ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

За последние годы в нашей стране и за рубежом начал бурто развиватыя процесс создания гибких производственных систем и автоматизированных рабочих мест. Большинство перифе{Ш1ных устройств для этих целей, а также роботов и станков с ЧПУ основано на иаюльзовании шаговых двигателей, управленце которыми осуществляется от центральной ЭВМ или микропроцессора.

Предлагаемая книга японского ученого Такаши Кенио посвящена анализу электромагнитных процессов в шаговых двигателях, микроцроцес-со{»1ым системам управления и практической их реализащга в машиностроении. Рассматриваемые в книге вопросы для советских читателей интересны еще и потому, что последняя монография по дискретным шаговым эпектропртзодам подфедакцией М.Г. Чиликина была выпущена почти 20 лет назад, когда вопросы микропроцесоортого управления только возникали.

В книге подробно рассмотрены конструкщш реактивных и гибртд-ных шаговых двигателей, а также двигателей с постоянными магнитами. Анализ электромагнитных процессов построен на основе эквивалентных схем замещения магнитной цепи, пртчем достаточно просто объяснен физический смысл возникновения электромагнитного момента. Большое внимание уделено динамике работы шагов]>1х даигателей. Математические модели динамических процессов построены как иа базе непосредственного решения дифференциальных уравнений динамики, так и на ошове анализа передаточных функций. Рассмотрены сложные и недостаточно освещенные в литературе вопросы устойчивости и колебаний шаговых двигателей.

Несомненный интерес для широкого круга читателей представляют разделы, посвященные системам управления шаговыми двигателями как с обратной связью по положению ротора, так и без нее.

Книга П1жвлекает большим количествомконкретныхпртмеровприменения шаговых двигателей в различных областях техники.

Несмотря на то, что книга предназначена для научных работников и инженеров-разработчиков шаговых двигателей и оЁкэрудования с шаговыми эпектропртзодами, она, несомненно, будет полезна и широкому кругу читателей.

А.Н. Ледовский

ПРЕДИСЛОВИЕ

Осенью 1978 г., закончив рукопись книги "Фундаментальная теория и применения шаговых двигателей" в соавторстве с Ниимурой, я посетил профессора Лоуренсона и доктора Хагнеса из университета в Лидсе. Дело в том, что одну гааву книги я посвятил объяснению разработанной ими теории статаческих и динамических характе{«сшк шаговых двигателей. Промьшшенность, вьшускающая электродвигатели, интенсивно развивается в Японии с начала 70-х годов. Поэтому я считан, что книга будет полезна многим инженерам и студентам. Профессор Лоуренсон спросил, что я думаю о написании аншийского варианта книги, и это послужило первым толчком к его написанию.

После опубликования книги в Японии, ее разослали известным специалистам в области электродвигателей. Одна из них попала к доктору Янгу из университета Heriot-Watt. Доктор Янг имел некоторые познания в японском языке и смог оценить достоинства моей книги. Свой комментарий он отослал профессору Хаманду, издателю монографий по электротехнике и электронике, который решил, что такая книга необходима на английском языке. Профессор Хаманд предложил сделать просто перевод этой книги. Однако я решил подготовить новый вариант, совершешо пересмотрев содержание и включив новые данные с тем, чтобы представить книгу, которая вызовет интерес широкого круга читателей: от новичков до специалистов по оборудованию с числовым программным управлением.

Эта работа была вьшолнена благодаря поддержке и помощи многих людей. Профессор Лоуренсон и доктор Хагнес предоставили мне свои статьи и труды Международной конференции по шаговым двигателям и приборам. Более того, профессор Лоуренсон внимательно прочел рукопись и посоветовал, как улучшить некото{н>1е разделы. Сотрудник фирмы Sanyo Denki Ниимура любезно согласился на репродукцию иллюстраций из предыдущей книги и предоставил новые фотографии. Представитель фирмы IBM Поулетко ответил на вопросы о достижениях в использовании шаговых двигателей в вычислительюй технике и предоставил мне фотографии линейных шаговых двигателей. Доктор Годжин из фирмы N.V. Philips Gloeilampenfabriken предоставил мне чертежи двигателей из своей статьи и дал разъяснения по поводу типов этих машин.

Я благодарен также за предоставленный иллюстративный материал: Паттерсону из компании Hewlett Packard, Теннату из фирмы Moore Reed, Егаве из фирмы MINEBEA, Каджиме из фирмы Fanuc, профессору уни-

верситета в Ньюкастле Харрису, Лэнсли из компании Inland Motor Specialty Products Division, доктору Сингху из фирмы Exxon Office Systems, Итакуре из компании Nihon Micro Motor, Kyo из университета штата Иллинойс и компаниям Nippon Electric, Daini Seikocha, Cambridge Instruments, Ricoh, lEE.

Выражаю глубокую благодарность сотрудникам издательства. Clarendon Press, которые терпеливо исправляли и совершенствовали мою рукопись.

Канагава, Япония. Май 1983 г.

Т. Кенио

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ И ИСТОтЧЕСКИЙ ОБЗОР

Книга посвящена электрическим машинам, называемым шаговыми двигателями (ШД), и включает описание их конструкций, принципа работы, теории, схем управления, а также особенностей применения.

В кратком историческом обзоре развития ШД рассмотрены первые ШД - с соленоидом-храповиком и электрогидравлические ШД. В этой гаа-ве описаны и другое типы ШД, однако конструктивные особенности современных двигателей рассмотрены в гп. 2.

1.1. ЧТО ТАКОЕ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

И КАКОВЫ ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На рис. 1.1 представлено поперечное сечение типичного современного ШД; это так называемый однопакерсык реактивный двигатель. Для начапа разберем (или изучим), как он работает. Сердечник статора имеет шесть выступающих зу&юв, в то время как ротор всего четыре. Сердечники как ротора, так и статора вьпюлнены из магнитомягкой стали. Трт набора обмоток расположены, как показано на рисунке. Каждый набор состоит из двух катушек, соединенных последовательно. Набор обмоток называется фазой, и, соответственно, машина - трехфазным двигателем.

Ток на обмотки подается от источника постоянного тока через переключатели /, и /. В положении (7) обмотка фазы / подключена к источнику через переключатель / или согласно технической терминологии возбуждена фаза /. Магнитный поток, возникающий в результате возбуждения, показан на рисунке стрелками, В положении (7) два выступающих зубца статора фазы /, будучи возбужденными, останавливаются на одной прямой с двумя из четырех зубцов ротора. В терминах динамики это положение является положением равювесия. Когда замыканием переключателя в дополнение к фазе / возбуждается фаза II, в зубцах статора, соответствующих этой фазе, возникает магнитный поток, как показано на рисунке для положения (2), и вследствие "натяжения" в наклонных силовых линиях магнитного поля возникает вращающий момент. Ротор, в конце концов, принимает положение (5)

Таким образом, за время выполнения одной операции переключения ротор поворачивается на фиксированный угол, который называется углом шага или шагом, в данном случае на 15°. Если теперь разомкнуть переключатель / и отсоединить от источника питания фазу 7, ротор повернется на следующие 15° и займет положение {4). Таким образом, угловым

Рис. 1.1. Принципы работы реактивного ШД: 1 - сердечник статора; 2 - сердечник ротора

положением ротора в единицах угла шага можно управлять с помощью процесса переключения. Если переключения производят последовательно, то ротор будет вращаться шаговыми движениями, причем средней частотой вращения также можно управлять с помощью процесса переключения.

В настоящее время для управления ШД в качестве электронных переключателей П1Я1меняют транзисторы, а сигнапы на переключение генерируются цифровыми интегральными схемами или микропроцессором (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Современная система управления ШД:

/ - источк постоянного тока; 2 - интегральная микросхема или микропроцессор; 3 - транзисторный коммутатор Ооаертор); 4 - двигатель