Применение шаговых двигателей — stepmotors.ru: драйвера и контроллеры 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 периферийных устройствах 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.

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 линейных двигателей.

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-графопостроитель.

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 управлением.

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.

8.2.5. Устройство контроля профилей кошмовальных станков.

Это устройство используют для контроля данных на перфоленте копироваль­ных станков с цифровым программным управлением. Шаговый двига­тель служит для управления звездочкой, передвигающей перфоленту. Внешний вид устройства приведен на рис. 8.17. Программируемый про­филь рисуется на бумаге пером, прикрепленным к устройству (рис. 8.18).

Рис. 8. 17. Устройство контроля про­филей копировальных станков.

Рис 8.18. Соотношение между профилем детали токарного станка с числовым программным управлением и пинией движения резца.

8.3. Другие применения.

Факсимиле. Устройства, предназначенные для передачи документов и чер­тежей на расстояние с помощью телефонных линий, называются факси­миле-машинами. Они все больше используются в настоящее время для пересылки документов, как в разные страны, так и на близкие расстоя­ния. Основные принципы работы факсимиле-машины изображены на рис. 8.19.

Рис. 8.19. Принцип работы устройства передачи документов: 1 — шаговый двигатель; 2 — направление движения; 3 — лампа; 4 — фотоэле­мент; 5 — записывающая игла; 6 — телефонный канал.

Документ, навернутый на барабан, сканируется и поворачи­вается (субсканирование), затем делится на графические элементы, ко­торые переводятся в электрические сигналы фотоэлектрической считы­вающей головкой. Сигналы затем посылаются по линиям передач к при­нимающему устройству. Принимаемые сигналы демодулируют и воспро­изводят записывающим пером. Горизонтальное сканирование и поворо­ты барабана повторяются воспринимающим устройством.

Синхронные двигатели (гистерезисные или реактивные) или ШД ис­пользуют при управлении барабаном для субсканирования как в переда­ющем, так и в принимающем устройстве. Синхронные двигатели приме­няют в тех факсимиле-машинах, где барабаны в обоих устройствах долж­ны вращаться синхронно. В более новых факсимиле-машинах документы сначала копируются, полученные данные временно запоминаются в бу­ферной памяти, затем сжимаются для снижения их объема до необходи­мых пределов и затем посылаются во временную память принимающего устройства. Для этого класса машин незаменимы ШД.

Если объем памяти достаточен, то за один раз можно передать большое число документов. Однако увеличение памяти ведет к удорожанию ма­шины. Вместо этого повторяют запоминание, используя малый объем оперативной памяти. Двигатель последовательно управляется инкремент­ным способом. Количество данных, передаваемых за один инкремент, зависит от типа документа, объема памяти, сжатия и условий линии пе­редачи. Количество сканирований на миллиметр составляет от 4 до 8. Чем больше это число, тем лучше качество воспроизведения документов или чертежей.

Полуавтоматическое устройство для монтажа. На рис. 8.20 изображе­ны полуавтоматическое устройство для монтажа плат и панель его уп­равления.

Рис 8. 20. Полуавтоматическое устройство для монтажа и панель управления: 1 — шаговые двигатели.

Коробка справа содержит проводники разной длины и цвета. Управляющая панель справа совмещена с устройством считывания с пер­фоленты. Весь монтаж программируется и запоминается на перфоленте. Как только нажатием кнопки запускается программа монтажа, лампоч­ка индикатора указывает первый из требуемых проводников. Одновре­менно с этим запускаются два ШД, обеспечивающие перемещение по го­ризонтальной и вертикальной осям и определяется отверстие, в которое вставляется монтируемый проводник. Оба двигателя задействуются сра­зу, как только очередной монтаж выполнен. Это осуществляется нажа­тием ножной педали. Двигатели определят точку, к которой сигнал об окончании действия, индикаторная лампа указывает второй проводник и двигатели протягивают его к точке монтажа.

Применение ШД в космических летательных аппаратах. Шаговые двига­тели используют в космических летательных аппаратах, запускаемых для научного исследования планет [6, 7]. На сканирующей платформе распо­лагают различные приборы, например, телевизионные камеры и ультра­

фиолетовые спектрометры. Шаговые двигатели применяют для их наве­дения на нужную цель. На аппарате Mariner использовали четырехфазные двигатели с постоянными магнитами 11-го калибра (27 мм в диаметре) с углом шага 90°. Зубчатая передача электропривода с передаточным отношением 9081:1, изображенная на рис. 8.21, заключенная в металли­ческий контейнер, обеспечивает на каждом шаге двигателя поворот вала на 0,1792 м-рад (около 0,1°).

Рис. 8.21. Зубчатая передача в сканирующей платформе: 1 — муфта сцепления; 2 — выходной вал; 3-шаговый двигатель; 4-встроенный потенциометр; 5 — простой потенциометр.

Обратная связь по положению и телеметри­ческие потенциометры, которые подключены к электроприводу выход­ного вала с помощью высокоточного безлюфтового механизма, дают точное измерение положения выходного вала электропривода.

Устройство печати маркеров применяется в тяжелой индустрии для маркировки продукции (стальных плит и прочее) на металлургических предприятиях (рис. 8.22).

Рис. 8.22. Устройство печати маркеров для маркировки стальных плит.

Шаговый двигатель может быть применен в электромеханических цифро-аналоговых преобразователях. Устройство, изображенное на рис. 8.23, для аналоговой части использует потенциомет­ры.

Рис 8.23. Цифро-аналоговый преобразователь, использующий ШД.

Потенциометр соединен с валом ШД зубчатой передачей. Цифровой сигнал система управления двигателя преобразует в аналоговый (напря­жение на выходах потенциометра). В аналоговой части также можно ис­пользовать синхронизаторы.

Изготовление интегральных схем с помощью электронного луча. В устройстве для изготовления интегральных схем высокой степени ин­теграции используют обычно два ШД. Они служат для управления точ­ным положением XY-стола, несущего пластину в вакуумной камере во время экспозиции электронным лучом.

Использование ШД в часах (рис. 8.24).

Рис. 8. 24. Принцип использования однофазного ШД в часах: 1 — статор; 2 — минутная стрелка и триб; 3 — триб с управляющим коле­сом; 4 — третье колесо и триб; 5 — чет­вертое колесо и триб; 6 — пятое колесо и триб; 7 — шестое колесо и триб; 8 -ротор; 9 – обмотка.

Принцип работы двигателя рассмотрен в 2.4.1. В часах высокостабильные колебания частоты 32 768 или 215Гц, создаваемые кварцевым генератором, понижаются до 1 Гц с помощью делителя частоты, затем усиливаются для возбуждения катуш­ки статора. Ротор ШД диаметром 1,5 мм вращается с частотой 1/2 оборота в секунду и изготовлен из самарий-кобальтового магнита. Система уп­равления, содержащая кварцевый генератор и электронный блок из де­лителя частоты и инвертора, имеет малый объем.

Источник: //www.stepmotors.ru/theory/01/8.htm