Шаговый двигатель - зто электрический двигатель, преобразующий Щ1фровой электрический входной сигнал в механическое движение. По сравнению с другами приборами, которые могут вьшолнять зти же или подобные функции, система управления, используемая в 11Щ, обладает следующими существенными преимуществами: во-першых, у нее нет обратной связи, обычно необходимой для управления положением или частотой вращения; во-вторых, не накапливается ошибка положения; в-третьих, ШД совместим с современными цифровыми устройствами.

По этим причинам различные типы и классы МД используют в перифе-[яшных устройствах ЭВМ и подобных системах.

1.2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Выпуск ЛЕЕ [1], опубликованный в 1927 г., включал описание трехфазного реактивного ШД рассмотренного выше типа, который был использован для дистанционного управления индикатором направления торпедных аппаратов и орудай на воеш1ых кораблях Вепикобжтании. Как показано на рис. 1.3, вращаемый вручную коммутатор был использован для переключения тока управления. Один полный оборот рукоятки обеспечивал шесть шагов, вьшолняющих поворот ротора на 90°. Движение ротора шагами по 15° было замедленным для дрстижения требуемой точности положения ротора.

В [1] подчеркивалось, что при. конструировании этого простого ШД необходимо было учесть много факторов и принять во внимание ряд предосторожностей для того, чтобы добиться его удрвлетворттельного функционирования. Этот механизм требует высокого отношения электромагнитного момента к моменту инерции движущихся частей, чтобы не допустить пропуска шага, а электрическая постоянная времени - отношение индуктивности цепи к ее сопротивлению - должна быть мала для дрстижения высокой приемистости. С этими проблемами до сих пор сталкиваются при ооздашш современных двигателей.

Как следует из [2], ШД позже пртменяли на военных кораблях в США для аналогичных целей. Впрочем, существуют пртЕмеры и более раннего

Lfro

Рис. 1. 3. ШД, использованный в 1920-х годах на военных кораблях Великобритании:

а - двигатель; б - вращающийся коммутатор; в - внутренняя схема вращения коммутатора

Фаза 1

Фаза 3

Фаза 2

Рис. 1.4. Трехфазный ШД, изобретенный Уолкером: 1 - обмотка статора; 2 - ротор

применения ШД [3]: "Шаговые двигатели реактивюго типа, применяемые в настоящее время как приборы управления позиционированием, были известны как "электрические моторы середины XIX века"; мы сошлемся на два заслуживающих внимания изобретения (1919 и 1920 гг., Великобритания) .

Зубчатая структура для минимизации шага. В 1919 г. инженером Уолкером из Абердена (Шотландия) был получен патент Великобратании [4] на изобретение конструкции ШД, вращающегося с малым шагом. На рис. 1.4, а, б представлены соответственно продольное и топеречное сечения такого трехфазного двигателя. Зубцы ротора (их 32) имеют тот же шаг, что и зубцы на полюсах статора. Когда возбуждается фаза 1 и магнитный поток проходит по пути, отмеченному пунктиром, группы зубцов этой фазы устанавливаются напротив зубцов статора, как показано на рис. 1.4, б. В этом положении зубцы статор)а и ротора, отюсящиеся к фазам 2 и 5, должны расходиться друг относительно друга на 1/3 шага зубцов в противоположном направлении. Когда ток управления переключают с фазы 1 на фазу 2, ротор поворачивается по часовой стрелке на угол, равный в этом случае (360/32)/3 = 3,75.

Однако, если ток управления подается на фазу 3, движение произойдет против часовой стрелки на такой же угол. В описании к патенту Уолкер представил чертежи ШД, известных сегодня как многопакетные реактивного типа, а также как линейные двигатели. Тем не менее до 1950-х годов двигателей, основанных на этих принципах, не вьшускали.

Создание больиюго вращающего момента с помощью торцевой конструкции типа "сандвич". В 1920 г. Чикин и Тейн получили патент [5] на изобретение ШД, создающего больпюй вращающий момент на единицу обьема ротора. Продольное сечение констр)асции приведено на рис. 1.5, а. Отличительная черта конструкции состоит в том, что ротор, вышлненный из магнитомягкой стали, располагается между двумя зубцами статора, как показано на рис. 15, б. Такая структура способна создавать мак-

Рис. 1.5. Реактивный ШД, изобретенный Чикином и Тейном:

а - продольное сечение; 6 - положение ротора; 1 - обмотка статора; 2 - ротор; 3 - обмотка; 4 - зубцы статора

симапьный момент на единицу объема ротора. Однако впертые этот принцип дня создания мощных ШД с цифровым управлением П1Я1менила только в 70-е годы японская компания Fanuc Limited.

1.3. ЭРА ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ И ПРОГРЕСС 1960-Х ГОДОВ

В январе 1957 г. журнал Control Engineering [6] опубликовал отчет о применении ШД. Он был посвящен системе трех ШД с цифровь»! управлением, которые были использованы для перемещения фрезерного стола по трем осям. Для этого использовались многопакетные реактивные ШД. Ротор такого двигателя представлен на рис. 1.6. Управление осуществлялось с помощью лампового тиратрона.

Система привода показана на рис. 1.7. Управление движением трех двигателей осуществлялось либо вручную, либо по записи на перфоленте, которая считывалась фотоэлектрической головкой, посылавшей управляющие сигналы на тиратроны.

С момента выхода в свет этого отчета в промьшшенно-развитых странах начались интенсивные исследования, направленные на улучшение характеристик ШД.

В силу того, что дня П{яшода с цифровым управлением требуются большие значения момента и выходной мощности, в период с 1960 ш 1974 г. в Японии стали широко использовать электрогидравлические ШД, представляющие собой комбинацию обычного ШД и гидравлического механизма (рис. 1.8). На рис. 1.9 представлен фрезерный станок с электрогидравлическим ШД, вьшущенный в 1961 г. В качестве переключающих элементов были использованы германиевые транзисторы.

Из [7-11] мы знаем о производстве ШД в США в начале 1960-х годов. Продукция 29 фирм описана в [10], 21 фирмы - в [11]; более половины из этих фирм вьшускали механические ШД с соленоидом-храповиком.

Констругсции и механизм типичного двигателя с соленоидом-храповиком описаны в [8].

Рис. 1.6. Ротор многопакетного реактивного ШД

Помимо реактивных ШД в то же самое время появились три типа ШД с постоянными магнитами. Простейшим из них является называемый теперь двигателем с постоянными магнитами. Статор такого двигателя имеет выступающие полюсы, ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит как в обычных синхронных двигателях.

Второй тип - зто гибридные двигатели (одноименнополюсные индук-То{шые ШД с постоянными магнитами). У них имеются ротор, конструкция которого представлена на щс. 1.10, и цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси. На магнит установлены сердечники ротора из магнитомягкого материала с зубцами. В двигателе использованы пряощипы двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя. Он изобретен сотрудниками компании General Electric и запатентован [12] в 1952 г. в США. Компании General Electric и Superior Electric

о о о о о о 0 0 о о о о 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 о 0 0

Рис. 1.7. Трехмерное числовое управление деталью с помощью реактавных ШД, управляемых тиратронами:

1 - че1вячная передача; 2 - двигатель для передвижения ленты; 3 - устройство считывания; 4 - лента; 5 - тиратрон; 6 - двигатель

Рис. 1.8. Электрогадравлический ШД:

1 - двигатель; 2 - гидравлическое устройство

Рис. 1.9. Фрезерный станок с числовым тогргмыаъш управлением: 1 - шаговые двигатели

Рис. 1.10. Структура ротора габрид-ного ШД:

1 - магнитопровод из магнитомягкой стали; 2 - постоянный магнит

стали первыми выпускать низко скоростной синхронный двигатель с частотой вращения не выше 100 рад/мин, использующий частоту напряжения питания 60 Гц.

Впоследствии другие компании назвали двигатель такого типа Slo-syn и постепенно улучшали его для использования в качестве ШД. Третий тип двигателя с использовашем постоянных магнитов - это однофазный двигатель Cyclonome, который выпускался фирмой Sigma Instruments с 1952 г. Конструкция его с двумя постоянными магнитами на статоре изображена на рис. 2.7.

Габариты шаговых двигателей приведены 6 соответствие с установленными размерами в сервоприводах (т.е. 08, 11, 15, 18, 20,23 и 34 типы, где 0,8 и 11 относятся к двигателям с диаметром 31,4 и 43,2 м соответственно) .

В начале 1960-х годов появилась возможность использования ШД в качестве приводов в терминальных устройствах ЭВМ. В середине 1960-х годов Павлетко из компании IBM оснастил ШД многие виды своей про-

Р и с. 1.11. Устройство дисковой памяти большой емкости, использующее десять (О - 9) трехпакет-ных ШД