Nyugat-magyarországi Egyetem Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Halas János, Huba Antal, Láng Péter, Molnár László, Nagy Sándor, Samu Krisztián, Suda Jenő Miklós
Elektronika
Műszaki metaadatbázis alapú fenntartható e-learning és tudástár létrehozása
TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0067
tudasfelho.hu A pályázat keretein belül létrehoztunk egy speciális, felhő alapú adatbázist, tudásfelhő néven, ami egymástól függetlenül is értelmes tudásmorzsákból építkezik. Ezekből az elemi építőkövekből lehet felépíteni egy-egy órai tananyagot, vagy akár egy tantárgy teljes jegyzetét. A létrejött tananyagokat a program online „fordítja” le egy adott eszközre, így a tananyagok optimálisan tudnak megjelenni a diákok okostelefonján, vagy akár egy nagy előadó kivetítőjén is. A projektben résztvevő oktatók a saját maguk által fejlesztett, létrehozott tananyagokat feltöltötték a felhő alapú adatbázisba. A felhasznált anyagok minden eleme mindig magával viszi az eredetileg megadott metaadatokat (pl. fénykép készítője), így a felhasználás során a hivatkozás automatikussá válik. GSPublisherEngine 0.0.100.17
! Ma nagyon sok oktatási kísérlet zajlik a világban, de még nem látszik pontosan, hogy a „fordított osztály” (flipped classroom) vagy a MOOC (massive open online courses) nyílt videó anyagai jelentik a járható utat. Az azonban mindenki számára világos, hogy változtatni kell a megszokott módszereken. A kidolgozott tudásfelhő keretrendszer egyszerre képes kezelni az egyéni tanulási utakat, de akár ki tud szolgálni több ezer hallgatót is egyszerre.
!
GSPublisherEngine 0.0.100.17
Minden oktató a saját belátása szerint tudja alkalmazni, használni, alakítani az adatbázisát, valamint szabadon használhatja a mások által feltöltött tanagyag elemeket anélkül, hogy a hivatkozásra külön hangsúlyt kellene fektetnie. Az egyes elemekből összeállított „jegyzetek” akár személyre szabhatók, ha pontosan behatárolható a célcsoport tudásszintje.
! Az elkészült tananyagok nem statikus, nyomtatott (PDF) jegyzetek, hanem egy állandóan változó, változtatható képekből, videókból és 3D modellekből felépített dinamikus rendszer. Az oktatók az ipar által megkövetelt legmodernebb technológiákat naprakészen tudják beépíteni a tudásfelhőben tárolt dinamikus „jegyzeteikbe” anélkül, hogy új „PDF” jegyzetet kellene kiadni. Ez az online rendszer biztosítja a tananyagoknak és magának az oktatásnak a fenntarthatóságát is.
! A dinamikus, metaadat struktúrára épülő tananyagainknak ebben a jegyzetben, csak egy pillanatfelvétele, lenyomata tud megjelenni. A videóknak, az interaktív és 3D struktúráknak, valamint a frissülő tartalmaknak a megjelenítésére így nincsen lehetőségünk.
! Az e-learning nem feleslegessé teszi a tanárokat, hanem lehetővé teszi számukra, hogy úgy foglalkozhassanak a diákjaikkal, ahogy a mai, felgyorsult világ megköveteli.
Aktuátortechnika
A tárgy tartalma • • • • • • • • • •
Egyenáramú szervomotorok Elektronikusan kommutált motorok Aszinkron szervomotorok Léptetőmotorok Lineáris motorok Piezo-elektromos aktuátorok Magnetostrikciós aktuátorok Emlékező fémes (SMA) aktuátorok Elektrosztatikus aktuátorok Vezérelhető folyadékok
EGYENÁRAMÚ SZERVOMOTOROK
Egyenáramú szervomotorok • A műszertechnikában legelterjedtebb motorok • Kedvező tulajdonságaik: – analóg mozgás – jó szabályozhatóság
• Alapvetően két típusuk terjedt el: – Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló – Elektrodinamikus kölcsönhatáson
alapuló motorok
Egyenáramú szervomotorok • Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló motorok
Egyenáramú szervomotorok • Elektrodinamikus kölcsönhatáson alapuló egyenáramú motorok
Lorentz-erő:
dF = I (d l × B) ⇒ F = IlB
Lenz-törvény:
U i = vlB
Egyenáramú szervomotorok •
Elektrodinamikus aktuátorok • Ferromágneses forgórészű motorok
• Légréstekercses motorok
Egyenáramú szervomotorok • Elektrodinamikus aktuátorok – Nyugalmi állapotban az indítónyomaték hat a motor forgórészére ! !
M = F ⋅ r = N ⋅ B ⋅ l ⋅ I ⋅ r = kM ⋅ I
– A forgórész forgásba jön, így a forgórész tekercsében indukált feszültség: ! !
U i = N ⋅ B ⋅ l ⋅ r ⋅ ω = kM ⋅ ω
– Az indukált feszültség hatására a vezettékben folyó áramerősség lecsökken:
U − U i U − kM ω I= = R R
Egyenáramú szervomotorok • Kommutáció – Mindig tartalmaznak kefét és kommutátort (egyenirányítót)
Egyenáramú szervomotorok • Soros gerjesztés
Ia=Ig
M Uk
Ia
Uk
Ui
Ra
La Ig Rg
Lg
Kvázi-stanicioner állapotot (ω=konst.; di/dt=0) feltételezve:
ia = i g = i Φ = C2ig = C2i U = i ( Ra + Rg ) + U i
Egyenáramú szervomotorok • Soros gerjesztés – Indukált feszültség ! !
U i = C1Φω = C1C2iω
– A motor nyomatéka ! !
M = C1Φia = C1C2i 2
– A fentiekből a motor karakterisztikus egyenlete:
Ra + Rg U ω= − C1C 2 C1C 2 M
Egyenáramú szervomotorok • Soros gerjesztés – A motor (mechanikai) rövidzárási árama (ω=0) és nyomatéka: ! ! ! ! !
U i0 = Ra + Rg
2 C C U M 0 = C1Φi0 = C1C 2 i02 = 1 2 2 (Ra + Rg ) – végeredményben:
U ω= C1C 2
& 1 # 1 $ ! − $ M ! M 0 " %
M i= C1C 2
Egyenáramú szervomotorok • Soros gerjesztés
Egyenáramú szervomotorok • Párhuzamos gerjesztés
M Uk
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés
Ug
!
D
Ig=áll.
É
! ! !
M
M
Uk
Uk
! ! Ra
!
La≈0
ΔUkefe
!
– A gerjesztés állandó U U – Fordulatszám-tartó – Gerjesztésként állandómágnes is alkalmazható, emiatt nagyobb a hatásfok k
i
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés – Motoregyenletek
M = C1Φi = k M i U i = C1Φω = k M ω
U = Ra i + ΔU kefe + U i ≅ Ra i + U i
U MRa ω= − 2 kM kM
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés – Indítási áram ! ! !
U i0 = Ra
– Indítónyomaték ! ! !
– Üresjárási fordulatszám
kMU M0 = Ra
U ω0 = kM
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés & & MT + M S M # !! = ω 0 $$1 − ω = ω 0 $$1 − M0 % M0 " %
# !! "
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés – Teljesítmény maximuma ! ! ! ! ! ! ! !
2
M P = Mω = Mω 0 − ω0 M0 ∂P M = ω0 − 2 ω0 = 0 ∂M M0 M0 M ( Pmax ) = 2
– Hatásfok maximuma
M (ηmax ) = M S M 0 − M S ≅ M S M 0
Egyenáramú szervomotorok • Külső gerjesztés
Egyenáramú szervomotorok • Fordulatszám-szabályozás lehetőségei – Kapocsfeszültség változtatása
Egyenáramú szervomotorok • Fordulatszám-szabályozás lehetőségei – Előtétellenállás alkalmazása
Egyenáramú szervomotorok • Fordulatszám-szabályozás lehetőségei – Gerjesztés változtatása
Univerzális motor • A párhuzamos és soros gerjesztésű egyenáramú motorok forgásiránya a kapocsfeszültség irányától független, mert az armatúraáram és a fluxus együtt váltanak előjelet. Hogyan viselkednek ezek a motorok váltóáram esetében? ! ! !
ia = 2 I a cos(ωt ) i g = 2 I g cos(ωt − Ψ )
A nyomaték a fentiekkel: ! !
M (t ) = 2C1C 2 I a cos(ωt )I g cos(ωt − Ψ ) = C1C 2 I g I a [cos(Ψ )+ cos(2ωt − Ψ )]
A hasznos nyomaték-komponens M = C1C2 I g I a cos(Ψ )
Univerzális motor • Párhuzamos gerjesztésű motor esetében – nagy a gerjesztőköri induktivitás, a gerjesztőáram közel 90°-kal késik az armatúraáramhoz képest, cosψ≈0, így a nyomaték is megközelítőleg nulla.
• Soros motornál – a gerjesztőáram megegyezik az armatúraárammal, így ψ≈0, cosψ≈1 – A motor nyomatéka közel ugyanakkora, mint egyenáramú táplálás esetében.
• A lemezelt állórészvasmaggal készített kisteljesítményű kétpólusú, egyen- és váltakozó árammal egyaránt működő motorok az ún. univerzális motorok. • Jelleggörbéjük a soros gerjesztésű motorokéhoz hasonló, nagy az indítónyomatékuk, sokféle fordulatszámra készíthetők. • Jellemző felhasználási területek: kéziszerszámok, háztartási eszközök.
ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK
Elektronikusan kommutált motorok • Az egyenáramú motoroknak a mechanikus kommutáció miatt a következő hátrányai vannak: – – – – – –
Érintkezési bizonytalanság Korlátozott élettartam Helyigény Járulékos zajok Súrlódási veszteségek A kommutátor mechanikai szilárdsága korlátozott
• A mechanikus kommutáló berendezést elektronikusra cserélve megtarthatóak az egyenáramú gépek kedvező tulajdonságai, a fenti hátrányokat megszüntetve.
Elektronikusan kommutált motorok • Az elektronikus kommutátorú motorban az állórész és a forgórész szerepe felcserélődik. ! ! ! ! !
• A forgórész szöghelyzetét ismerni kell. Ehhez különféle vezérléseket alkalmaznak: • • • •
Hall generátoros, Optoelektronikai, Csatolótranszformátoros, Indukált feszültséges vezérléseket.
Elektronikusan kommutált motorok • Az állórész tekercselése – Egyfázisú, kétütemű motorok ! ! ! ! ! ! ! – – – –
Jó tekercskihasználás Egyszerű tekercselés Ikertápegység A fordulatszámmal arányos jel előállítása nehezebb
Elektronikusan kommutált motorok • Az állórész tekercselése – Egyfázisú, kétütemű motor, bifiláris tekercseléssel ! ! ! ! ! ! ! • Hátrányai – Nő a tekercselés költsége – Rosszabb a tekercskihasználás • Az egyfázisú tekercselés előnye: – Egyszerű kapcsoló elektronika • Az egyfázisú tekercselés hátránya: – Nulla nyomatékú helyek vannak (ezt egyirányú forgás esetén légrésaszimmetriával lehet kiküszöbölni
Elektronikusan kommutált motorok • Háromfázisú, háromütemű motorok
Elektronikusan kommutált motorok • Négyfázisú, négyütemű motorok
Elektronikusan kommutált motorok • Háromfázisú, hatütemű motorok ! ! ! ! ! ! ! – A tekercselés klasszikus háromfázisú tekercselés, amelyet híd táplál – Előnyök: • A nyomatéklüktetés minimális • A kihasználás a legkedvezőbb
– Háránya: • Az indukált feszültséggel nem lehet a vezérlést megvalósítani • A vezérlés bonyolultabb
Elektronikusan kommutált motorok • A kapcsolóelemek vezérlése – A vezérlés jósága erősen befolyásolja a motor nyomatékát, kihasználtságát. – Az érzékelőkkel, kapcsolásokkal szemben támasztott követelmények: • • • • •
Ne tartalmazzon mozgó, csúszó érintkezőt. Minimális helyzetérzékelési bizonytalanság. Érzéketlenség a tápfeszültség- és a hőmérsékletváltozásra. Minimális időállandó. Az érzékelés irányhelyes legyen.
Elektronikusan kommutált motorok • A forgórész helyzetének érzékelésére a következő elvek alkalmasak: – – – – – – –
Nagyfrekvenciás csatolású (induktív, kapacitív) Optoelektronikus (IR, látható) Magnetorezisztív Reed-relés Ferrorezonanciás Hall generátoros Érzékelő elem nélkül, használaton kívüli tekercsekben indukált feszültséggel működő vezérlések.
Elektronikusan kommutált motorok • Vezérlés csatolótranszformátorról
Elektronikusan kommutált motorok • Vezérlés indukált feszültséggel – A kapcsolótranszformátorokat az éppen nem gerjesztett tekercsekben indukált feszültséggel vezéreljük. – Csak akkor van indukált feszültség, amikor a motor már forog, ezért a vezérlés is csak forgó motor esetében működik. – Indításkor a vezérlőáramkör többfokozatú multivibrátorként működik, a motor léptetőmotorként indul. – Előnye, hogy hiányzik a forgórész helyzetének meghatározására szolgáló alkatrész. – A vezérlés fázistolást is végez az egyes tekercsek átfedéssel történő vezérléséhez. – A motor jó kihasználása és stabil üzeme akkor teljesül, ha az egyes tekercsek kikapcsolt állapotaiban a fázistoló kapcsolás a tekercsen mérhető indukált feszültséghez képest 60°-os késleltetéssel tolja el a nullátmenetet, azaz a következő fázis bekapcsolásának pillanatát. Ez a fázistoló csak meghatározott fordulatszámra méretezhető, és a motor ebben a szűk tartományban üzemeltethető.
Elektronikusan kommutált motorok • Hall-generátoros vezérlés
Elektronikusan kommutált motorok • Fordulatszám-szabályozás
ASZINKRON MOTOROK
Aszinkron motorok • Az aszinkron motor az egyik leggyakrabban előforduló motortípus. Ennek oka, hogy a kalickás forgórészű motorok a legegyszerűbb felépítésűek, és így a legolcsóbbak. • Mint ismeretes, aszinkron gépek esetében nyomatékot forgó mágneses mezővel lehet létrehozni. Egyfázisú táplálás estében azonban lüktetőnyomaték alakul ki, ezért csak külön elemek közbeiktatásával lehetséges egyfázisú motorokat létrehozni. Egyfázisú motorok lehetnek: – – – –
Segédfázis nélküli, Segédfázisos, Kondenzátoros, Árnyékolt pólusú motorok.
Aszinkron motorok • A motorra jellemző a kis indítónyomaték, emiatt számukra az indítás a legkényesebb üzemállapot.
Aszinkron motorok • Segédfázis nélküli, egyfázisú aszinkron motor – Szimmetrikus táplálású forgó kétfázisú motor egyik fázisát megszakítva, a motor egyfázisú táplálás esetén is forgásban marad és terhelhető.
Aszinkron motorok • Segédfázisos aszinkron motor – Olyan egyfázisú aszinkron motor, amelynek főfázis-tekercseléséhez képest térben eltolt helyzetű, párhuzamosan kapcsolt tekercselése van, és ebben a főfázis gerjesztéséhez képest időben (fázisban) különböző gerjesztést létesítenek.
Aszinkron motorok • Indítóellenállásos segédfázis – A főfázis általában az állórészhornyok 2/3-át foglalja el. Kedvezőbbek az indítási tulajdonságok, ha szinuszos koncentrikus a tekercselés. – A segédfázis rezisztanciájának megnövelésével biztosítható, hogy az azonos fázisú táplálás ellenére a fázisáramok különböző fázisúak legyenek. A főfázis rövidzárási áramához képest ugyanis nagy, 50..60° körüli értékű, míg a segédfázisé, az ellenállás hatására lecsökken.
Aszinkron motorok • Indítókondenzátoros segédfázis – Az indítókondenzátoros motoroknak jó indítási tulajdonságaik vannak (ha Mi>1,6Mn, indítókondenzátort alkalmaznak), ezen felül gazdaságosak is. – Az indítókondenzátor több típusa bipoláris elektrolitkondenzátor, amelyeknek az alábbi korlátozásai vannak: – Veszteségük nagy, ha a lekapcsolás késik, felrobbanhatnak. – Egy indítás kb. 3s-ra, az óránkénti indítások száma 20-25-re van korlátozva. – A kondenzátor hőmérsékletének emelkedésével többnyire a kapacitás is nő. – A sorozatban gyártott kapacitások tűrése kb. ±10%.
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – Jó üzemi és elfogadható indítási tulajdonságok. Megfelelő paraméterekkel bármilyen üzemi viszonyokat ki tudnak elégíteni. – Üzemi kondenzátorral a gép hatásfokát és leadott teljesítményét (azonos aktív térfogat mellett) jelentősen növelni lehet. A hatásfok elérheti a körforgó mezős gép 70..94%-át is, a kapcsolástól függően. – Legjobban elterjedt kapcsolás kondenzátoros/főfázis tekercstérfogatának aránya 0,5..1,2 között változik. A segédfázis tekercstérfogatának csökkenésével csökken a motor aktív anyagainak kihasználtsága, azonban ez célmotorok esetében háttérbe szorulhat. – Az üzemi kondenzátor kapacitás a legkedvezőbb üzemi tulajdonságok esetén lényegesen kisebb az indításra használt kondenzátorokénál (kb. 15..20%).
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – A kondenzátoros motorok néhány sajátossága: • Üresjárási állapotuk kedvezőtlenebb lehet, mint a névleges terhelésnél. • A kondenzátoros fázis indítási árama alatta, üresjárási árama felette van a névleges terheléshez tartozó áramnak. • Induláskor és üresjáráskor mindig elliptikus mező van.
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – Kétfázisú párhuzamos kapcsolás ! ! ! ! ! ! ! ! • Egyik leggyakoribb kapcsolás. • A forgómező feltételei csak egy fordulatszámnál lehetséges, egyébként elliptikus.
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – Kétfázisú soros kapcsolás ! ! ! ! ! ! ! !
– Akkor célszerű alkalmazni, ha a hornyonkénti vezetőszámot csökkenteni akarják – Nem elterjedt kapcsolás.
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – Csillagkapcsolás ! ! ! ! ! ! ! ! • Háromfázisú sztátortekercselés. Ekkor jobb a tekercselési tényező, kisebb a kondenzátorfeszültség, és kisebb a hornyonkénti vezetőszám.
Aszinkron motorok • Üzemi kondenzátoros motorok – Deltakapcsolás ! ! ! ! ! ! ! ! • 500W-nál nagyobb teljesítmények esetén alkalmazzák. • A csillag- és deltakapcsolások között nincs elvi különbség, az egyes fázistekercseket kell kisebb, ill. nagyobb feszültségűre készíteni. • A kapcsolások hibája, hogy csak cosϕ=0,5 fázisszögnél jön létre a körforgó mező.
Aszinkron motorok • Árnyékolt (hasított) pólusú motor – 5 W-nál kisebb teljesítmények esetében széles körben elterjedt.
Aszinkron motorok • Árnyékolt (hasított) pólusú motor – Az árnyékolt pólusú gép indítónyomatéka függ az árnyékoló-menet rezisztanciájától és az árnyékolt pólusív nagyságától.
Aszinkron motorok • Árnyékolt (hasított) pólusú motor – Mivel az árnyékolt pólusú motorok kiálló pólusúak, a gerjesztés eloszlása a légrésben nem szinuszos. Ezért páratlan rendszámú felharmonikusok lépnek fel a jellegörbén.
Aszinkron motorok • Aszinkron szervomotorok – Legjelentősebb képviselői az úgynevezett serleges motorok, de lehetnek kalickás forgórészűek is. – Gerjesztése állandó amplitúdójú szinuszos, vezérlése a gerjesztőfeszültséghez képest ±90°-kal eltolt fázisú, változó amplitúdójú feszültséggel lehetséges. – A forgórészt olyan nagy ellenállásúra készítik, hogy a billenőnyomaték a negatív fordulatszámok tartományába,(s>2) essen. – A nagy forgórész-ellenállás miatt a hatásfokuk rossz. – A vezérlőfeszültség fázisa a forgásirányt, amplitúdója pedig a fordulatszámot határozza meg. – Lényeges tulajdonsága a motornak, hogy álló helyzetben is van nyomatékuk, így külső terhelés hatására fékező hatást gyakorolnak
Aszinkron motorok • Aszinkron szervomotorok – A motortípus nyomaték – fordulatszám jelleggörbéjén a folytonos görbék arra az esetre vonatkoznak, amikor a gerjesztőfeszültség értéke zérus. – A vezérlőfeszültség megjelentével a görbék eltorzulnak, az ábrán szaggatott vonallal jelölt görbékre, és a motor a jelölt nyomatékkal és fordulattal forgásba jön.
Aszinkron motorok • Aszinkron szervomotorok
LÉPTETŐMOTOROK
Léptetőmotorok • • •
• •
Szakaszosan érkező jelekkel táplálva meghatározott nagyságú szögelfordulásokat – amelyek nem folytonosak – tesznek. Jellegzetesen az összes tekercselés a motor állórészén helyezkedik el és a rotor, konstrukciótól függően, állandó mágnes, vagy valamilyen mágnesesen lágy anyag. A mozgáshoz szükséges összes kommutációt a motor vezérlésének kell megoldania, ami nem szerves része a motornak. A motorokat és a vezérlő elektronikákat úgy tervezik, hogy képesek legyenek mindkét irányba forogni, illetve a motort képesek legyenek egy fix helyzetben tartani. A modern léptetőmotorok legtöbbje képes audio-frekvenciás tartományban lépni, ami meglehetősen gyors mozgatást tesz lehetővé. A léptetőmotoros hajtások alkalmasak a nyílt körű szabályozásokra, de sokszor, a sebesség növelése érdekében visszacsatolásos szabályozást alkalmaznak. Ezek a visszacsatolásos szabályozások általában mikroprocesszorral működnek. A mikroprocesszoros visszacsatolású léptetőmotorokat a szakirodalom gyakran elektronikus kommutátorú gépeknek tekinti.
Léptetőmotorok • A változó reluktancia motorok
Léptetőmotorok • A változó reluktancia motorok – Forgórésze fogazott, mágnesesen lágy anyag. – Az állórész és a forgórész fogszáma különböző, – Az állórész gerjesztésekor a mágneses erővonalak energiaminimumra törekszenek, amit a mágneses ellenállás minimumánál érnek el, tehát a forgórész fogát a legközelebbi helyzetbe húzza. A minimumra való törekvéskor fellépő nyomatékot nevezik reluktancianyomatéknak, innen ered a típus elnevezése. – Mivel a rotor nem állandó mágnes, a motornak nincs tartónyomatéka a tekercsek gerjesztetlen állapotában. – A változó reluktancia motorok nyomaték, tehetetlenségi nyomaték aránya jó, viszont a méret és a nyomaték aránya rossz, ezért ritkán alkalmazzák ipari környezetben. – A fogak számának növelése érdekében a forgórészt több fogazott elemből építik fel, amelyek egymáshoz képest el vannak forgatva, illetve az állórészen többfázisú tekercselést hoznak létre.
Léptetőmotorok • Állandómágneses léptetőmotorok
Léptetőmotorok • Állandómágneses léptetőmotorok – Forgórésze radiálisan mágnesezett permanens mágnesből készül, állórésze pedig hasonló a változó reluktancia motoréhoz. – Az állandómágnes miatt a tekercsek gerjesztetlen állapotában is van tartó nyomaték. – A tekercsek gerjesztésekor a kialakult mágneskör energiaminimumra törekszik, amit a legrövidebb mágneses erővonalakkal ér el, ezért a tekercs a polaritásával ellentétes fogat vonzani fogja, létrehozva így a rotor elfordulását. – Az állandómágneses léptetőmotorok előnye a változó reluktancia motorokhoz képest a nagyobb statikus nyomaték, hátránya viszont az alacsonyabb határfrekvencia (ennek oka az állandómágnes fluxusának csillapításában rejlik). – További hátrány lehet, hogy a villamos gerjesztés az állandómágnes lemágneseződését okozza, így a lépések alatt a mágnesek munkapontja jelentősen változik.
Léptetőmotorok • Hibrid léptetőmotorok
Léptetőmotorok • Hibrid léptetőmotorok – A hibrid léptetőmotorok a legelterjedtebb típusú léptetőmotorok. Elterjedésüket kedvező paramétereik indokolják. – A hibrid motorok ötvözik a változó reluktancia és az állandómágneses motorok előnyeit. – Az állórész is és a forgórész is fogazott (az állórész fogainak száma meg is egyezhet, de különbözhet is a forgórész fogainak számával), mint a változó reluktancia motornál, azzal a különbséggel, hogy a forgórész állandómágnest tartalmaz. – Egyesíteni tudja a változó reluktancia motorok nagy működési sebességét és kis lépésszögét az állandómágneses motorok nagyobb nyomatékával.
Léptetőmotorok • Unipoláris vezérlésű léptetőmotorok ! ! ! ! ! !
– mindkét tekercsen középleágazással vannak huzalozva. – A tekercsek középleágazásai jellemzően a pozitív tápfeszültségre vannak kötve, és a tekercsek kivezetései vannak felváltva földre kapcsolva. – A motorok állórészén lévő tekercsek megosztottak az egymással szemben álló pólusok között (jelen esetben az 1-es tekercs meg van osztva az alsó és a felső, a 2-es tekercs pedig a jobb és a bal pólus között).
Léptetőmotorok • Unipoláris vezérlésű léptetőmotorok – Az unipoláris vezérlés előnye, hogy a vezérlő áramkörnek összesen két tranzisztort kell tartalmaznia fázisonként. – Hátránya viszont, hogy a beépített rézmennyiségnek csak a fele vesz részt a mágneses tér létrehozásában, ezért a teljesítménye kissé csökken. – A léptetés sebessége növelhető a T=L/R időállandó csökkentésével.
Léptetőmotorok • Bipoláris vezérlésű léptetőmotorok ! ! ! ! ! ! !
– Tekercselésük egyszerűbb, minden motorfázis csak egy tekercselést tartalmaz, nem található rajtuk középleágazás. – Így a motor egyszerűbbé válik, viszont a motor vezérlőáram-köre lesz némileg bonyolultabb, mivel rá hárul a mágneses polaritások fordításának feladata.
Léptetőmotorok • Bipoláris vezérlésű léptetőmotorok – A bipoláris vezérlés létrehozásához motorfázisonként négy tranzisztorra van szükség, viszont a teljes beépített rézmennyiség részt vesz a mágneses tér felépítésében, ezért hatásfokuk nagyobb az unipoláris motorokénál.
Léptetőmotorok • Üzemmódok
Léptetőmotorok • Üzemmódok – Hullámhajtás • Egyszerre csak egy tekercs gerjesztett • A vezérlési szekvencia:
A→B→ A→B • ennek hatására a rotor a 8→2→4→6 pozíciókba lép. • Hátránya a rossz tekercskihasználás (unipoláris motor esetében 25%, bipoláris motor esetében 50%), ezért kicsi a leadott teljesítmény
Léptetőmotorok • Üzemmódok – Egészlépéses üzemmód • Egyszerre kéttekercs gerjesztett • A vezérlési szekvencia:
AB → AB → AB → A B
• ennek hatására a rotor a 1→3→5→7 pozíciókba lép. • Az egészlépéses üzemmód ugyanazt a szögelfordulást hozza létre, mint a hullámhajtás, de közel kétszer akkora teljesítménnyel
Léptetőmotorok • Üzemmódok – Féllépéses üzemmód • Az egészlépéses üzemmód és a hullámhajtás kombinációja. Az elérhető lépésszög a fenti két hajtással elérhetőnek a fele • A vezérlési szekvencia:
AB →aBrotor → AB • ennek hatására a → A → AB → B → A B → A 1→2→3→4→5→6→7→8 pozíciókba lép. • Az féllépéses üzemmódban a motor nyomatéka ingadozik
Léptetőmotorok • Üzemmódok – Mikrolépéses üzemmód • A mikrolépéses üzemmódban a lépéseket még jobban aláosztjuk. • Ez a vezérlő áram erősségének változtatásával érhető el
Léptetőmotorok • Statikus jellegörbe
Léptetőmotorok • Dinamikus jellegörbe
Szenzortechnika
A tárgy tartalma •
•
•
•
•
A hosszmérés, elmozdulásmérés szenzorai
– – – – –
Potenciométeres átalakítók Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Induktív átalakítók Optoelektronikus átalakítók Kapacitív átalakítók
A sebesség- és gyorsulásmérés szenzorai
– – – –
Indukciós átalakítók Örvényáramos átalakítók Piezoelektromos átalakítók Induktív átalakítók
Az erő-, nyomaték-, és nyomásmérés szenzorai
– – –
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Piezoelektromos átalakítók Kapacitív átalakítók
A hőmérséklet-, hőmennyiség-mérés szenzorai
– – – –
Bimetálok Ellenállás-hőmérők, termisztorok Hőmérsékletmérés diódával Termoelemek
A fény (elektromágneses sugárzás), mágneses mező mérésének szenzorai
– – – – – –
Fotodiódák Fotóellenállások Fotótranzisztorok Fényelemek Magnetorezisztív elemek Hall elemek
A HOSSZMÉRÉS, ELMOZDULÁSMÉRÉS SZENZORAI
Potenciométeres átalakítók • A potenciométer: két fix és egy mozgó kivezetéssel ellátott rezisztív feszültségosztó.
R = cα (= cs) Rmax & Rmax $$ = c= α max % s max α a= α max R = aRmax
# !! "
Potenciométeres átalakítók • Működési egyenletek, modellezés Rvez1
Rvez2 Ube
R0 Rx Rvez1
Rt Rvez2
Egyszerű terheléssel (elhanyagolva a vezetékellenállásokat) a karakterisztika:
Rt × Rx u ki = ube ( R0 − Rx ) + Rt × Rx
Uki
Potenciométeres átalakítók Az átalakító karakterisztikájának változása a terhelő-ellenállás függvényében 1
Rt/Ro=0,1 Rt/Ro=1 Rt/Ro=10
Uki/Ube[]
0,75
0,5
0,25
0 0
25
50 Rx[%]
75
100
Rt/Ro=0,5 Rt/Ro=5
Potenciométeres átalakítók • Rétegpotenciométerek – Karakterisztika lehet (az ellenállásréteg változó vastagságával érhető el) • Lineáris, • Exponenciális, • Logaritmikus
– Speciális csoport a trimmer (beállító) potenciométer. Jellemző rá a rosszabb minőség, ezért érzékelőként nemigen használatos.
Potenciométeres átalakítók • Huzalpotenciométer – Nagyobb megbízhatóság – Kisebb névleges ellenállás-tartomány – A jelleggörbéjük azonban lépcsőzetes!
R
1 S= 2n R max R = aR ± 2n
Menetszám növelése -> helikális potenciométer
a
Potenciométeres átalakítók • Kialakítások – forgó potenciométer
Potenciométeres átalakítók • Kialakítások – lineáris potenciométer
Potenciométeres átalakítók • Kialakítások – helikális potenciométer
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Rugalmas deformációt mérő ellenállás • Anyaga: fémhuzal, vagy félvezető • Hossz, keresztmetszet (tenzometrikus hatás), és a fajlagos ellenállás (piezorezisztív hatás) megváltozásán alapszik
dR dρ = ε(1 + 2ν )+ = g⋅ε R ρ
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Feltétel: a huzal deformációja a rugalmassági határán belül legyen • Rendszerint több szálat alkalmazunk, mert egy szál meredeksége kicsi és a mérés jel/zaj viszonya rossz (villamosan soros, deformáció szempontjából pedig párhuzamos kapcsolásúak)
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Fémhuzalos bélyegek: – – – – – – – – –
Tenzometrikus hatáson alapszik Névleges ellenállásuk 120, (300), 350, 600, vagy 1000Ω Gauge faktor: 2..2,2 Linearitás (függ a terheléstől): 4000 µε-ig kb. 0,1% 25000 µε-ig kb. 1% Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,1 µε Élettartamuk: 106..107 Mérési hőmérséklettartomány: -10..+100..150 °C
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Félvezető bélyegek: – – – – – – – – – –
Piezorezisztív hatáson alapszik Hőmérsékletváltozásra érzékenyebbek. Névleges ellenállásuk 120Ω Gauge faktor: 100..120 Linearitás (függ a terheléstől): 1000 µε-ig <1% 5000 µε felett jelentősen lecsökken Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,001 µε Élettartamuk: 106 ciklus (1000 µε mellett) Mérési hőmérséklettartomány: -55..+ 150 °C
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Jelleggörbéik: – fémszálas – lineáris – félvezető – nemlineáris ΔR R Fémszálas „n” típusú félvezető „p” típusú félvezető
ε
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Jellegzetes hibák: – Kúszás; vagyis, hogy a bélyeg milyen mértékben „fut” együtt a mérőtesttel. – Ismétlési, irányváltási hiba. – Linearitási hiba. – Nullpont hőmérsékletfüggése.
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók • Nyúlásmérő bélyeges elmozdulásmérés
Induktív átalakítók • Egy vasmagos tekercs induktivitása függ a mágnesköri ellenállástól: 2
N L= Rm
ds Rm = ∫ µA
Rm változtatható:
• • • •
Légrés nagyságának változtatásával Vasmagos tekercs induktivitásának változtatásával
(merülővasmagos átalakítók) A relatív permeabilitás változtatásával
(magnetoelasztikus átalakítók)
Induktív átalakítók • Hátrányok: – Relatíve nagy tömeg és méret – Nehéz gyárthatóság – Monolitikus integrált áramköri technológiába nem, hibrid áramkörbe is csak nehezen illeszthető.
• Hőmérsékletfüggés: – Hődilatáció következtében változik a tekercs geometriája, ellenállása – A geometria változása miatt változik a menetkapacitás is, ami a komplex veszteséggel és a jósági tényezővel is összefügg.
• A mérőkör váltakozó feszültségű, vivőfrekvenciás mérőhíd használható, fázisérzékeny demodulációval • Linearitása függ az elmozdulás mértékétől. – Kis elmozdulás: rosszabb felbontóképesség, jelmeredekség. – Nagy elmozdulás: nagyobb szórt induktivitás miatt rosszabb linearitás.
Induktív átalakítók • Légrés-változáson alapuló típusok Legfontosabb képviselői az induktív közelítéskapcsolók (proximity switch)
Induktív átalakítók • Merülővasmagos típusok Legfontosabb képviselői a differenciátekercses lineáris induktív útadók
Induktív átalakítók • Differenciátekercses induktív útadó félhidas kapcsolásban:
Induktív átalakítók • Transzformátor típusúak: – Elvileg az összes kéttekercses (differenciál) tekercstípusú átalakító felhasználható transzformátortípusú átalakítóként, mivel a köztük lévő különbség nem a felépítésükben, hanem a kapcsolástechnikájukban van. – Leggyakrabban a differenciáltranszformátoros átalakítókat alkalmazzák, ahol a primer, vagy a szekunder tekercset, esetleg mindkettőt megosztják.
Induktív átalakítók • Speciális rendeltetésű differenciál-transzformátoros mérőátalakítók:
Inductosyn • Az inductosyn egy huzalozott pályából és csúszkából áll. A csúszka két, egymással negyed osztással eltolt tekercset tartalmaz. Pálya
Csúszka
U1
U2
Ube
Inductosyn • A pálya (állórész) tekercselését néhány kHz-es váltakozó feszültséggel gerjesztve a csúszka tekercseiben feszültség indukálódik, amely arányos a csúszka tekercsei és a pálya tekercse közötti kölcsönös induktivitással, végeredményben a csúszka elmozdulásával. & 2πx # !! u1 = kU be sin(ωt ) sin $$ % p " & 2πx # !! u 2 = kU be sin(ωt ) cos$$ % p "
Optoelektronikus átalakítók • Transzmissziós elv
• Reflexiós elv
x
x
•Mindkét esetben LED-ből és fotótranzisztorból áll •A LED-et, 20 mA árammal célszerű terhelni • A kimenet a fototranzisztor kollektor-emitter feszültsége.
•Az érzékenység a kollektorköri munkaellenállással állítható. •Érzékeny a porra, változó fényviszonyokra. •Gyakori a modulált fényforrás
Optoelektronikus átalakítók
• Abszolút útadó
• Inkrementális útadó
Fotodiódás átalakítók • Iker-fotodióda – Egy anyagból készül, ezért jó a termikus együttfutásuK
If I
II
x n
n p
x I
II
Fotodiódás átalakítók • Kvadráns fotodióda – Leggyakoribb alkalmazási területe a CD fej szabályozása y
II
I
I x = ( I I + I IV ) − ( I II + I III ) x
III
IV
I y = ( I I + I II ) − ( I III + I IV )
Kapacitív átalakítók • Elmozdulásmérésre a hagyományos, fémfegyverzetekből felépült kondenzátorok alkalmasak. • A fegyverzetek közelítése, távolítása, illetve a fegyverzetek közti anyag dielektromos állandójának megváltozása a kondenzátor kapacitását növeli, illetve csökkenti. ε 0ε r A C= l
A SEBESSÉGMÉRÉS SZENZORAI
Indukciós átalakítók • Aktív átalakítók, feszültséget hoznak létre, szemben passzív átalakítókkal, amelyek a tápfeszültséget csak modulálják. • Az indukciós átalakítók legnagyobb része a mozgási indukción alapszik. • A mozgási indukció: B indukcióval jellemzett mágneses térben v sebességgel haladó Q töltésre F erő hat, akkor is, ha B konstans. F = QBv sin α F = Bv sin α = E Q B
B
U = ∫ Eds = ∫ Bv sin αds A
A
Indukciós átalakítók • Erővonalmetszés: a B indukciójú mágneses tér és a vezető (tekercs) egymáshoz képest elmozdul.
Indukciós átalakítók • Térváltozás: az indukciós átalakító mágnesköre, és így a mágneses tér (B) megváltozik.
Indukciós átalakítók • Örvényáramú
Tachogenerátorok • Egyenfeszültséget előállító tachogenerátorok – – – –
Kisméretű, egyenáramú generátorok n=750..2000 1/min. U=5..30 V. 1..4 póluspár, 6..12 kommutátorszelet
• Váltakozófeszülséget előállító tachogenerátorok. – n=150..3000 1/min. – U=15..150 V – Terhelés hatására a fordulatszámtól lineárisan függő kimenő feszültség mind jobban eltér a lineáristól.
Számlálástechnikai módszereken alapuló átalakítók • Mind haladó, mind forgómozgásoknál alkalmazhatók. • Impulzus-frekvencia mérését tételezi fel. – – – –
Érintkezős impulzusadó Induktív fog-generátor Belsőégésű motorok gyújtóimpulzusának felhasználása Fényvillamos impulzusadó (optikai rács, lyuktárcsa)
A GYORSULÁSMÉRÉS SZENZORAI
Piezoelektromos átalakítók • Egyes ásványi anyagok, mint pl. a kvarc, turmalin, báriumtitanát, Seignette-só, stb., mechanikai feszültségi állapot hatására villamosan polarizálódnak és felületükön villamos töltést halmoznak fel (Curie fivérek, 1880) • Számos igen előnyös tulajdonsága miatt piezoelektromos átalakítók céljára szinte kizárólag kvarcot (SiO2), annak természetes, vagy mesterséges formáját használják fel. • A kvarc előnyös tulajdonságai: – Igen nagy nyomószilárdság 2070 MPa (CERAM Research Ltd) – Viszonylag nagy ellenállóképesség hőmérsékleti hatások ellen, mintegy 500 °C-ig a piezoelektromos tényező kismérvű hőmérsékletfüggése – Nagy linearitás, hiszterézis nélkül – Igen nagy szigetelési ellenállás, kb. 1012 - 1016 Ωm
Piezoelektromos átalakítók • A kvarc hexagonális rendszerben kristályosodik. – x (villamos) tengely – y (semleges, vagy mechanikai) tengely – z (optikai) tengely
Piezoelektromos átalakítók •
•
A longitudinális hatás jellemzői:
– A töltések az erő támadási felületén gyűlnek össze. – A keletkező töltés nem függ a kvarc erőirányú geometriai méretétől, csak az erő nagyságától. – A keletkező töltés növelése mechanikailag soros, villamosan párhuzamosan kapcsolt kvarclemezekkel lehetséges.
A transzverzális hatás jellemzői:
– Függ a geometriai méretektől. – Az erő hatásvonalára merőleges felületen jelennek meg a töltések. – Termikus lökésekre a transzverzális átalakítók kevésbé érzékenyek, mint a longitudinálisak.
Közvetett mérési eljárások • Másodrendű, soros lengőrendszer: ! x! + 2ξαx! + α 2 x = −a
k α= m
b 1 ξ= 2 mk
1. Nagy tömeg, kis csillapítási tényező, kis rugómerevség: Útérzékeny rendszer 2. Kis tömeg, kis rugómerevség, nagy csillapítási tényező: Sebességérzékeny rendszer 3. Igen nagy rugómerevség, kis tömeg és kis csillapítási tényező: Gyorsulásérzékeny rendszer
Nyúlásmérő bélyeges átalakítók
Kapacitív átalakítók
Induktív átalakítók
Indukciós gyorsulásmérő
Piezoelektromos gyorsulásmérők
AZ ERŐ- ÉS NYOMATÉKMÉRÉS SZENZORAI
Átmeneti ellenállásos átalakítók • Két kapcsolóérintkezőt F erővel összeszorítva a közöttük mérhető egyenáramú ellenállás a tapasztalat szerint függ az összeszorító erő nagyságától
k R= c F (n − 1)k R= F + F0
Magnetoelasztikus átalakítók • Ferromágneses anyagnak mechanikai feszültség hatására változik a mágneses permeabilitása • Mind húzó, mind nyomófeszültségek leképezésére alkalmas. • Csavaró igénybevételnél is fellép, ezért nyomatékmérésre is alkalmas.
Magnetoelasztikus átalakítók • Pressductor
Magnetoelasztikus átalakítók • Nyomatékmérés
Piezoelektromos erőmérők • Mind húzó, mind nyomófeszültségek leképezésére alkalmas. • Egy- és több összetevős mérésekre is alkalmas – Több összetevős mérésre több, a kvarckristályból különböző irányokban kihasított kvarclemezt tartalmazó eszközök alkalmasak
• A longitudinális és a transzverzális hatás mellett létezik torziós hatás is, ezt nyomatékmérőkben lehet alkalmazni.
Nyúlásmérő bélyeges erőmérő cellák • Húzó-nyomó cellák
•
Csapcellák
Nyúlásmérő bélyeges erőmérő cellák • A mérőcellák egyik legfontosabb tényezője a cellatényező. U jel = U táp C
• • •
F Fnévleges
A névleges terhelés az a maximális erő, amelyre a cella készült. A cellák általában 150%-ig túlterhelhetők, ezután maradó alakváltozás következik be. A cellatényező a névleges terhelésnél és a terheletlen állapotokban mért jelfeszültségek különbségének és a tápfeszültségnek a hányadosa
Nyúlásmérő bélyeges erőmérő cellák •
Hibaforrások:
– Terheléssel arányos:
• A cellatényező tűrése • A cellatényező hőmérsékletfüggése • A kúszás
– Terheléstől független:
• Linearitási hiba • Nullhelyzet hőmérsékletfüggése
• • •
– Terheletlen állapotban a mért jelfeszültség elvileg nulla, azonban a gyakorlatban van egy ofszet hiba, amely precíz mérlegcella esetében elhanyagolhatóan kicsi. – Hőmérsékletfüggés. Meghatározható a cellatényezőre és a nullhelyzetre. – Kúszás. – Ismétlési hiba, irányváltási hiba. – Linearitási hiba.
A linearitási, ismétlési és irányváltási hibák négyzetes középértéke a mérés alaphibája, a cella pontossági osztályát határozza meg. Beépítésnél ügyelni kell a mérőcella tengelyének és a terhelés tengelyének egybeesésére. Különben csökken a cellatényező, illetve az oldalirányú erők következtében károsodhat a cella. Dinamikus terhelésnél figyelembe kell venni a cella rugóállandóját.
Kapacitív erőmérő cella
Induktív erőmérő cellák
Nyomatékmérés • Nyúlásmérő bélyeggel
Nyomatékmérés • Induktív elven
Nyomatékmérés • A tápfeszültség, illetve a jel induktív be-, illetve kicsatolása
A NYOMÁSMÉRÉS SZENZORAI
Síkmembrános nyomásmérés
Csőmembrános nyomásmérés
Potenciométeres nyomásmérők
Nyúlásmérő bélyeges nyomásmérők
Induktív nyomásmérők
Kapacitív nyomásmérők
