Общие положения

Шаговые двигатели широко используются в приводах оптических приборов. С их помощью осуществляют перемещение (позиционирование) рабочих элементов прибора, всего прибора или объекта (обнаружения, измерения, управления) с которым работает прибор. Конкретные задачи приводов весьма разнообразны и зависят от их функционального назначения. Например, в оптико-электронных и оптических приборах [1,2] они служат для: модуляции светового потока, сканирования изображения или поля обзора, фокусировки на объект, слежения за подвижными объектами наблюдения, смены увеличения или освещения изображения, возможности включения резервных элементов прибора при отказе основных и т.д.

Шаговый двигатель (ШД), особенно гибридный (см. рис. 1), может обеспечить достаточно малые дискретные углы поворота (или линейные перемещения) ротора, например с шагом 1,8^º(или 0,9^º) с относительно высокой точностью шага, примерно, 5% от значения шага, которая определяется, главным образом, качеством механической обработки и сборки ротора и статора двигателя. Поэтому ШД часто используют в отсчетных (измерительных) приводах или приводах, работающих с высокой чувствительностью и стабильностью (воспроизводимостью, повторяемостью) перемещения рабочих элементов прибора (всего прибора или объекта) [3,4]. Использование ШД, как правило, бывает экономически оправдано, т.к. он не нуждается в обратной связи (от датчиков углового или линейного перемещения).

В связи с этим, выбирая ШД при проектировании прибора необходимо знать такие его характеристики как точность и стабильность осуществляемого движения.

Точность шагового двигателя характеризуется погрешностью Δφ угла поворота его вала (ротора) - разностью между действительным φ и номинальным φ_о (задаваемым управляющими импульсами) значениями поворота вала:

Δφ=φ-φ_о .

Так как погрешность угла поворота вала зависит от погрешности шага ШД, которая различна для разных угловых положений ротора, то её изменение следует контролировать в пределах полного оборота вала ШД.

а)

б)

Рис.1а,б. Конструкция (а) и внешний вид (б) гибридного шагового двигателя

Погрешность стабильности (повторяемости, сходимости) ШД характеризуется разностью углов поворота (или положений) его вала при повторных циклах функционирования ШД по одному и тому же управляющему сигналу:

Δφ_k,s=φ_k-φ_s,

где k и s - циклы повторного функционирования.

Погрешность стабильности обусловлена случайными погрешностями, поэтому для определения её характеристик необходимо произвести многократные (не менее 20) повторных измерений ШД.

Контроль вышеперечисленных характеристик точности ШД осуществляется на стенде, функциональная схема которого изображена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема стенда для контроля точности шагового двигателя

Здесь: 1 – оператор; 2 – электронный блок управления шаговым двигателем, 3 – шаговый двигатель (SM-20); 4 –глухая (либо точная компенсационная) муфта; 5 – поводок; 6 –ограничительная планка; 7 -основание; 8 – эталонный преобразователь угловых перемещений (ЛИР-158); 9 - ПК

Методика измерений точности ШД основана на сравнении, задаваемого блоком управления, углов поворота вала шагового двигателя с действительными углами поворота вала, которые измеряются с помощью точного (эталонного) преобразователя угловых перемещений (например, ЛИР-158, производимого фирмой СКБ ИС). Шаговый двигатель и эталонный преобразователь соединены глухой муфтой (с использованием поводка и ограничительной планки), либо прецизионной компенсационной муфтой [5,6].

На рис. 3. представлена функциональная схема эталонного преобразователя, основанного на оптических круговых растрах [6].

Рис.3. Функциональная схема растрового преобразователя

Здесь: 1-измерительный (вращающийся) растр; 2- индикаторный (неподвижный) растр; 3,4-светодиоды; 5,6- фотоприемники (кремниевые фотодиоды); 7- конденсор.

При вращении измерительного растра 1, закрепленного на валу 10 преобразователя (см. рис. 4), происходит модуляция светового потока, проходящего от светодиодов 3,4 сквозь индикаторный 2 и измерительный растры на фотоприемники 6 измерительного канала и фотоприемники 5 канала референтных меток. Группы штрихов А,А^´ и В,В^´ на индикаторном растре, имеющие такой же период как и штрихи измерительного растра, изготовлены друг относительно друга со сдвигом в ¼, ½, ¾ периода, поэтому фотоприемники 6 (попарно включенные встречно) вырабатывают квадратурный синусно-косинусный аналоговый сигнал [3]. Этот сигнал преобразуется стандартной электронной схемой [7,8] в счетные электрические импульсы, вырабатываемые через 1/4 периода измерительного растра (без учета коэффициента интерполяции), поступающие на входы реверсивного счетчика импульсов.

Рис. 4. Конструкция преобразователя ЛИР-158 фирмы СКБ ИС