Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления

ББК 3126 К 35 УДК 621313.13-133,32 Рецензенты Д.А. Бут, А.Н. Дедовский Канио Т. К 35 8!аговые двигатели н вх микропроцессорные шсстемы упрайледдя: Пер. с англ. — Мл Эиертоатомиздат, 1987,— 200 с.: ил. рассмотрены вопросы звеииза зхектромагившых лрсдессов в шаго. вых лвигатеаах разлиюшго твпз, приведено болелые количество копструкпшаых решений. Значвтепшюе внвммше удеиепо мак!оп!шизо сорным сиогемем упраеленвя„апгорнтмзм их гюботм и схемкой решнззцвв ашмм упршвешга.

Прнведеаы примеры применешш шатовых шигвтелсй с мвк!юпроцессорным упрзвлмшем. Дви ннкеиерно"технических работвиков, змшмеюыпип вопросами исскедоваиви и арнменевиа вигов ых лвигатезей. 3301030000 503 051(01)-07 ВВК 31.3б ЗФ®р1пЯ во1ов апд Феи ппсгоргосеээог сорго!8 ТайаЕЫ ХЕ!3~О Рго!ешог !и 1!зе Верагьпепг о1 Е!естпсв! Епв!пееНпй, 1паг!1пте о! ~гаса!!опа! Тгасп!п8, Капайаша, рарап С1.АКЕ1ч!1ЭОг! РКЕББ ° ОХРОКО 1984 ©Тмюзд! Деп!о, 19М ©Перевод на русский изык, Энергоашмаздат, 19В7 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА За последние годы в нашей стране и за рубежом начал бурно развязаться процесс создання гибких пронзводственных систем н автоматизированных рабочнх мест.

Большинство лернфернйных устройств для зтнх целей, а также роботов н станков с ЧПУ основано на нспсльзованнн шатовых двнгателей, управленце которыьщ осуществляется от центраяыюй ЗВМ нлв макропроцессора. Предлагаемая книга японского ученого Такалы Кенно посвящена ана. лнзу злектромагнятных процессов в шатовых двигателях, мнкроцродессорным агстемам управления н практической их реэлизжцщ в машнностроенлн. Рассматриваемые в кннге вопросы дня советских читателей интересны еще н потому, что последняя монография во дискретным шаговым лтектропрнводам под редакцней М.Г.

чллнкнва была выпущена почти 20 лет назад, когда вопросы микропроцессорного упрэвленвя толмсо возннкэлв. В книге подробю рассмотрены конструкцвн реактивных н гнбрнд. ных вазовых двнгатлтей, а также двигателей с постояннымв магшгтаьнг. Анализ ээектромэгннтных процессов построен нэ основе эквивалентных схем замещення мэгнвтюй целя, причем достаточю просто обьюнен фижоюаснй смысл возннкновення злектромэгннтвого ьюмевта. Большое вннмыще уделено ллнамвке работы шатовых двнгателей. Математнческне модели ллнэьыческлх процессов построеяы как «а базе непосредственного ревювня днфференннлтьных уравнелнй дэнамнкя, так и лэ основе анлтвза лередпочных функций.

Рассмотрены сложнме в недостаточно освещенные в литературе вопросы устойчивости н колебаний ллховых двигателей. Несомненный интерес для широкого круга читателей предслшляют раздеты, лосвшнэнные слстемам управленца шатовыми дэлгатглямн как с обратной связью ло положенню ротора, так и без нее. Книга привлекает большим количеством конкретных примеров лрнмевевня шатовых двигателей в различных обяастях техвлкн. Несмотря на то, что книга предназначена дпя научных работников н инженеров — разработчиков шатовых двнгателей и оборудэванля с шатовыми злектропрвводдми, она, несомнешю, будет полезна н шнрокому кругу читателей.

А.Н.Нвдввский ПРИДИСЛОЯИЯ Осенью 1978 г., закончив рукопись книги "Фумдаьюнтальная теогыя я применения шатовых двигателей*' в соавторстве с Ннимурой, в посетил профессора Лоуренсона и доктора Хагнеса из университета в Лидсе, Депо в том, что одну главу книги я посвятил объяснению разработанной ими теории сташческих и динамяческях характерисщк шатовых двигателей. Промышленность, выпускающая электродвигатели, иитенашно развивается в Японии с начала 70-х годов.

Поэтому я считал, что книга будет полезна многим инженерам и студентам. Профессор Лоуренсон спросил, что я думаю о написании английского' варианта книги, и это послужило первым толчком к его нютпсанию. После опубликования книги в Японии, ее разослалн известным специалистам в области зпектродвигатепей. Ощи из ннх попала к доктору Янгу из университета Негю1-%а11. Доктор Янг имел некоторые познания в японском языке и смог оценить достоинства моей книги. Свой комментарий он отпотел профессору Хаманду, издателю монографий по зтектротехнике и электронике, коюрый решал, что такая книга необходима на английском языке. Профессор Хаманд предложив сделать просто перевод этой книги.

Однако а решил подготовять новый вариант, совершешю пересмотрев содержание н включив новые данные с тем, чтобы представить книгу, которая вызовет интерес широкого крута читателей: от новичков до специалистов по оборудованию с числовым программным управлением. Эта работа бьша выполнена благодаря поддержке и помощи многих людей. Профессор Лоуренсон и доктор Хагнес предоставили мне свои статьи и труды Международной конференции по шаговым двигателям и приборам. Более того, профессор Лоуренсон внимательно прочен рукопись и посоветовал, как улуюлить некоторые разделы. Сотрудник фирмм Бапуо ОепЫ Нинмура любезно согласился на репродукцию штлю. страцяй из предыдущей книги я предоставил новые фотографви.

Предстовитепь фирмм 1ВМ Поулетко ответил на вопросы о достижешщх в яс. пользовании шатовых двигателей в вычислительной технике и предоставил мне фотографии линейных шатовых двигателей. Доктор Годжин из фирмы г1.Ч. РМВрз 01оебашрепГаЬгйсеп предоставил мне чертежа двягателей вз своей статьи и дал разъяснения по поводу типов этих машин. Я благодарен также за предоставленный иплюстрапшный материал: Паттерсону иэ компании Нетч!е11 Рас1сагд, Теннату нэ фирмы Мооге Кееб, Егаве яз фирмы МПЧЕВЕА, Каджиме из фирмы Раппе, профессору уни- 4 верснтета в Ньюкасше Харрису, Пзнсли нз компания 1п1агх1 Мшог Ерес!а!гу Ргоспстт Р!т1аоп, доктору Сннгху нз фирмы Еххоп 01йсе Зузгепи, Итакуре нз компаннн ЬЯЬоп Ьйсго Мотет, Куо нз уннверснтета шппа Иппннойс н компапням Ьйрроп Е!есгпс, Оанц ЯейсосЬа, СатЬгЫйе 1пзншпептз, ЕкоЬ, 1ЕЕ. Выражаю птубокую бпагодарность сотрудннкам нздампьстаа С1агепсоп Ргезе, которые терпепнво ясправлютн н совершенствовали мою рукопись.

Канагава, Япония. Май 1983 г. Т. Кенао Глава 1 ВВЕДЕНИЕ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР Книга посвящена эпектрвческим машинам, называемым шатовыми двягателямн (Е()(), и включает описание их констр)ппшй, пршщипа работы, теории, схем управления, а также осо бенюзстей применения. В кратком исюрическом обзоре развииш ШД рассмзтреям первые ШД вЂ” с соленоидом.храповиком и щектрогидрнвлические ШД. В зюй главе описаны и другие типы ШД, однако конструктивные особенности современных двигателей рассмотрены в гл. 2.

1.1.ЧТО ТАКОЕ ЫАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛЬ И КАКОВЫ ЕГО ОСИОВИЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ На ряс. 1.1 представлено поперечное сечение типичюго совремешюго ШД; это так называемый однопакетный реакпшный двигатель. Дня начала разберем (или нзучнм), как он рабошет. Сердечник сшюра имеет шесть выступающих зубцов, в то время как роюр всего четыре. Сердечники как роюра, тнк и статора выполнены из мапщюмнпсой стали. Три набора обмоток расположены, как показано яа рисунке.

Каждый набор сосюит иэ двух катушек, соединенных последовательно. Набор обьююк наэмвается фатой, и, сооюетсгненно, машина — трехфазным Шьнгатепем. Ток на обмотки пощатся от источника постоянного юка через пере. ключатепн 1, 11 и 111. В положении (1) обмотка фазм 1 подютючена к ио. ючнику через переклкнютель 1 или сопгасно технической терминолопш возбуждена фаза 1. Магнитный поток, вознякающий в результате возбуждеяня, показан на рисунке стрепкамн. В положении (1) два выстулающвх зубца статора фазы 1, будучи воэбуноюнными, останавливаются на одной прямой с двуми иэ четырех зубцов роюра.

В терьщвах дннаьщки это положение является положением равновесия. Когда замыканием переклниателя 11 в дополнение к фазе 1 возбуждается фаза 11, в зубцах стаюра, соответствующих этой фаю, возникает магнитный поток, как покаюю на рисунке дпя положения (2), и вследствие "натяжения'" в наююиных Гиловых линиях магнитного поля возникает вращающий момент. Ротор, в конце концов, принимает положение (3) . Таким образом, эа время выполнения одной оперении переключенвг роюр поворачввается на фнкагрованный етгол, коюрый называется углом шага или шагом, в данном случае на 15 . Если теперь разомкнуть переключатель 1 и отсоешгнить от источняка литания фазу 1, ротор повернется на агедующне 15' н займет положение (4).

Таким образом, упювым л Рн с. !. !. Прнацнпы работы реакпюного В!дг ! — сердеаввк с!егора; 2 — сернваюк ротора положением ротора в еднннпдх угла шага можно управлять с помощью процесса переключения. Если переключения проиэводнт поспедоваильно, го ротор будет вращаться шатовыми движениями, прячем средней часпгтой вращения также можно управлнть с помощью процесса переключения.

В настоящее время дпя управления ШД в качестве згектронных переключателей применяют тренэясторы, а гжглалы на переключение генерируются шгфровымн интегральнмми схемаью ипи микропроцессором (рнс. 12) . Рв с. !. 2. Современнее снсгеме Гпранненнв атдг ! — нсювюк посменного тока; 2 — нгпеграныив гвпсросаема юю мвкровропессор; 3 — травэнстрныя коммутатор (ггввертор); 4 — двнгнмпь 1 Шаговьш двиппель — это жектрнческвй двнгашль, преобразуюлагв цафровой жектрический входной отпил в мехаывческое движение, По сравнению с другими п1иборамв, коюрые могут аыполшпь эш же нля подобные функвди, Отстема упрввленяя, нпюльзуемая в шД, обладает саедующвми сущесшевнымн преимуществами: во-первых, у нее ыет оЬ ратной сажи, обычно нсобхоалмой для упрвалевшг положением влн часппой вращюшя; во-вторых, не наквпдившпж ошвбка шшожевия; в-третьих, ШД ашместим с совремевыымы цифровыми устройшвамв.

По зшм причанам различные пшы н классы ШД испзльзуют в пе1иферпйных устройствах ЭВМ и подобных системах. 1т. иСтОРИИ ВОЗНИПНОВНННЯ иаГОВЫХ ДВИГАТШтнй Выпуск 11ЕЕ [Ц, опубликованный в 1927 г., включал описвняе трехфазного реактввного ШД рвссмотревного аыпю типа, которьш бып ио. польэован дпя дыствнцнонного упрюшения нндшапором направления юрпедвых ишаратов и орудвй ыа военных кораблях Вжикобрнтмвш. Квк поквзюю на рис. 1З, врвщаемый вручную коммутатор бьи исполь. занан дта переключешга юка уирввлеыыа. Одын южный оборот рукоятав обмиечнвж шесть шагов, выполняющих псаорот ротора на 90'. Движение ротора шагами по 15' было замеплеыным дая досжыеыиа тре-' буеьезй точности положения роюра.

В [Ц подчеркввишсь, что п1и коисгруароввнив эюго ыростого ШД шобходамо было учесть много факторов и принять ао внимание рад предосторожтюсшй дпа того, побы дойгться его удсвлетао1штепыюго функционирование. Этот мехюшзм требует высокого отношения жектромапапиого момыпа к моменту инерцвв даижущвхся частей, чтобы не допустпть пропуска шага, а жектрическвл постоянная времени — опюшение вадукшвноста цепы к ее сопрошвленню — дснжаа быть мела дта дзстяження выпитой п1иемвсюсти. С этими пройтемамн до пгх пор сшлквввются при совдепии современных двягвтелей. Как следует из [21, ШД позже применютя на военвьш кораблях в США лля ююлогычных цепей. Впрочем, существуют примеры и более рвшюто а) Ф б) Ра с. 1.

3. ИД, асасюаовваамй а 1ВЫЬх голах аа всехамх карабаха Вехако. беатвваа: а — шаптваь; 6 — врааааапайса коммутатор; е — вагтаеаааа всемв авааыхаа аемщъьюРВ 8 Ря с. 1.4. Трэхбаэаып ШД, яэсбретеяэыя Уолкером: 1 — обмотка сапера; 3 — Ротер применения ШД [3]: "Шаговые двягатели реактивпого типа, примеияемые в пастоюцее время кэк приборы управления позицюпированием, были известим как "итектрпческие моторы середпиы Х1Х века"; мы сошлемся ва два жпуживающвх ввимаяия яэобретеввя (1919 и 1920 гг., Великобритаюгя) .