Nyugat-magyarországi Egyetem Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Átírás

1 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 A/1-11/

2 GSPublisherEngine 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. 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 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.

3 Aktuátortechnika

4 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

5 EGYENÁRAMÚ SZERVOMOTOROK

6 Egyenáramú szervomotorok A műszertechnikában legelterjedtebb motorok Kedvező tulajdonságaik: analóg mozgás jó szabályozhatóság Alapvetően két típusuk terjedt el: Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló Elektrodinamikus kölcsönhatáson alapuló motorok

7 Egyenáramú szervomotorok Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló motorok

8 Egyenáramú szervomotorok Elektrodinamikus kölcsönhatáson alapuló egyenáramú motorok Lorentz-erő: df = I( dl B) F = IlB Lenz-törvény: U i = vlb

9 Egyenáramú szervomotorok Elektrodinamikus aktuátorok Ferromágneses forgórészű motorok Légréstekercses motorok

10 Egyenáramú szervomotorok Elektrodinamikus aktuátorok Nyugalmi állapotban az indítónyomaték hat a motor forgórészére A forgórész forgásba jön, így a forgórész tekercsében indukált feszültség: Az indukált feszültség hatására a vezettékben folyó áramerősség lecsökken: I k r I l B N r F M M = = = ω ω = = M i k r l B N U R k U R U U I M i ω = =

11 Egyenáramú szervomotorok Kommutáció Mindig tartalmaznak kefét és kommutátort (egyenirányítót)

12 Egyenáramú szervomotorok Soros gerjesztés Ia=Ig M Uk Ia Ui Uk Ra Ig La Rg Lg Kvázi-stanicioner állapotot (ω=konst.; di/dt=0) feltételezve: U i a Φ = = i( R = C a 2 i i g g + = i = R g C 2 i ) + U i

13 Soros gerjesztés Indukált feszültség A motor nyomatéka Egyenáramú szervomotorok U i = C 1 Φω = C 1 C 2 iω M = C = a Φ 2 1 i C1C 2i A fentiekből a motor karakterisztikus egyenlete: ω = U Ra + C 1 2M 1C2 C C R g

14 Egyenáramú szervomotorok Soros gerjesztés A motor (mechanikai) rövidzárási árama (ω=0) és nyomatéka: végeredményben: ( ) g a g a R R C C U i C C i C M R R U i + = = Φ = + = C C M i M M C C U = " # $ $ % & ω =

15 Soros gerjesztés Egyenáramú szervomotorok

16 Párhuzamos gerjesztés Egyenáramú szervomotorok M Uk

17 Egyenáramú szervomotorok Külső gerjesztés Ug Ig=áll. D É Uk M Uk M Ra La 0 ΔUkefe A gerjesztés állandó Uk Ui Fordulatszám-tartó Gerjesztésként állandómágnes is alkalmazható, emiatt nagyobb a hatásfok

18 Külső gerjesztés Motoregyenletek Egyenáramú szervomotorok M = C 1 Φi = k M i U = C ω = k ω 1 Φ M i U = R i + ΔU + U R i + a kefe i a U i ω = U k M MR k a 2 M

19 Egyenáramú szervomotorok Külső gerjesztés Indítási áram Indítónyomaték Üresjárási fordulatszám i = 0 M = 0 U R a kmu R a ω 0 = U k M

20 Külső gerjesztés Egyenáramú szervomotorok ω & M # & M + = $ T M ω = $ 0 1 ω0 1 % M 0 " % M 0 S # "

21 Egyenáramú szervomotorok Külső gerjesztés Teljesítmény maximuma Hatásfok maximuma 2 ) ( max M P M M M M P M M M M P = = = = = ω ω ω ω ω 0 0 max ) ( M M M M M M S S S = η

22 Külső gerjesztés Egyenáramú szervomotorok

23 Egyenáramú szervomotorok Fordulatszám-szabályozás lehetőségei Kapocsfeszültség változtatása

24 Egyenáramú szervomotorok Fordulatszám-szabályozás lehetőségei Előtétellenállás alkalmazása

25 Egyenáramú szervomotorok Fordulatszám-szabályozás lehetőségei Gerjesztés változtatása

26 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? A nyomaték a fentiekkel: A hasznos nyomaték-komponens i g i a = 2I cos( ωt) a = 2I cos( ωt Ψ) g ( ωt) I cos( ωt Ψ) = C C I I [ cos( Ψ) + cos( 2ω Ψ) ] M ( t) = 2C1C 2I a cos g 1 2 g a t M = C C I I g cos 1 2 a ( Ψ)

27 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.

28 ELEKTRONIKUSAN KOMMUTÁLT MOTOROK

29 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.

30 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.

31 Elektronikusan kommutált motorok Az állórész tekercselése Egyfázisú, kétütemű motorok Jó tekercskihasználás Egyszerű tekercselés Ikertápegység A fordulatszámmal arányos jel előállítása nehezebb

32 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

33 Elektronikusan kommutált motorok Háromfázisú, háromütemű motorok

34 Elektronikusan kommutált motorok Négyfázisú, négyütemű motorok

35 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

36 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.

37 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.

38 Elektronikusan kommutált motorok Vezérlés csatolótranszformátorról

39 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.

40 Elektronikusan kommutált motorok Hall-generátoros vezérlés

41 Elektronikusan kommutált motorok Fordulatszám-szabályozás

42 ASZINKRON MOTOROK

43 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.

44 Aszinkron motorok A motorra jellemző a kis indítónyomaték, emiatt számukra az indítás a legkényesebb üzemállapot.

45 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.

46 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.

47 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, körüli értékű, míg a segédfázisé, az ellenállás hatására lecsökken.

48 Aszinkron motorok Indítókondenzátoros segédfázis Az indítókondenzátoros motoroknak jó indítási tulajdonságaik vannak (ha M i >1,6M n, 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 re van korlátozva. A kondenzátor hőmérsékletének emelkedésével többnyire a kapacitás is nő. A sorozatban gyártott kapacitások tűrése kb. ±10%.

49 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 %-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 %).

50 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.

51 Aszinkron motorok Üzemi kondenzátoros motorok Kétfázisú párhuzamos kapcsolás Egyik leggyakoribb kapcsolás. A forgómező feltételei csak egy fordulatszámnál lehetséges, egyébként elliptikus.

52 Aszinkron motorok Üzemi kondenzátoros motorok Kétfázisú soros kapcsolás Akkor célszerű alkalmazni, ha a hornyonkénti vezetőszámot csökkenteni akarják Nem elterjedt kapcsolás.

53 Aszinkron motorok Üzemi kondenzátoros motorok Csillagkapcsolás Háromfázisú sztátortekercselés. Ekkor jobb a tekercselési tényező, kisebb a kondenzátorfeszültség, és kisebb a hornyonkénti vezetőszám.

54 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.

55 Aszinkron motorok Árnyékolt (hasított) pólusú motor 5 W-nál kisebb teljesítmények esetében széles körben elterjedt.

56 Aszinkron motorok Árnyékolt (hasított) pólusú motor Az árnyékolt pólusú gép indítónyomatéka függ az árnyékoló-menet rezisztanciájától és az árnyékolt pólusív nagyságától.

57 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.

58 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

59 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.

60 Aszinkron szervomotorok Aszinkron motorok

61 LÉPTETŐMOTOROK

62 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.

63 Léptetőmotorok A változó reluktancia motorok

64 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.

65 Léptetőmotorok Állandómágneses léptetőmotorok

66 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.

67 Hibrid léptetőmotorok Léptetőmotorok

68 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.

69 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).

70 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.

71 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.

72 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.

73 Üzemmódok Léptetőmotorok

74 Léptetőmotorok Üzemmódok Hullámhajtás Egyszerre csak egy tekercs gerjesztett A vezérlési szekvencia: A B A B ennek hatására a rotor a pozíciókba lép. Hátránya a rossz tekercskihasználás (unipoláris motor esetében 25%, bipoláris motor esetében 50%), ezért kicsi a leadott teljesítmény

75 Üzemmódok Egészlépéses üzemmód Egyszerre kéttekercs gerjesztett A vezérlési szekvencia: AB AB Léptetőmotorok AB AB ennek hatására a rotor a pozíciókba lép. Az egészlépéses üzemmód ugyanazt a szögelfordulást hozza létre, mint a hullámhajtás, de közel kétszer akkora teljesítménnyel

76 Léptetőmotorok Üzemmódok Féllépéses üzemmód Az egészlépéses üzemmód és a hullámhajtás kombinációja. Az elérhető lépésszög a fenti két hajtással elérhetőnek a fele A vezérlési szekvencia: ennek hatására AB a B rotor AB a A AB B AB A pozíciókba lép. Az féllépéses üzemmódban a motor nyomatéka ingadozik

77 Léptetőmotorok Üzemmódok Mikrolépéses üzemmód A mikrolépéses üzemmódban a lépéseket még jobban aláosztjuk. Ez a vezérlő áram erősségének változtatásával érhető el

78 Statikus jellegörbe Léptetőmotorok

79 Dinamikus jellegörbe Léptetőmotorok

80 Szenzortechnika

81 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

82 A HOSSZMÉRÉS, ELMOZDULÁSMÉRÉS SZENZORAI

83 Potenciométeres átalakítók A potenciométer: két fix és egy mozgó kivezetéssel ellátott rezisztív feszültségosztó. R = cα ( = cs) c = R α max max & $ = % R s max max # " a = α α max R = ar max

84 Potenciométeres átalakítók Működési egyenletek, modellezés Rvez1 Rvez2 Ube R0 Rx Rt Uki Rvez1 Rvez2 Egyszerű terheléssel (elhanyagolva a vezetékellenállásokat) a karakterisztika: u ki = ( R 0 R R t x R ) + x R t R x u be

85 Potenciométeres átalakítók 1 Az átalakító karakterisztikájának változása a terhelő-ellenállás függvényében Rt/Ro=0,1 Rt/Ro=1 Rt/Ro=10 Rt/Ro=0,5 Rt/Ro=5 0,75 Uki/Ube[] 0,5 0, Rx[%]

86 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.

87 Potenciométeres átalakítók Huzalpotenciométer Nagyobb megbízhatóság Kisebb névleges ellenállás-tartomány A jelleggörbéjük azonban lépcsőzetes R R S = = ar 1 2n R ± 2n max a Menetszám növelése -> helikális potenciométer

88 Potenciométeres átalakítók Kialakítások forgó potenciométer

89 Potenciométeres átalakítók Kialakítások lineáris potenciométer

90 Potenciométeres átalakítók Kialakítások helikális potenciométer

91 Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Rugalmas deformációt mérő ellenállás Anyaga: fémhuzal, vagy félvezető Hossz, keresztmetszet (tenzometrikus hatás), és a fajlagos ellenállás (piezorezisztív hatás) megváltozásán alapszik dr R dρ = ε g ρ ( 1+ 2ν) + = ε

92 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)

93 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% µε-ig kb. 1% Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,1 µε Élettartamuk: Mérési hőmérséklettartomány: C

94 Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Félvezető bélyegek: Piezorezisztív hatáson alapszik Hőmérsékletváltozásra érzékenyebbek. Névleges ellenállásuk 120Ω Gauge faktor: Linearitás (függ a terheléstől): 1000 µε-ig <1% 5000 µε felett jelentősen lecsökken Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,001 µε Élettartamuk: 10 6 ciklus (1000 µε mellett) Mérési hőmérséklettartomány: C

95 Jelleggörbéik: fémszálas lineáris félvezető nemlineáris Nyúlásmérő bélyeges átalakítók ΔR R Fémszálas n típusú félvezető p típusú félvezető ε

96 Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Jellegzetes hibák: Kúszás; vagyis, hogy a bélyeg milyen mértékben fut együtt a mérőtesttel. Ismétlési, irányváltási hiba. Linearitási hiba. Nullpont hőmérsékletfüggése.

97 Nyúlásmérő bélyeges átalakítók Nyúlásmérő bélyeges elmozdulásmérés

98 Induktív átalakítók Egy vasmagos tekercs induktivitása függ a mágnesköri ellenállástól: L 2 N ds = R = m µ A R m Rm változtatható: Légrés nagyságának változtatásával Vasmagos tekercs induktivitásának változtatásával (merülővasmagos átalakítók) A relatív permeabilitás változtatásával (magnetoelasztikus átalakítók)

99 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.

100 Induktív átalakítók Légrés-változáson alapuló típusok Legfontosabb képviselői az induktív közelítéskapcsolók (proximity switch)

101 Induktív átalakítók Merülővasmagos típusok Legfontosabb képviselői a differenciátekercses lineáris induktív útadók

102 Induktív átalakítók Differenciátekercses induktív útadó félhidas kapcsolásban:

103 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.

104 Induktív átalakítók Speciális rendeltetésű differenciál-transzformátoros mérőátalakítók:

105 Inductosyn Az inductosyn egy huzalozott pályából és csúszkából áll. A csúszka két, egymással negyed osztással eltolt tekercset tartalmaz. Pálya Csúszka U1 U2 Ube

106 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. u u 1 2 = = ku ku be be & 2πx sin( ωt)sin$ % p & 2πx sin( ωt)cos$ % p # " # "

107 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

108 Optoelektronikus átalakítók Abszolút útadó Inkrementális útadó

109 Fotodiódás átalakítók Iker-fotodióda Egy anyagból készül, ezért jó a termikus együttfutásuk I If II x n p n x I II

110 Fotodiódás átalakítók Kvadráns fotodióda Leggyakoribb alkalmazási területe a CD fej szabályozása y II I I = ( I + I ) ( I + I x I IV II III ) x III IV I y = ( I I + I II ) ( I III + I IV )

111 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 ε A C = 0 r l

112 A SEBESSÉGMÉRÉS SZENZORAI

113 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 = QBvsinα F Q = Bvsinα = E U B B = Eds = A A Bvsinαds