о 2,5

7,5см

Рис. 2.6. Устройство считывания с перфоленты

ступающих с соответствуюпдами интервалами, колебаний может и не быть. Они в случае одношаговой реализации гасятся соответствующей электронной схемой управления.

Количество шагов на один инкремент часто больше четырех, например, в устройстве ввода перфоленты (рис. 2.6). Когда данные с ленты переносятся в контроллер или механизм с цифровым управлением, действия вьшолняются блок за блоком. Один блок данных состоит из набора символов, например из 32, 48 или 64, и это количество может быть различным в зависимости от системы. До того как устройство начнет продвижение ленты, блок данных переносится в полупроводниковую память контроллера и устройство будет двигаться так, как определено в инструкциях, содержащихся в первом блоке данных. После вьшолнения этих инструкций считьшающая головка устройства ввода перфоленты считьшает следующий блок данных. Если система считьшает один символ за один шаг, а блок состоит из 32 символов, то одно движение вьшолняется за 32 шага. Если одна линия символа проходит за четыре шага, то одно инкрементное движение вьшолняется за 128 шагов так, чтобы передать 32 байта данных. Когда одно движение вютючает много шагов, перед логической схемой необходимо вютю-чить дополнительный каскад. Устройство, вьшолняющее зги функции, назьшается входным контроллером. Входной контроллер после получения входного сигнала посылает набор определенного числа импульсов с заданными интервалами.

Рис. 2.7. Лепестковый диск

2.1.3. Особенности пртменения шагового двигателя. В этом параграфе рассмотрены особенности управления ШД без обратной связи и определены некоторые технические понятия (термины).

1. Маленький угол шага. Двигатель проворачивается за каждый импульс управления на определенный фиксированный угол. Чем меньше шаг, тем большая частота вращения может быть достигнута. Одной из особенностей ШД является то, что они могут обеспечивать маленький шаг. Инженерам важно знать количество шагов за один оборот, т.е. шаговое число. Соотношение между углом шага 65 и шаговым числом S следующее:

S = 360/5 .

(2.1)

Двигатели, используемые в приводах символьных дисков (рис. 2.7) печатающих устройств, вьшолняют 96, 128 или 132 шага за одан оборот. Обычно четырехфазные двигатели имеют шаговое число 200. Некоторые прецизионные двигатели обеспечивают 500 или 1000 шагов за один оборот. Однако шаг простых двигателей составляет 90, 45 или 15°.

2. Высокая точность частоты вращения. Это важнейший параметр, определяюпдай качество ШД. Двигатели конструируют так, чтобы в ответ на входной импульс они поворачивались на определенный угол и останавливались в определенном положении. В силу того, что точность позиционирования без нагрузки зависит от параметров (физических и кон-• структивных) ротора и статора, из-за момента нагрузки имеются отклонения от конечного положения. С целью увеличения момента фиксации воздушный зазор между зубцами ротора и статора вьшолняется минимальным. Точность позиционирования зависит только от характеристик двигателя и инвертора, в то время как другие параметры схемы управления на нее не влияют.

Рассмотрим ряд необходимых здесь понятий: максимальный статический момент, положения, в которых ротор перестает даигаться, и точность позиционирования этих положений. }1я определения каждого из этих понятий существуют две концепции.

Максимальный статический момент [1]: а) удерживающий - определяется как максимальный статический момент, который может быть приложен к валу возбужденного двигателя без последующего вращения; б) фиксирующий - определяется как максимальный статический момент, который может быть приложен к вану невозбужденного двигателя без последующего вращения.

Как правило, чем выше удерживающий момент, тем меньше ошибки позиционирования, вызванные нагрузкой (см. 2.5.1)..Фиксирующий момент присутствует только в двигателях, имеющих постоянные магниты.

Положения, в которых останавливается ротор: а) конечное положение или положение равновесия определяются как "положения, в которых останавливается ротор возбужденного, ненагруженного двигателя"; б) положения фиксации определяются как положения, в которых останавливается ротор ШД, имеющий постоянный магнит в невозбужденном состоянии и при отсутствии нагрузки.

В некоторых двигателях дпя экономии энергии положения фиксации используются для позиционирования при невозбужденных обмотках.

Точность позиционирования: а) ошибка углового положения - определяется как максимальная положительная или отрицательная ошибка углового положения (по сравнению с нормированным углом шага), которая наблюдается при движении ротора из одного положения равновесия в следующее; б) точность позиционирования - максимальная ошибка углового положения дая конечного положения, относящегося ко всему набору нормированных углов шага, которые вьшолняются за полный оборот ротора.

Примеры этих определений даны в табл. 2.1 и 2.2 [2] для реактивного ШД с шагом 15° соответственно для точности позиционирования и ошибки углового положения. Как видно из табл. 2.1, ошибки находятся в пределах от -Ю,08 до -0,03°. Следовательно, точность позиционирования определяется как 0,08° -н 0,03° = 0,11°. Если ошибки отсчитывать относительно третьего положения, отмеченного в табл. 2.1 звездочкой, максимальная ошибка будет равна 0,11°. Эта ошибка иногда выражается как ±0,055°, так как можно найти положение, относительно которого ошибки будут располагаться в пределах от 0,055 до -0,055°. Как видно из табл. 2.2, ошибки лежат в пределах от +0,\ 1 до -0,09°.

Следовательно, ошибка углового положения равна 0,11°.

Хотя по стечению обстоятельства обе ошибки имеют одинаковые значения, точность позиционирования обычно выше, чем ошибка углового положения.

3. Высокое отношение электромагнитного момента к моменту инерции. Желательно, чтобы ШД в ответ на. поступление входного импульса или последовательности импульсов двигался с максимальным ускорением. От него требуется не только бьютрое начало движения, но и быстрая остановка. Если во время движения последовательность импульсов 22

Таблица 2.1. Данные точное™ позиционирования, измеренные для реактивного двигателя с углом шага 15

•Отсчет ошибки ведется относнтельно третьего положения.

Таблица 2.2. Значения ошибки углового положения, измеренные для реактивного двигателя с углом шага 15

управления прервется, двигатель должен остановиться в положении, определяемом последним HMn>7ibcOM. Ранее было показано, что для этого отношение элек1ромагнитного момента к моменту инерции ротора должно быть дпя ЫД выше, чем для обычного электрического двигателя.

4. Шаговая частота вращения и частота импульсов. Частота вращения задается числом шагов в секунду, и вместо показателя "частота вращения" часто используется термин "шаговая частота вращения". В силу

того, что для большинства ШД число шагов равно числу импульсов схемы управления, частота вращения может быть выражена в терминах частоты импупьсов. В книге в качестве единицы шаговой частоты вращения используется герц (Гц.

Следует, однако, отметить, что шаговая частота вращения не определяет точно абсолютную частоту вращения. Частота вращения для обычных электрических машин выражается в оборотах в минуту; для реальной частоты вращения ШД рекомендуется тот же термин и единица измерения. Соотношение между частотой вращения и шаговой частотой вращения задается формулой

п = mis, (2.2)

где п - частота вращения, об/мин; / - шаговая частота вращения; S -число шагов.

2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В настоящее время используются разные типы электрических машин, и ШД можно разделить на несколько типов в соответствии с их структурой и принципами работы.

2.2.1. Реактивные двигатели являются основным типом ШД, применяемым в настоящее время.

Конструкция реактивного ШД показана на рис. 2.8. Для облегчения объяснения принципов его действия на рис. 2.9 приведено поперечное сечение простого реактивного ШД. Это трехфазный двигатель, статор которого имеет шесть зубцов. Каждые два зубца статора, отстоящие на 180° друг от друга, принадлежат одной фазе; катушки противоположных зубцов соединены последовательно или параллельно (на рис. 2.9 они соединены последовательно). Ротор имеет четыре зубца. Статор и ротор обычно изготавливают из шихтованного магнитомягкого материала, но часто используют и массивные роторы. Материал как статора, так и ротора должен обладать высокой магнитной проницаемостью и обеспечивать прохождение большого магнитного потока.

Определим, одинаковые или противоположные направления намагничивания будут иметь зубцы одной фазы статора. Предположим, что в на-

Рис. 2.8. Разрез однопакетного реактивного ШД 24

Фаза /

Рис. 2.9. Поперечное сечение трехфазного ШД и схема соединения обмоток: 1 - обмотка; 2 - статор; 3 - ротор

шем примере они имеют противоположные направления намагничивания. Таким образом, на рис. 2.9 зубцы /, и / в возбужденном состоянии представляют северный магнитный полюс, а/, и / - южный.

Ток в каждой фазе управляется в режиме ДА (НЕТ) через соответствующие переютючатели. Если ток подается в катушку фазы 1 или, другими словами, фаза 1 возбуждена, магнитный поток будет проходить, как показано на рис. 2.10. Ротор примет такое положение, что зубцы статора / и / и какие-либо два зубца ротора установятся по одной линии. В этом случае магнитное сопротивление минимально, что обеспечивает положение равновесия. Если ротор начнет двигаться от положения равновесия под действием внешнего момента, приложенного к его валу, то появится удерживающий момент, как показано на рис. 2.11. В этом случае к ротору приложен внешний момент, направленный по часовой стрелке, и ротор смещен в этом же направлении, что привело к искривлению магнитных силовых линий на концах зубцов как статора, так и самого ротора. Магнитные силовые линии имеют сильное натяжение, известное как натяжение Максвелла. Другими словами, магнитные си-

Р и с. 2.10. Положение равновесия при возбуждении фазы i

Рис. 2.11. Силовые линии магнитного поля, создающие момент: 1 - силовые линии; 2 - внешний момент; 3 - возвращающий момент