Рис. 1. 12. Применение ШД в ДГУ-гра-фопостроитепе, выпущенном в середине 1970-х годов:

/ - перо; 2 - направляющая; 3 -сплы1ая лента

дукции. Первая статья Павлетко [13] появилась в 1972 г. в трудах ежегодного симпозиума по системам и пртборам дифференциального управления.

В 1967 г. фирма Sanyo Denki начала сертйный вьшуск габридных двигателей Step-Syn (одноименнополюсных индукторшых ШД с постоянными магнитами) (рис. 1.11). Компания Superior Electric, еще раньше вьшускав-шая синхронные ШД с шагом 1,8°, в 1970-х годах начала вьшуск полного набора гибридных двигателей М<ерий. Производство гибридных ШД с шагом 1,8 начала фирма Sigma Instruments в 1969 г. (рис. 1.12).

1.4. БЫСТРЫЙ ПРОГРЕСС В 1970-Х ГОДАХ

Шаговые двигатели с высокими динамическими характеристиками были необходимы еще до начала 1970-х годов, но именно в это время начался быстрый рост числа ШД, используемых в вычислительной технике, что, в свою очередь, пртзело к массовому их производству. В США производство печатающих устройств, использующих ШДи серводвигатели постоянного тока, было рискованньш предприятием; однако печатающие устройства с управляемыми электроприводами, использующие интегральные схемы вместо сложных механизмов, употребляемых в прошлом, привлекали молодых инженеров, так как представляли большую свободу для применения их знаний в области электроники. Аналогачная тенденция прослеживалась в начале 1970-х годов и в другах промьшшенно-развитых странах.

Наиболее важные типы ШД, сконструированные для применения в пе-риферяшных устройствах вычислительных машин за десятилетие, включают: четырехфазные двигатели с шагами 1,8; 2; 2,5; 5°; двигатели с постоянными магнитами с шагами 7,5; 45; 90°; трех-и четырехфазные реактивные двигатели с шагами 7,5; 15°; реактивные двигатели с 128 или 132 шагами за один оборот.

Последняя категортш включает обычные двигатели для серяшных печатающих устройств с большим числом символов в строке.

В начале 1970-х годов появились автоматические чертежные машины [14], ишользующие ШД габридного типа. Позднее линейные реактивные ШД начали использовать для перемещения каретки в серяшных печатающих устройствах (рис. 1.13) [15,. 16].

Шло развитие и шаговых двигателей, ишользуемых в цифровых управляющих машинах. В 1973 г. фирма Fanuc под руководством Инабы добилась успеха в создании мощных ШД. Это многопакетные реактивные ШД, но в них иаюльзована структура типа "сандвич", предложенная в [2]

Рис. 1.13. Принцип работы линейного ШД, используемого в серийном печатающем устройстве:

1 - датчик положения; 2 - направляющие (статор); 3 - ползунок (подвижное устройство)

для достижения высокого вращающего момента. В двигателях был использован цифровой управляющий механизм. Однако вскоре опять вернулись к серводвигателям постоянного тока. Одной из причин этого являются ограничения, накладьшаемые ШД, и желание получить плавное окончание движения. Другая причина - зто развитие цифрового управления для серводвигателей постоянного тока.

В области вычислительной техники серводвигатели постоянного тока использовали там, где требовались высокая частота вращения и быстрое ускорение и торможение, например при вращении дисков с символами печатающего устройства или лентопротяжного механизма для магнитной ленты. Двигатели постоянного тока подвержены механическому износу щеток и коллектору. Эксперименты с ШД показали, что в них не возникает проблем механического трения и обеспечивается высокая надежность.

1.5. НОВЫЕ ОБЛАСГИ ПРИШНЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В другой области технологаческое развитие, связанное с ШД, шло параллельно с развитием транзисторов и другах полупроводниковых приборов. В 1948 г. в телефонной лаборатории фирмы Bell был изобретен точечно-контактный транзистор. В 1957 г. компания General Electric обьявила о создании первого тиристора SCR (кремниевый управляемый вьшрямитель).

В начале для управления ШД использовали механические контакты или реле, затем газонаполненные или вакуумные лампы, которые постепенно были заменены на полупроводниковые приборы: тиристоры и транзисто-

ры. Хотя использование последних год от года расширялось, электроприводы с логическими схемами были все еще дороги. Именно поэтому в 1960-х годах ШД не получили широкого применения. МОП-транзисторы появились лишь в 1964 г. В следующем году появились цифровые интегральные схемы, затем микросхемы со средним "уровнем интеграции, а вслед за ними и большие интегральные микросхемы. В результате логические схемы, входящие в систему управления ШД, стали миниатюрными, возросла их надежность, снизилась стоимость и применение ШД стало экономически оправданным.

Развитие полупроводниковой технологии, кажется, бесконечно. В 1971 г. компания Intel обьявила об изобретении четырехразрядного микропроцессора. Затем Intel в 1972 г. и Motorola в 1974 г. вьшустили на рьшок восьмиразрядный процессор, имеющий большую область применения. Описанные здесь ШД широко применяют в электроприводе с цифровой системой управления. Использование микропроцессоров для управления ШД является только делом времени. Фактически с конца 1970-х годов микропроцессоры стали находить различные применения в электроприводах с ШД.

1.6. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ АКТИВНОСТЬ

В конце 1950-х годов университеты и лаборатории промышленно развитых стран начали интенсивное исследование ШД; результаты этих исследований опубликованы. В 1970-х годах состоялись две Международные конференции, где специалисты науки и производства обменялись докладами и обсудили возможности практического использования ШД. Ежегодно с 1972 г. в Urbana-Champaign проходит симпозиум по приборам и системам дифференциального управления под председательством профессора Куо из университета штата Иллинойс (США). В 1974, 1976, 1979 гг. в Великобратании работала Международная конференция по ШД и приборам под председательством профессора Лоуренсона из университета в Лидсе. Шаговые двигатели были также предметом обсуждения в 1976 г. на Международной конференции по малым электрическим машинам, состоявшейся в институте инженеров-электриков в Лондоне.

Глава 2

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С РАЗОМКНУТОЙ ЦЕПЬЮ (БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ)

Как правило, работой ШД управляет электронная схема, а питание его осутцествляется от источника постоянного тока. Шаговые двигатели применяют для управления частотой вращения без применения дорогого контура обратной связи. Этот принцип используетя в приводе с разомкнутой цепью.

Рис. 2.1. Перфоратор бумажной ленты:

1 - система управления; 2 - перфоратор; 3 - звездочка; 4 - шаговый двигатель

Управление без обратной связи хотя и является экономически выгод-ньпм, но имеет и ряд ограничений. Например, поворот ротора становится колебательным и нестабильным по значению конечных скоростей, вследствие чего характеристики движения, частота вращения и ускорение ШД с управлением без обратной связи не могут быть такими же точными, как у двигателей постоянного тока с обратной связью. Следовательно, уменьшение колебаний - это основная проблема, которую необходимо разрешить для расширения границ применения ШД.

2.1.1. Конфигурация системы. Для понимания основной конфигурации системы управления ШД рассмотрим управление перфоратором, который использует ШД для подачи бул(1ажной ленты (рис. 2.1). Этим устройством создаются управляющие инстрзтощи в виде перфорации для машин с цифровым управлением. Система управления лентой может быть представлена в виде схемы, изображенной на рис. 2.2.

Позднее мы объясним, почему для этой цели используют в основном трех- и четырехфазные ШД. Рассмотрим работу трехфазного двигателя.

Наиболее важной особенностью ШД является то, что на каждый импульс управления ротор поворачивается на фиксировашый угол, значение которого в градусах называется шагом.

При получении команды логическая цепь определяет, какая фаза должна быть задействована и посылает сигнал управления на инвертор, определяющий значение тока ШД. Логическая схема обычно монтируется из траюисторных элементов или интегральных схем. Если выходной штенциал логической схемы высокий, возбуждается соответствующая фаза обмотки, например фаза 1. Если выходной потенциал низкий, фаза обмотки с этим номером отключается. Как доказано на рис. 2.3, двигатель вращается по часовой стрелке при управляющей доследовательно-сти7 2 3 1 направление против часовой стрелки реали-

Импульсы

Рис. 2.2. Структурная схема системы управления двигателем: 1 - логаческий блок; 2 - инвертор; 3 - шаговый двигатель

зуется при обратной последоватеяьноста 1 -* 3 2 1 ... . При этом заранее оговаривается, каким в данных условиях считать направление вращения по часовой стрелке.

Фазы обмотки обозначаются как 1, 2, 3 к т.д. либо как АкВ для некоторых двухфазных двигателей. На рис. 2.3 показано однополупериод-ное управление ШД, которое означает, что в каждый момент времени возбуждена только одна фаза из трех (или четырех в случае четырех-фазного двигателя). Однополупериодное управление часто используют при обьяснении основных принщшов работы ШД, ощ1ако оно не всегда является лучшим способом управления.

2.1.2. Шаг и инкремент. В современных машинах с щ1фровым управлением и периферяшных устройствах ЭВМ данные записываются на восемь дорожек на ленте; это означает, что на одной линии может быть восемь шгнш1ьных отверстий. В дополнение к этому между третьей и четвертой дорожками идут синхронизирующие перфоращюнные отверстия, в которые входят зубцы звездочки (зубчатого колеса устройства протяжки ленты). Линии шмволов располагаются с интервалом в 2,54 мм. Когда на ленту заносятся данные с помощью ручного перфоратора или из ЭВМ, она продвигается на 2,54 мм, останавливается дня перфорации линии символа, затем продвигается на следующие 2,54 мм, останавливается опять и т.д.

дправпрная

Импульсы 1111 II

упра влений [

Раза 1

Двигатель

Рис. 2.3. Диаграммы последовательности входных импульсов управления и последовательности возбуждения обмоток

Рис. 2.4. Зависимость угла поворота ротора от времени для случая малой частоты следования импульсов управления

§3 и

время

Таким образом, самый простой способ управления движением ленты - это использование одиночных импульсов для логической схемы, когда двигатель за один шаг поворачивает звездочку на угол, эквивалентный этому шагу, т.е. продвигает ленту на 2,54 мм. Другой способ -поворот ШД на несколько шагов для продвижения ленты на одну линию. Например, можно использовать четырехфазный двигатель с шагом 1,8°, передвигающий ленту к следующей линии за четыре шага. Диаметр звездочки уменьшается в четыре раза, и в результате момент инерции уменьшается в 4 = 256 раз по сравнению с одношаговым передвижением.

Одно движение на 2,54 мм, которое переводит ленту к следующей линии, как в приведенном выше примере, назьшают инкрементом (приращением) . Один инкремент может вьшолняться за один шаг в первом примере и за четыре шага в последнем. В системе, изображенной на рис. 2.2, двигатель останавливается на определенное время после вьшолнения одного инкремента движения для перфорации ленты, затем цикл повторяется. Такой тип движения назьшается инкрементным движением, а управление, соответствующее ему, управлением инкрементным движением. На рис. 2.4 и 15 показана связь между шаговьш и инкрементным действиями. На рис 2.4 показана зависимость между углом поворота ротора и частотой импульсов управления в случае, когда эта частота относительно низкая, а инкрементное движение выполняется за один шаг. На рис. 2.5 показаны случаи, когда один инкремент вьиюлняется за два либо четыре шага. Одношаговое вьшолнение инкремента обычно сопровождается колебаниями, как показано на рис. 2.4. Когда движение выполняется за несколько импульсов, по-

Одно движение

U П LL

Одно двияение

8 7 6

Импульсы -упрЬВления

Один анпремент за 2 шага

111 Mil

Один инкремент за четыре шага

Рис. 2.5. управления

Инкрементные движения без колебаний при нескольких импульсах