Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Декабря 2014 в 23:30, реферат
Существуют многочисленные типы систем управления движения, основанные на коллекторных двигателях постоянного тока, серводвигателях, шаговых двигателях и пр. Рассмотрим управление движением при помощи шаговых двигателей.
Шаговые двигатели
Типы шаговых двигателей
Существуют многочисленные типы систем управления движения, основанные на коллекторных двигателях постоянного тока, серводвигателях, шаговых двигателях и пр. Рассмотрим управление движением при помощи шаговых двигателей.
Теоретически, шаговый двигатель очень прост. В нем нет щеток или контактных колец. В целом - это синхронный двигатель, в котором магнитное поле статора вращаются с помощью электроники, а в роторе находятся постоянные магниты. Шаговый двигатель превращает управляющие импульсы в механическое вращение ротора. Преимущество шаговых двигателей - низкая стоимость, высокая надежность, высокий крутящий момент в области низких скоростей и простой конструкции, которая функционирует практически в любой окружающей среде. Главные неудобства в использовании шаговых двигателей - эффект резонанса, часто проявляющийся на низких скоростях и падение крутящего момента на высоких скоростях.
Система управления, основанная на использовании шагового двигателя:
Система управления, основанная на использовании шагового двигателя
Indexer, он же контроллер - микропроцессор, генерирующий импульс "ШАГ" и "НАПРАВЛЕНИЕ", по сигналам, получаемым от пользователя. Обычно существует множество других сложных функций, возлагаемых на микропроцессор.
Driver, он же силовая часть - преобразователь сигналов контроллера в силовые управляющие импульсы, необходимые для вращения ротора. Есть много различных типов драйверов с различными величинами силы тока и формами управляющих импульсов. Не все драйверы являются подходящими, для различных двигателей. Правильный выбор драйвера является очень важным при проектировании системы управления.
Существуют три типа шаговых двигателей:
- с переменным магнитным сопротивлением
- с постоянными магнитами
- гибридные
В двигателях с переменным магнитным сопротивлением не используются постоянные магниты.
Двигатель с переменным магнитным сопротивлением
Как следствие, у двигателя отсутствует так называемый "detent torque" - стопорный момент. Этот тип конструкции не обеспечивает высокого крутящего момента.
У двигателей с постоянными магнитами величина шага редко бывает менее 7,5°, что связано с конструктивными особенностями его ротора.
Двигатель с постоянными магнитами
Главным достоинством двигателей с постоянными магнитами является их низкая цена, а недостатком - низкие скорости вращения.
В гибридных двигателях многополюсный статор и ротор с постоянными магнитами позволяют, получить значительный крутящий момент (до 300 кгс*см) и малую величину шага (1,8° и менее).
Гибридный двигатель
Стопорный момент гибридных шаговых двигателей обычно составляет 10% от величины статического синхронизирующего момента.
По способу питания шаговые двигатели можно разделить на униполярные и биполярные.
Схемы обмоток шаговых двигателей
Приведенные на рисунке схемы можно использовать как биполярные, так и как униполярные. В случае если отводы от средних точек обмоток соединены между собой внутри двигателя и пользователю доступны только пять выводов, что бывает очень редко, двигатель можно использовать только как униполярный.
Применение шаговых двигателей
Ранее уже были приведены некоторые примеры применения ШД. Здесь же рассмотрим это более подробно для различных областей техники.
8.1. Использование
шаговых двигателей в
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.
Рис 8.1. Внешний вид и механизм серийного печатающего устройства.
Конструкции печатающих устройств различных фирм мало отличаются друг от друга. Схема печатания может быть рассмотрена по рис. 8.2.
Рис. 8.2. Конструкция серийного печатающего устройства: 1 - 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 — проволочный 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).
Рис. 8.3. Символьные диски: а - типа "волан для бадминтона"; б - двойной лепестковый.
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 ШД применяют 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 печатающих устройствах
Принцип использования линейного реактивного ШД [1] для перемещения каретки в серийном печатающем устройстве был показан на рис. 1.13. Реальная конструкция, основанная на этом принципе, показана на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Реактивный линейный ШД, сконструированный для перемещения каретки в серийном печатающем устройстве.
Каретка, снабженная трехфазной обмоткой, работает как двигатель-ползунок. Направляющая или стационарная основа изготовлена 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.
Рис. 8.5. Линейный реактивный ШД, используемый в печатающем устройстве: I - задняя часть статора; 2 - ползунок; 3 - передняя часть статора.
Однако в этом устройстве ползунок не имеет обмоток, в то время как на статоре расположено большое количество катушек.
8.1.3. Двухкоординатный XY-
В гл 1 были описаны ШД, которые используют для передвижения пера в графопостроителе, который служит для получения графического изображения результатов вычислений. На рис. 8.6 изображен XY-графопостроитель, а на рис. 8.7 — система управления пером в этом графопостроителе для одной оси [3].
Рис. 8.6. Графопостроитель НР9872В фирмы Hewlett-Packard.
Рис. 8. 7. Механизм управления XY-графопостроителя, использующий два ШД: 1 - блок шкивов на каретке пера; 2 - огибающая Y; 3 — стальной гибкий кабель в нейлоновой оплетке; 4 - демпфер; 5 -пластиковый шкив на шаровом подшипнике; 6 -поворотный шкив; 7 — шаговый двигатель.
Рис. 8.8. Структура гибкого диска и механизма дисковода: 1 - конверт; 2 - диск; 3 - окно для головки; 4 - зажимная втулка; 5 — втулка шпинделя.
В графопостроителе, показанном на рис. 1.12, для передачи движения от вала двигателя перу используются шестерни. В графопостроителе, изображенном на рис. 8.7, используется стальной тросик, покрытый нейлоновой оболочкой. Он имеет преимущество в том, что отсутствуют механические зазоры и уровень шума ниже. Для получения более высокого качества и степени разрешения в графопостроителе на рис. 8.6 используется система управления с малым шагом, которая была рассмотрена в 2.3.6 [4].
8.1.4. Системы управления гибкими флоппи-дисками.
Гибкие диски используются как вспомогательная память для всех классов ЭВМ. Они также используются как устройство памяти для интеллектуальных терминалов. Флоппи-диск или дискета - это тонкий диск, у которого одна или обе стороны покрыты магнитным материалом для занесения данных. Как показано на рис. 8,8, он вложен в пластиковый конверт и устанавливается на устройство (дисковод) с частотой вращения 300 или 360 об/мин. При установке диска на дисковод с вращающим механизмом связан только диск, а конверт остается неподвижным. В качестве двигателей электропривода диска используют различные типы синхронных и вентильных двигателей, а ШД применяют для передвижения магнитной головки. Известно также, что ШД можно использовать для вращения диска.
Диск имеет память от 250 до 1000 кбайт. Чтение и запись данных производятся одной или двумя магнитными головками. Расстояние между дорожками (их 77 или больше в больших дисках и 35 или больше в малых) 0,5 мм. Диаметр большого диска составляет 203 см, а малого 133 см. На рис. 8.9 показан механизм вращения одностороннего флоппи-диска. Головка перемещается между дорожками с помощью ШД и ведущего винта.
Рис. 8.9. Механизм управления головкой для гибкого диска: 1 - ведущий винт; 2 - головка; 3 -каретка головки; 4 - шаговый двигатель.
Наиболее часто в системе с большим диском используют четырехфазный реактивный двигатель с углом шага 15° (рис. 8.10).
Рис. 8. 10. Реактивный ШД для управления головкой дисковода для гибкого диска.
Головка передвигается на одну дорожку при повороте двигателя на 15°. Ранее для перемещения двух головок в дисководе с двусторонним флоппи-диском, в котором головки передвигались лентой из нержавеющей стали, использовали гибридный двигатель с углом шага 1,8°. Шаговые двигатели с когтеобразными полюсами широко используют в системах с малыми флоппи-дисками.
8.2. Использование
шаговых двигателей в станках
с числовым программным
Другую большую область применения ШД нашли в управлении инструментами и деталями в станках с числовым программным управлением и т.д.
8.2.1 XY-столы и вращающиеся столы.
Устройство для управления положением на плоскости, использующее два ШД для управления движением по направлениям X и Y, называется XY -столом. Конструктивная схема этого устройства показана на рис. 8.11,а. Вращающимся столом с цифровым управлением также можно управлять с помощью ШД (рис. 8.11, б). В этих устройствах механическая обработка выполняется после позиционирования или вращения.
Рис. 8.11. XY-стол (а) и вращающийся стол (б) с числовым программным управлением.
8.2.2. Фрезерные станки.
Движением детали по трем осям во фрезерных станках с числовым программным управлением можно управлять с помощью трех ШД. На рис. 8.12 изображены два двигателя для управления движением по осям X и Y, а третий, управляющий движением по оси Z и расположенный под столом, не показан.
Рис. 8. 12. Принцип работы фрезерного станка с числовым программным управлением, использующего три ШД: 1 — вращающий двигатель фрезы; 2 — деталь; 3 — фреза; 4 — шаговый двигатель.
Во фрезерных станках с числовым программным управлением обработка режущим инструментом выполняется во время работы двигателя. Как было показано в гл. 4, момент, создаваемый ШД, имеет колебательную форму, поэтому поверхность детали после окончания обработки имеет более низкую чистоту поверхности, чем в станках с использованием серводвигателей постоянного тока.
8.2.3. Чертежные автоматы, управляемые линейными двигателями.
Шаговые двигатели используют для управления чертежной головкой чертежных автоматов. Принцип работы автоматов похож на принцип работы XY-графопостроителя, но размер плоскости больше, чем у последних. Чертежными автоматами обычно управляют встроенные мини-компьютеры. Здесь рассмотрен чертежный автомат, в котором перо управляется плоскостным (планерным) двигателем, состоящим из двух линейных ШД.
Базисная конструкция и принципы работы ШД были рассмотрены в 2.2.7. Используя комбинацию двух линейных двигателей, как показано на рис. 8.13 [15], можно построить двигатель, который передвигается на неподвижном основании в любом направлении; один используется для создания усилия в направлении X, другой — в направлении Y.
Рис. 8.13. Планерный двигатель, основанный на принципе Cobuepa: 1 - зубцы; 2 – борозды.
Изображения чертежного автомата и головки приведены соответственно на рис. 8.14 и 8.15.
Рис. 8.14. Чертежный автомат.
Рис. 8.15. Чертежная головка.
Каждый линейный двигатель, вмонтированный в головку, имеет конструкцию, изображенную на рис. 2.50 с шагом зубцов 0,96 мм.
Неподвижное основание разбито бородками на эквидистантные квадраты в виде вафли. Бороздки заполнены немагнитным материалом для создания зубчатой поверхности, так что двигатель может плавать над или под поверхностью неподвижного основания на стабильной воздушной подушке.
Как показано на рис. 8.14, чертежная головка, масса которой 1,5 кг, прижимается к неподвижному основанию магнитной силой, но свободно перемещается из-за тонкой воздушной пленки толщиной 10 мкм. Воздух к поверхности подводится через четыре отверстия. Управление двигателем осуществляется по схеме с малым шагом; возбуждающий ток представляет собой 96-шаговую синусоидальную волну. Соответственно разрешение равно 960/96 = = 10 мкм. Эта схема без обратной связи, по положению ротора максимальные частота вращения и ускорение, которые можно достичь, равны соответственно 1 и 9,8 м/с2.
Для исключения эффектов осцилляции при управлении без обратной связи по положению ротора в головку встраивают три акселерометра. Они служат для обнаружения колебаний и ввода обратной связи на усилители инвертора (коммутатора) ШД для подавления нежелательных перемещений. Два акселерометра используют для определения ускорений в направлениях осей X и Y, а третий необходим для определения вращательных колебаний.
8.2.4. Перфоратор и считыватель ленты.
Использование ШД для управления звездочкой в перфораторе и считывателе ленты (рис. 8.16) упоминалось в гл. 2.
Рис 8.16. Устройство считывания с перфоленты.
В перфораторах со скоростью 100—200 линий в секунду для управления звездочками применяют ШД. Для низкоскоростных устройств используют храповой механизм. Скорость считывания с ленты изменяется в пределах от 200 до 500 линий в секунду.