitatea de control disponibilă cu aceste acționări este limitată și aplicarea lor este restricționată la ventilator, pompă și compresor, unde viteza trebuie reglată doar aproximativ și unde răspunsul tranzitoriu și performanța la viteză mică nu sunt critice.

Acționările mai pretențioase utilizate în mașini-unelte, ascensoare de mare viteză, dinamometre, laminoare, linii de sticlă plană și altele asemenea au cerințe mult mai sofisticate și trebuie să ofere flexibilitatea pentru a permite reglarea unui număr de variabile, cum ar fi viteza, poziția, accelerația și cuplul. Astfel de aplicații de înaltă performanță necesită în mod obișnuit o acuratețe de menținere la viteză mare mai bună de 0,25 %, o gamă largă de viteze de cel puțin 30:1 și un răspuns tranzitoriu rapid, de obicei mai bun de 50 rad/s, pentru bucla de viteză.

Datorită focalizării principale pe robotică a cărții, un efort major va fi dedicat motorului DC care în prezent reprezintă cea mai utilizată soluție de acționare; pentru o vedere mai amplă și o descriere detaliată a motorului AC, cititorul este invitat să se uite la bibliografiile Beaty și Kirtley (1998) și Sen (1997).

Motor DC

Principiul de funcționare al unui motor DC se bazează pe prezența unui câmp magnetic generat de magneți permanenți pe stator sau bobine de câmp și bobine de pe rotor în care circulă curent. Motoarele cu bobine de câmp sunt utilizate peste o anumită cerință de putere și au cea mai mare performanță în ceea ce privește cuplul și viteza maxime și, de obicei, pot avea configurații diferite, așa cum este raportat în Fig. 3b (serie, paralelă și compusă). Un motor DC comutat are un set de înfășurări rotative înfășurate pe o armătură montată pe un arbore rotativ (rotor). Arborele poartă, de asemenea, comutatorul, un comutator electric rotativ durabil care inversează periodic fluxul de curent în înfășurările rotorului pe măsură ce arborele se rotește. Armătura rotativă constă dintr-una sau mai multe bobine de sârmă înfășurate în jurul unui miez feromagnetic magnetic „moale”, laminat. Câmpul magnetic produs de armătură interacționează cu un câmp magnetic staționar produs fie de magneți permanenți, fie de bobine de câmp înfășurate, ca parte a cadrului motorului. Curentul care circulă în înfășurările rotorului este responsabil să genereze un al doilea câmp magnetic care va interacționa cu cel al magneților permanenți de pe stator producând în consecință un cuplu care va fi variabil în funcție de unghiul dintre cele două câmpuri magnetice. Bobinele montate pe rotor sunt alimentate alternativ în funcție de poziția rotorului în sine pentru a obține un cuplu constant: selecția bobinei se obține printr-un comutator fixat la masă care folosește perii pentru a conduce curentul în bobinele rotative (Sen 1997). ). Forța dintre cele două câmpuri magnetice tinde să rotească arborele motorului generând un cuplu. Comutatorul comută alimentarea la bobine pe măsură ce rotorul se rotește, împiedicând polii magnetici ai rotorului să se alinieze complet cu polii magnetici ai câmpului statorului, astfel încât rotorul nu se oprește niciodată, ci mai degrabă continuă să se rotească atâta timp cât este aplicată alimentarea.

Folosind această soluție, doar una sau unele bobine au curent care circulă și generează un mod de a avea mai multe fante și conductori numite înfășurări de armătură, în timp ce fluxul magnetic al statorului este generat de miezul polului. Din cele de mai sus, se pot obține câteva relații importante între parametrii mecanici și electrici ai motorului: fluxul magnetic generat de curentul care circulă în înfășurările rotorului este dat de următoarea formulă:

unde constanta k depinde de multipli factori constructivi. Se poate deriva cuplul care va rezulta proporțional

Mărimea Kt se numește constantă de cuplu și este furnizată de obicei de constructorul motorului. Prin urmare, direcția cuplului este determinată de fluxurile atât în ​​rotor, cât și în stator, iar legătura dintre curentul și tensiunea de alimentare și viteza motorului poate fi determinată prin scrierea ecuației circuitului echivalent (Fig. 4d) unde R și L reprezintă rezistența echivalentă și respectiv inductanța armăturii; V este tensiunea sursei mașinii electrice; și kΦsωm este efm inversă (Vb) generată de curentul care curge în înfășurările rotorului. Mai exact L și R sunt strict legate de specificațiile și materialele din care este construit motorul.

Fig. 4 Concept general de motor DC și circuit electric echivalent

Ecuația 3 este valabilă pentru toate tipologiile de motoare unde efm inversă poate fi exprimat printr-un Vb = kΦsωm = keωm unde ke se numește constantă de tensiune. Cuplul motorului poate fi derivat prin formula raportată mai jos, unde kt este un parametru menționat anterior numit constantă de cuplu:

Cuplul total aplicat mecanicii actuatorului este asigurat de contribuția sarcinii J și a cuplului rezistiv CR al rotorului. Prin substituirea Ec. 4 în Ec. 3, se obține o ecuație generală care leagă viteza unghiulară și tensiunea:

Din ecuația anterioară, se poate deduce cu ușurință că, dacă motorul funcționează la regim de rotație constant fără nicio sarcină aplicată, viteza unghiulară va fi proporțională cu tensiunea și nu va fi absorbit nici un curent. În condiția ipotetică menționată, considerând constante parametrii Ec. 6, se pot obține următoarele:

Fig. 5 Graficul de mai sus arată o curbă cuplu/viteză a unui motor DC tipic. Rețineți că cuplul este invers proporțional cu viteza arborelui de ieșire. Cu alte cuvinte, există un compromis între cât de mult cuplu oferă un motor și cât de repede se rotește arborele de ieșire.

Din ecuație, se poate observa că în prezența cuplului rezistiv CR (care este opusul cuplului furnizat de motor Cm), turația motorului poate fi scrisă parametric ca funcție de tensiunea V așa cum se arată în Fig. 5a. unde ω0 este viteza fără sarcină și Cstall este cuplul de blocare care reprezintă valoarea maximă la care motorul o poate furniza aproape de viteza nulă. Ecuația 9 definește caracteristicile statice ale motorului și relația dintre cuplu, tensiune, turație și constanta de cuplu:

Dacă se consideră o situație în care se are un anumit grad de variabilitate a tensiunii V și a cuplului rezistiv CR, Ec. 6 presupune o formă diferită și diferențierea curentului care curge în înfășurări nu este de neglijat. Folosind Laplace, se poate exprima relația dintre tensiune și viteza unghiulară într-o formă mai simplă:

Ecuațiile de mai sus oferă informații despre modul în care motorul se comportă pentru o tensiune variabilă prin introducerea unei funcții A(s) care se referă la dinamica motorului și caracteristicile sale τm, respectiv τe, numite constante de timp mecanică și electrică:

După cum se poate observa din Ec. 12, actuatorul electromecanic poate fi presupus ca un sistem de ordinul doi cu următoarele valori pentru frecvența naturală și factorul de amortizare:

În aplicațiile comune, de obicei cele două constante au valori diferite, τm >> τe și, prin urmare, termenul A(s) poate fi aproximat la următoarea formă:

În condițiile considerate, răspunsul în frecvență al sistemului poate fi ușor identificat prin diagrama Bode (Fig. 5b). Dacă tensiunea de control V este variată lent, proporționalitatea dintre viteză și tensiune este potrivită. Pentru frecvența de oscilație a tensiunii mai mare de ω1 = 1/τm, răspunsul motorului va fi mai lent și atenuat în funcție de valoarea celor două constante electrică și mecanică.

Fig. 6 Exemplu de control cu tensiune și curent în buclă deschisă pentru reglarea vitezei într-un motor DC

Motoarele DC pot fi controlate atât în ​​tensiune (V) cât și în curent (I). În primul caz, este posibil să se controleze viteza unghiulară a motorului cu o valoare finală rezultată care va depinde întotdeauna de cuplul rezistiv CR aplicat arborelui motorului. Schema de control pentru un motor DC cu viteză controlată este raportată în Fig. 6a: de obicei comanda de intrare este o tensiune Vctrl trimisă de controler care este proporțională cu viteza dorită.

Există, de asemenea, o altă modalitate de a controla motorul prin utilizarea intrării de curent în loc de o tensiune, așa cum este prezentat în Fig. 6b. Din ecuația care leagă cuplul și curentul într-un motor DC Cm = ktI, se poate exprima curentul în termeni de inerție a motorului și accelerația unghiulară:

unde folosind Laplace,

Fig. 7 Caracteristica cuplu-tensiune al motorului DC în controlul cu tensiune și curent: curbele caracteristice rezultate ale unei viteze controlate de tensiune (a) și ale vitezei controlate de curent (b)

Controlul motorului prin curent de armătură este o tehnică care permite alegerea vitezei în prezența unei sarcini rezistive și a cuplului corespunzător. Diagrama este în Fig. 7b unde turația motorului nu este aleasă direct de curentul de intrare, ci depinde de cuplul rezistiv care poate fi văzut ca amortizarea mecanică a motorului în sine sau o sarcină aplicată arborelui de ieșire. Problema principală care apare este atunci când nu este aplicată nicio sarcină, în această stare când cuplul rezistiv este foarte scăzut, motorul va tinde să accelereze și să se rotească cu o viteză mare. Soluția adoptată este furnizarea unui feedback de viteză/poziție și includerea motorului într-o buclă închisă. Într-un astfel de tip de configurație, elementele constructive și electronica sistemului rezultă într-o arhitectură mai complexă, dar permite o reglare fină față de soluția anterioară.

Dinamica și controlul actuatorului