Методическое пособие 703

Рис. 3.9. Принципиальная схема КУ видеомагнитофона

SANYO - VHR-3100EE

В нем ДПР в виде устройства индикаторного преобразователя Холла (ИПХ). Q1-Q3 питаются током от источника напряжения +12 В через резистор R2, а напряжения Холла поступают на дифференциальные компараторы 4-6 в микросхеме IC1 (рис. 3.9).

Двигатель работает следующим образом. В момент подачи напряжения питания на одном из ИПХ появляется напряжение Холла, достаточное для срабатывания одного из дифференциальных компараторов 4-6. Селектор сигналов ИПХ7 формирует два напряжения управления, открывающие соответствующие ключи из V4-9V. Например, при срабатывании ключей V7 и V5 ток течет от источника +12 В через обмотки статора L1 и L2, вызывая поворачивание ротора по часовой стрелке на некоторый угол. Затем срабатывает компаратор, соединенный со следующим по положению ИПХ, ключи V7, V5 закрываются, а V8, V6 открываются, ток течет

151

через обмотки L2 и L3. Так же через ключи V9, V4 включаются и обмотки L3 и L1 и т.д. Двигатель вращается.

Рис. 3.10

Реверсирование вращения обеспечивается сменой направления тока через обмотку при соответствующем алгоритме работы селектора 7. В рассматриваемом случае прямое вращение задается напряжением +5 В на контакте 5 разъема CN1, а обратное - нулевым. Для получения равномерного без рывков вращения в КУ вводят одну-две петли обратной связи (на рис. 3.9 не показаны). Скорость вращения задана контроллером тока 8. Зависимость скорости от напряжения на входе управления (контакт 6 разъема CN1) очень крутая: начало движения при 2,35 В, а полный ход при 2,6 В (на холостом ходу).

К положительным качествам бесконтактного двигателя постоянного тока наряду со всеми положительными качествами, присущим обычным двигателям постоянного тока, относятся его высокая надежность, способность работать в любых средах, безыскровая коммутация. К числу недостатков бесконтактных двигателей постоянного тока необходимо отнести сложность конструкции, большие габаритные размеры

152

коммутатора, высокую стоимость. По мере уменьшения габаритов и стоимости полупроводниковых элементов второй и третий недостатки уменьшаются. Поэтому они могут быть рекомендованы только в тех случаях, когда применение других типов электродвигателей недопустимо или связано с различного рода затруднениями.

4.УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

4.1.Шаговые двигатели

Всовременных системах управления широко используются устройства, с цифровой обработкой сигналов. Цифровые системы управления привели к созданию нового типа исполнительных механизмов - шаговых двигателей (ШД). Они широко используются в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время промышленностью выпускается множество различных типов шаговых двигателей.

Шаговые двигатели - это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи.

Шаговые двигатели относятся к классу бесколлекторных двигателей постоянного тока, которые имеют высокую надежность и большой срок службы, что позволяет использовать их в системах работающих в тяжелых производственных условиях. Однако в сравнение с обычными двигателями постоянного тока, шаговые двигатели требуют значительно более сложных схем управления, которые должны выполнять коммутации обмоток двигателя при работе. Кроме того, сам шаговый двигатель - дорогостоящее устройство, поэтому там, где не требуется точное позиционирование,

153

обычные коллекторные двигатели имеют заметное преимущество. В тоже время необходимо отметить, что в последнее время для управления коллекторными двигателями все чаще применяют контроллеры, которые по сложности практически не уступают контроллерам шаговых двигателей.

Одним из главных преимуществ шаговых двигателей является возможность осуществлять точное позиционирование и регулировку скорости без датчика обратной связи. Это очень важно, так как такие датчики могут стоить больше самого двигателя. Однако системы без обратной связи работают при малом ускорении и с относительно постоянной нагрузкой. В то же время системы с обратной связью способны работать с большими ускорениями и даже при переменном характере нагрузки. Если нагрузка шагового двигателя превысит его момент, то информация о положении ротора теряется и система требует базирования с помощью, например, концевого выключателя или другого датчика. Системы с обратной связью не имеют подобного недостатка.

При проектировании конкретных систем приходится делать выбор между серводвигателем и шаговым двигателем. Когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы, то шаговый двигатель является наиболее экономичным решением. Как и для обычных двигателей, для повышения момента шагового двигателя может быть использован понижающий редуктор. Решить эту задачу для шаговых двигателей с помощью редуктора не всегда удается. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Поэтому шаговые двигатели с редукторами хотя и

154

выпускаются, но в сравнительно небольшом количестве. Шаговые двигатели (ШД) - это электромеханические

устройства, которые преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные (скачкообразные) угловые или линейные перемещения ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях. Шаговые двигатели появились еще в тридцатых годах прошлого столетия и были одними из первых электрических двигателей. Первоначально шаговые двигатели использовались для передачи угловых перемещений в системах синхронной связи.

Конструктивных решений было предложено очень много, и первое из них - электромагнит с якорем, притяжение которого вызывало перемещение храпового колеса на один зуб

(рис. 4.1).

Рис. 4.1. Шаговый двигатель с электромагнитом и храповиком

Электромагнитные шаговые двигатели находят некоторое применение в системах автоматики и в настоящее время, например, в электрических часах.

Второе рождение шаговые двигатели получили с внедрением дискретных систем, для которых необходимы

155

импульсные исполнительные устройства. В связи с этим разработаны шаговые двигатели по типу синхронной машины. Каждому импульсу отвечает перемещение ротора двигателя на один шаг, величина которого определяется физическими и конструктивными особенностями двигателя, а также схемой управления. Отработка одного шага, естественно, осуществляется с некоторой погрешностью, но и отработка нескольких шагов будет иметь ту же погрешность. Ошибка не накапливается. Поэтому системы управления с шаговыми двигателями обычно строятся как разомкнутые, без обратной связи по положению. Необходимо, однако, исключить опасность пропуска импульсов, а следовательно, потери шага. Весьма удобно подавать на шаговый двигатель управляющие импульсы непосредственно от вычислительного устройства, формируя их в унитарном коде.

В настоящее время применяются в основном два типа шаговых двигателей: с активным (возбужденным) и пассивным (невозбужденным) роторами. Как правило, шаговые двигатели выполняются многофазными - с числом фаз три - четыре и более.

4.1.1. Шаговый двигатель с активным ротором

Шаговый двигатель с активным ротором по конструкции аналогичен синхронной машине. Ротор его представляет постоянный магнит. Сердечник статора имеет ряд выступов (полюсов), на которых располагаются сосредоточенный обмотки.Управление обычно осуществляется однополярными импульсами. При подаче импульса в обмотку 1 фазы (рис. 4.2) ротор повернется на угол 900. Следующий пульс, который будет подан в обмотку фазы 2 опять вызовет поворот ротора на 900. Таким образом, каждому единичному переключению токов в обмотках соответствует поворот ротора на вполне определенное угловое перемещение,

2 раз иногда включают обмотки попарно в последовательности 1-2, 2-3, 3-4 и т.д.

Рис. 4.2. Шаговый двигатель с активным ротором

Шаг ротора в обоих случаях подачи импульса будет

где m - число фаз обмотки.

Для уменьшения шага вдвое используют включение обмоток по схеме: 1, 1-2, 2, 2-3, 3 и т.д. При этом число устойчивых положений удваивается.

В общем случае для шагового двигателя с активным ротором единичный шаг определяется числом тактов коммутации к за один период измерения напряжения и числом фаз обмотки m

где к = 1 4, в зависимости от вида коммутации обмоток. Практически в одностаторном двигателе с активным

ротором единичный шаг не может быть меньше 150. Поэтому иногда используют многостаторные двигатели с двумя-тремя

157

статорами, повернутыми относительно друг друга вокруг оси двигателя на некоторый угол. Подавая импульсы поочередно на обмотки различных статоров, можно еще увеличить число устойчивых положений и уменьшить шаг в два-три раза.

Увеличение числа полюсов в машине с целью уменьшения шага возможно лишь при одновременном увеличении диаметра расточки, а это приведет к снижению быстродействия двигателя. Поэтому число полюсов не принимают более восьми.

Большое достоинство шагового двигателя с активным ротором - это наличие момента, удерживающего ротор в занимаемом им положении при отключенном двигателе. Этот момент по своей природе является реактивным, возникающим при перемещении намагниченного ротора относительно сердечника статора. Удерживающий реактивный момент составляет около 10% максимального момента двигателя.

В приборостроении, в некоторых случаях, когда не требуется больших моментов и больших скоростей отработки перемещений, используются однофазные двигатели. Наибольшая трудность при их конструировании - обеспечение пускового момента. С этой целью ротор выполняется несимметричным с клювообразным сечением (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Однофазный шаговый двигатель с активным ротором

Нормально ротор удерживается в исходном положении магнитным потоком постоянных магнитов. При подаче импульса ротор начинает движение, причем против часовой

158

стрелки за счет клювообразной формы. Далее напряжение с обмотки управления снимается и ротор достигнет по инерции положения, соответствующего оси постоянных магнитов, в котором и фиксируется. Несимметричная форма ротора обусловливает вращение ротора только в одном направлении, то есть двигатель этот нереверсивный.

Двигатели с активным ротором обладают относительно большим моментом, высокой скоростью приемистости (до 5000 об/мин).Наибольшее распространение получили четырехфазные и трехфазные шаговые двигатели с активным ротором. Особенностью этих шаговых двигателей являются относительно большие значения шага (150 и более) и сравнительно невысокая приемистость (до 500 шагов/с).

4.1.2. Шаговый двигатель с пассивным ротором

Шаговый двигатель с пассивным ротором (реактивный шаговый двигатель) используется в тех случаях, когда необходимо иметь малый шаг. По конструкции аналогичен редукторному синхронному двигателю. Ротор такого двигателя выполняется из мягкой электротехнической стали и имеет зубчатую структуру. Статор обладает рядом полюсов, причем полюсные наконечники тоже снабжены пазами. Обмотка статора выполняется также, как и у шагового двигателя с активным ротором (рис. 4.4). Шаг реактивного двигателя всегда меньше, чем у двигателя с активным ротором:

где z - число зубьев на роторе.

159

Рис. 4.4. Шаговый двигатель с пассивным ротором

Минимальная ширина зуба у реактивного двигателя не может быть сделана меньше 1мм. Соответственно минимальный шаг 1-20.

В реактивном двигателе отсутствует момент при отключенных обмотках. Для устранения этого недостатка иногда обмотки статора подпитывают постоянным током (для подпитки могут быть использованы дополнительные обмотки) или в магнитопровод статора встраивают постоянные магниты.

Схема управления шаговым двигателем представлена на рис. 4.5. Источником импульсов может служить генератор импульсов, частота которых изменяется в требуемых пределах - от нуля до некоторого максимума, или какое-либо дискретное устройство, которое подготовляет задание для шагового привода. Сигналы произвольной формы из генератора поступают в формирователь импульсов и преобразуются в сигналы прямоугольной формы с достаточно крутым фронтом. Если частота импульсов, создаваемых генератором, слишком велика, то между ним и формирователем включается делитель частоты.

160