Зона конечного пополнения

Рис. 7. 24. Оптимальная зависимость частоты вращения от расстояния для 13 щагов

мутации автоматически принимает значение, соответствующее такому повороту. Ускорение до конечной зоны не является таким же приемлемым, как ранее, из-за меньшего значения угла коммутации, равного 1,5 шага. В конечной зоне угол коммутации снова устанавливается в нуль. Из рис. 7.23, б видно, что до остановки ротора в конечном положении произойдет еще одно или несколько колебаний.

Когда еще раз будет выдано то же самое задание, следует пройти 13 шагов по часовой стрелке, торможение начнется в точке коммутации девятого шага перед конечной зоной. В этом случае частота вращения станет равна нулю до достижения конечного положения, как показано на рис. 7.23. Когда будет пройдена точка коммутации 5790, выдается прерывание на реверс двигателя и счетчик ошибки подсчитывает, количество оставшихся до конечного положения шагов (на рис. 7.23 , 7.24). Оно рассматривается как отрицательная ошибка в 4 шага. В памяти микропроцессора ошибка корректируется на 8-4 = 4. Снова (см. рис. 7.23) угол коммутации принимает значение, соответствующее торможению против часовой стрелки, т.е. то же самое, что и для реверса направления врашения по часовой стрелке, при сигнале прерывания на реверс движения по часовой стрелке. Дальнейшее выполнение движения такое же, как и ранее. При повторении этого процесса несколько раз будет найдено оптимальное время изменения угла коммутации и достигнуто движение по кривой, приведенной на рис. 7.24.

3. Существуют ли данные для печати? После вьшолнения последовательности из двухсот видов движений, система управления готова к практической работе. Если микропроцессор получает какие-либо данные для печати, они помещаются в память.

4. Вычисление числа шагов и направления вращения. Рассчитывается расстояние между текущим и конечным положениями ротора и результат засылается в счетчик ошибки. Момент, в который угол коммутации следует сменить с ускорения на торможение, также засьшается в генератор сигналов изменения угла коммутации.

5. Главная программа. Определяется значение угла коммутации, соответствующее ускорению ротора, и посьшается с порта 2 для запуска двигателя. Предполагают, что каждое движение выполняется в кратчайшее время. Однако если случаются какие-либо вариации из-за изме-

Рис. 7. 25. Трехфазный реактивный ШД с оптическим датчиком положения ротора

нения нагрузки, то Moryi произойти отрицательные или положительные ошибки позиционирования и времена изменения угла коммутации будут скорректированы микропроцессором.

7.4. ДРУГИЕ ТИПЫ УПРАВЛЕНИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

7.4.1. Обратная связь с управлением по току. Схема управления с обратной связью по значению тока в обмотках 132-шагового трехфазного реактивного двигателя бьша предложена лабораторией Yokosuka Electrical Communication корпорации Nippon Telegraph arid Telephone Pablic и фирмой Sanyo Denki для применения в управлении фигурным символьным диском серийного печатающего устройства. Некоторые элементы этой системы могут быть найдекь. в [5], но основные ее черты

Зремя

Рис. 7. 26. Структурная схема управления током в схеме управления с обратной связью по положению ротора:

/ - начальный сигнал; 2 - задание профиля частоты вращения; 3 - выбор фаз; 4 - задание угла коммутации; 5 - коммутатор двигателя; 6 - управление током; 7 - щаговый двигатель; 8 - оптический датчик положения ротора; 9 - импульсы обратной связи по положению ротора

а) t ) t

Рис. 7. 27. Формы кривых тока в обмотке сразу после начала возбуждения: а - без нагрузки; б-с нагрузкой; 7 - без движения; 2-е движением

приведены здесь. Двигатель, объединенный с инкрементным оптическим датчиком положения ротора, показан на рис. 7.25.

Структурная схема этой системы, приведенная на рис. 7.26, имеет следующие особенности.

Во-первых, профили изменения частоты вращения во времени фиксируют заранее. Максимальное расстояние в каждом направлении равно 66 шагам. Профили частоты вращения заносят в постоянную память. Основные из них имеют форму трапеций, но для короткого движения используют треугольный профиль.

Во-вторых, положение и частота вращения ротора связаны обратной связью и изменение последней сравнивают с зацанным модельным профилем: расхождение между ними усиливается и используется для управления током двигателя.

В-третьих, в системе управления принимают углы коммутации 1,75; 1,25; 0,5 шага соответственно для ускорения, вращения с постоянной частотой и торможения.

В-четвертых, используют коммутатор в виде прерывателя.

В-пятых, сигналы управления на вьшолнение шага во время ускорения и постоянного вращения берут от сигналов обратной связи датчика положения ротора, в то время как обычные используют только во время торможения.

7.4.2. Управление с обратной связыо без датчика. Управление с обратной связью по положению ротора в основном нуждается в тех типах датчиков, которые преобразуют механические положения в электрические сигналы. Во многих случаях для этого используют датчики оптического типа. Однако у этих датчиков существуют некоторые недостатки: они обычно дороже ШД; регулировка положения датчика относительно соответствующего положения ротора является нелегкой задачей; возникают проблемы, связанные с нагреванием или электрическим шумом.

Вместо оптического или другого типа механического датчика, соединенного с ротором, можно использовать для определения положения последнего формы кривых тока или напряжения. В [6] дано описание этого метода в системах управления реактивным ШД.

В 1979 г. на Международной конференции по ШД и системам была представлена новая схема управления с обратной связью гибридным двигателем, разработанная в [7]. Здесь приведены ее основные черты. 178

Рис. 7. 28. Система управления с об-ратаой связыо по положению ротора четырехфазиым двигателем, использующая датчик тока:

1 - микропроцессор; 2 - усилитель жгнала управления; 3 - усилитель напряжения; 4 - обмотка; 5 - Л-С-генератор

-о-С-

Поперечное сечение двигателя представлено на рис. 2.49. Форма кривой тока в обмотке сразу после коммутации показана на рис. 7.27, а. Если двигатель не может достичь полной частоты вращения, например, из-за необходимости работы против силы тяжести или подключения инерционной нагрузки, получается нижняя кривая на рис. 7.27, б. Схема обратной связи для линейных двигателей использует разницу между этими кривыми.

На рис. 7.28 приведена структурная схема. Управление двигателя осуществляется по двухполупериодной двухфазной схеме, конец каждой обмотки подсоединен к блоку сравнения напряжений. Другой вход блока сравнения соединен с генератором экспоненциального сигнала, который запускается микропроцессором. После команды на вьшолнение шага микропроцессор задерживает сигнал так, что система управления оказывается в ситуации / на рис. 7.27, а и б, т.е. не будет равенства напряжения в фазах и, в конечном счете, микропроцессор не получит подтверждения вьшолнения шага.

Однако если блок сравнения получил кривую такой формы, как на рис. 7.27, а и б для сигнала с движением, то будут две точки равенства напряжения в фазах, на которых выход блока сравнения переключится в состояние выключено, а затем снова включено. Показано, что время первого равенства напряжений является оптимальным для начала следующего шага при ускорении двигателя или вращении с постоянной частотой. Время второго равенства напряжений используется для режима торможения. Функционирование системы происходит следующим образом.

1. Сигнал на вьшолнение первого шага в требуемом направлении вьщается включением тока в соответствующей обмотке.

2. После задержки микропроцессор запускает генератор сигнала экспоненциальной формы.

3. Когда блок сравнения вьщает сигнал о первой точке равенства напряжения, микропроцессор определяет, сколько шагов требуется для выполнения движения. Если больше двух, что выбирается следующее состояние управления и для ускорения двигателя возбуждается следующая обмйтка. В случае, когда осталось два шага или меньше, микропроцессор устанавливает сигнал, который исключает ускорение до второй точки равенства напряжения в фазах. Задержка возбуждения обмотки обеспечивает приведение в действие "электромагнитной упругости" для эффективного торможения двигателя.

Глава 8

ПРИМЕНЕНИЕ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ранее уже бьши приведены некоторые примеры применения ШД. Здесь же рассмотрим это более подробно для различных областей техники.

8.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТЮЙСТВАХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Эта область считается основной для применения ШД. Существует большое разнообразие периферийных устройств вычислительных машин, остановимся на основных, использующих ШД.

8.1.1. Серийное печатающее устройство. Серийное печатающее устройство является автоматическим, печатающим в каждый такт времени по одному символу. Внешний вид и его механизм приведены на рис. 8.1. Конструкции печатающих устройств различных фирм мало отличаются друг от друга. Схема печатания может быть рассмотрена по рис. 8.2.

Рис. 8.1. Внешний вид и механизм серийного печатающего устройства

Рис. 8.2. Конструкция серийного печатающего устройства:

/ - бумага; 2 - символьный диск; 3 - молоточек; 4 - шаговый двигатель для движения бумаги; 5 - редуктор; 6 - серводвигатель постоянного тока; 7- шаговый двигатель для подачи ленты; 8 - шаговый двигатель или серводвигатель постоянного тока для передвижения каретки; 9 - направляющие; 10 - проволоичый тросик

Символьный диск крепится непосредственно к двигателю, помещенному на каретке. Используются различные виды символьных дисков: лепестковый (см. рис. 2.7); символьный типа "волан для бадминтона" (рис. 8.3, а) и двойной лепестковый (рис. 8.3, б). Все они изготавливаются из легких материалов. Количество символов может быть 64, 96, 128 или 132. Два последних числа используют в символьных дисках, работающих с латинским и японским алфавитами. В основном ЩЦ поименяют для поворотов символьного диска в схеме управления без обратной связи при скорости печатания порядка 30 символов в секунду. Для высоких скоростей берут серводвигатели постоянного тока с управлением по схеме с обратной связью, однако вполне пригодны ШД, управляемые по схеме с обратной связью Шаговый или серводвигатель постоянного тока используют для перемещения каретки. Шаговый двигатель с постоянным магнитом с углом шага 45 или 90° применяют для продвижения ленты, а также валика прогона бумаги.

8.1.2. Применение в печатаюнхих устройствах линейных двигателей. Принцип использования линейного реактивного ШД [1] для перемещения каретки в серийном печатающем устройстве бьш показан на рис. 1.13. Реальная конструкция, основанная на зтом принципе, показана на рис. 8.4. Каретка, снабженная трехфазной обмоткой, работает как двигатель-ползунок. Направляющая или стационарная основа юготовлена из слоистой кремнийсодержащей стали и зубцы имеют тот же зубцовый шаг, что и у каретки.

На рис. 8.5 [2] показан другой линейный реактивный двигатель для перемещения каретки. Однако в зтом устройстве ползунок не имеет обмоток, в то время как на статоре расположено большое количество катушек.