ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАГОВЫЙ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
STEP ELECTRIC DRIVE WITH FEEDBACK

Изобретение относится к области шаговых электроприводов, в которых нешаговые электродвигатели работают в шаговом режиме и располагаются на некотором расстоянии от источника управляющего напряжения.
Известны шаговые электроприводы, которые представляют собой четырехфазные шаговые электродвигатели, как, например, электродвигатель ДШИ-200-2-1 (паспорт Я2МЗ.595.057 ПС) российского производства, которые имеют угол единичного шага 1,8° и 200 шагов за один оборот выходного вала. Пример схемы управления такими электродвигателями описан в авторском свидетельстве СССР №174693, МПК H02P, опубл. 1.11.1965 г.
Недостатком известной конструкции является сложная схема управления шаговым электродвигателем. Для управления шаговым электродвигателем требуется электронная схема, управляющая переключением четырех силовых ключей, которые непрерывно должны находиться под напряжением, чтобы сохранять положение вала шагового электродвигателя, что ведет к повышенному расходу электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электропривод шаговый (Патент России №2497269, МПК H02P 8/42, H02K 37/24, 2013 г. Бюл. №30.), содержащий электродвигатель, понижающий редуктор, например, состоящий из червячной пары, в которой червяк соединен с осью электродвигателя постоянного тока, а червячное колесо насажено на ось, у которой один конец является силовым, а противоположный - информационным, при этом на информационный выход оси червячного колеса насажен стартстопный механизм, электрические выходы которого соединены со схемой управления, другие входы которой соединены с двухпроводной линией, а выходы схемы управления соединены с электродвигателем постоянного, при этом стартстопный механизм состоит из плоского металлического экрана из магнитомягкого материала, который насажен на информационную ось червячного колеса и имеет форму половины круга, на линии диаметра этого круга, на противоположных краях, с одной стороны экрана размещены постоянные магниты, а напротив них, по другую сторону экрана, расположены герконовые контакты, причем постоянные магниты имеют, например, цилиндрическую форму, аналогичную форме герконовых контактов, кроме того, площадь металлического экрана урезана по радиусу, например, как минимум на две толщины постоянного магнита. При этом схема управления состоит из диодного выпрямительного моста, в одну диагональ моста знакопеременного напряжения последовательно включены герконовые контакты, один провод двухпроводной линии входной последовательности разнополярных импульсов напряжения соединен с точкой соединения герконовых контактов, другой провод соединен с противоположной стороной диодного моста, кроме того, электродвигатель постоянного тока соединен с выходными диагоналями диодного выпрямительного моста.
Недостатком известной конструкции является тот факт, что схема управления содержит активные полупроводниковые элементы (диоды и транзисторы), которые располагаются рядом с устройством. В том случае, когда электропривод шаговый, например, является электроприводом уличных стрелочных часов, работающих в широком диапазоне температур, схема управления изготавливается из элементной базы повышенной надежности, что ведет к ее удорожанию. При работе в шаговом режиме длительность управляющих импульсов должна выбираться такой, при которой привод должен отработать полный шаг и остановиться при разных температурных условиях и разных нагрузках на привод, то есть длительность управляющих импульсов должна быть максимальной, чтобы привод успел отработать свой шаг. Таким образом электропривод шаговый настраивается на самый медленный режим работы.
Перечисленные недостатки приводят к удорожанию схемы управления, снижению надежности и невозможности работы электропривода в непрерывном режиме.
Задачей изобретения является повышение надежности схемы управления электроприводом и обеспечение его функционирования как в шаговом, так и в непрерывном режимах.
Решение поставленной задачи достигается тем, что электропривод шаговый с обратной связью, состоящий из электродвигателя, понижающего редуктора, например, состоящий из червячной пары, в которой червяк соединен с осью электродвигателя постоянного тока, а червячное колесо насажено на ось, у которой один конец является силовым, а противоположный - информационным, при этом на информационный выход оси червячного колеса насажен стартстопный механизм, согласно предлагаемому изобретению в нем стартстопный механизм состоит из плоского металлического экрана из магнитомягкого материала, который насажен на информационную ось червячного колеса и имеет форму круга, на линии диаметра этого круга, с одной стороны экрана размещен постоянный магнит, а напротив него, по другую сторону экрана, расположен герконовый контакт, причем постоянный магнит имеет, например, цилиндрическую форму, аналогичную форме герконового контакта, а в металлическом экране имеется вырез по форме постоянного магнита, размер выреза выбирается таким, чтобы при нахождении постоянного магнита напротив герконового контакта последний уверенно срабатывал, кроме того, электрические выводы электродвигателя постоянного тока и герконового контакта соединены соответственно двухпроводными линиями с блоком управления, расположенным на удалении от электропривода.
При этом блок управления состоит из устройства управления, два выхода которого соединены соответственно с S-входом и R-входом RS триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом силового ключа, соединенного с источником питания постоянного тока, а выходы силового ключа через двухпроводную линию соединены с электродвигателем постоянного тока, электрические выводы герконового контакта посредством двухпроводной линии соединены с блоком управления, причем один провод двухпроводной линии соединен с общим проводом силового ключа, а другой провод соединен с входом устройства управления.
Введенные элементы позволяют электроприводу работать в шаговом режиме и в режиме непрерывного вращения электродвигателя постоянного тока. В шаговом режиме, при поступлении силового питания от блока управления по двухпроводной линии на электродвигатель постоянного тока, он начинает вращать силовую ось редуктора, которая вращается до тех пор, пока вырез в металлическом экране окажется напротив постоянного магнита и замыкается герконовый контакт. На замыкание герконового контакта реагирует блок управления, прекращающий подачу силового питания на электродвигатель постоянного тока, который останавливается. Блок управления в шаговом режиме подает силовое питание на электродвигатель постоянного тока с интервалами во времени (при использовании в стрелочных часах электропривод вращает стрелки раз в минуту). В режиме непрерывного вращения электродвигателя постоянного тока блок управления после поступления на него сигнала с герконового контакта о замыкании не прекращает подачу силового питания на электродвигатель, который продолжает вращать силовую ось, несмотря на замыкания герконового контакта до тех пор, пока блок управления не отключит силовое питание после замыкания герконового контакта. Например, можно использовать в стрелочных часах предлагаемый электропривод, в которых его силовая ось связана с механическим редуктором, приводящим в движение минутную и часовую стрелки. В стрелочных часах, размещаемых на стене здания, устройство управления предлагаемого электропривода размещается в отапливаемом помещении этого здания и соединяется с механизмом часов с помощью четырехпроводной линией. Расположение устройства управления в отапливаемом помещении позволяет снизить температурные требования к его электронным компонентам, герконовый контакт, находящийся на улице вместе с механизмом стрелочных часов, может работать в широком температурном диапазоне, что в целом повышается надежность работы предлагаемого электропривода. В стрелочных часах могут возникать ситуации, когда их показания требуют коррекции, при этом непрерывное вращение электродвигателя ускоряет во времени процесс коррекции, а часовой механизм при этом не испытывает частых стартстопных нагрузок (стрелки вращаются плавно).
На фиг. 1 изображен электропривод шаговый с обратной связью.
На фиг. 2 изображен стартстопный механизм.
На фиг. 3 изображен блок управления.
Электропривод шаговый с обратной связью состоит из электродвигателя 1 постоянного тока, понижающего редуктора, например червячной пары, в которой червяк 2 соединен с осью электродвигателя 1, червячное колесо 3 насажено на силовую ось 4, у которой один конец является силовым, а противоположный - информационным, при этом на информационный выход оси 5 червячного колеса 3 насажен стартстопный механизм 6. Стартстопный механизм 6 состоит из плоского металлического экрана 7 из магнитомягкого материала, который насажен на информационную ось 5 червячного колеса 3. Металлический экран 7 имеет форму круга, на линии диаметра которого, с одной стороны экрана 7, размещен постоянный магнит 8, а напротив него, по другую сторону экрана 7, расположен герконовый контакт 9, причем постоянный магнит 8 имеет, например, цилиндрическую форму, аналогичную форме герконового контакта 9. В металлическом экране 7 имеется вырез 10 по форме постоянного магнита 8, размер выреза 10 выбирается таким, чтобы при нахождении постоянного магнита 8 напротив герконового контакта 9 последний уверенно срабатывал. Электрические выводы электродвигателя 1 постоянного тока и электрические выводы герконового контакта 9 соединены соответственно двухпроводными линиями 11 и 12 с блоком 13 управления, расположенным на удалении от механического электропривода.
Блок 13 управления состоит из устройства 14 управления, два выхода которого соединены соответственно с S-входом и R-входом RS триггера 15, прямой выход которого соединен с управляющим входом силового ключа 16, соединенного с источником 17 питания постоянного тока. Выходы силового ключа 16 через двухпроводную линию 11 соединены с электродвигателем 1 постоянного тока. Электрические выводы герконового контакта 9 посредством двухпроводной линии 12 соединены с блоком 13 управления, причем один провод этой линии соединен с общим проводом силового ключа 16, а другой провод соединен с входом устройства 14 управления (фиг. 1 -  3).
Рассмотрим работу устройства в шаговом режиме. Предположим, что металлический экран 7 своим вырезом 10 находится напротив постоянного магнита 8 и под воздействием его магнитного поля герконовые контакты 9 замкнуты (фиг. 2). Устройство 14 управления выдает короткий импульс напряжения, поступающий на S-вход RS-триггера 15, и переводит его в единичное состояние, при котором сигнал с его прямого выхода открывает силовой ключ 16, и постоянное напряжение с источника 17 питания подается по двухпроводной линии 11 на электродвигатель 1 постоянного тока. Электродвигатель 1 начинает вращать через червячный редуктор металлический экран 7 до тех пор, пока его вырез 10 не окажется между постоянным магнитом 8 и герконовым контактом 9, который замыкается и сигнал о его замыкании по двухпроводной линии 12 поступает на вход устройства 14 блока 13. Устройство 14 управления выделяет момент замыкания герконового контакта 9 и подает импульс напряжения на R-вход RS-триггера 15, который переходит в нулевое состояние и закрывает силовой ключ 16, подача напряжения прекращается на электродвигатель 1 постоянного тока, он останавливается и прекращает вращать силовую ось 4. При использовании предложенного привода, например, в стрелочных часах запускающий сигнал с устройства 14 управления на S-вход RS-триггера 15 будет подаваться один раз в минуту.
Рассмотрим работу устройства в режиме непрерывного вращения электродвигателя 1 постоянного тока. При переводе устройства 14 в этот режим оно коротким импульсом напряжения, поступающим на S-вход RS-триггера 15, переводит его в единичное состояние, при котором сигналом с его прямого выхода открывается силовой ключ 16, при этом постоянное напряжение с источника 17 питания подается по двухпроводной линии 11 на электродвигатель 1 постоянного тока. При этом электродвигатель 1 начинает вращать через червячный редуктор металлический экран 7. При прохождении выреза 10 между постоянным магнитом 8 и герконовым контактом 9 последний замыкается. Сигнал о замыкании герконового контакта 9 по двухпроводной линии 12 поступает на вход устройства 14 блока 13. При этом устройство 14 управления выделяет момент замыкания герконового контакта 9, но блокирует его прохождение на R-вход RS-триггер, который остается в единичном состоянии и держит открытым силовой ключ 16, подающий напряжение постоянного тока на электродвигатель 1, который продолжает непрерывно вращаться. Устройство 14 управления переводится в шаговый режим и первое же замыкание герконового контакта переводит RS-триггер в нулевое состояние и снимает управляющий сигнал с силового ключа 16, который прекращает подачу напряжения по двухпроводной линии 11 на электродвигатель 1 постоянного тока, который останавливается и прекращает вращать силовую ось 4.
Из рассмотренного видно, что введение совокупности отличительных признаков в предлагаемое изобретение, позволяет, по сравнению с прототипом, осуществить вращение электродвигателя постоянного тока как в шаговом режиме, так и в режиме непрерывного вращения. Кроме того, размещение блока управления на некотором расстоянии от механической части привода в отапливаемом помещении повышает его эксплуатационную надежность. Такие возможности электроприводу придает обратная связь, которая осуществляется по двухпроводной линии от контактов геркона к блоку управления, в котором схема управления может переводиться как в шаговый режим, так и в режим непрерывного вращения электродвигателя, что расширяет возможности использования предлагаемого изобретения в различных устройствах. Следует отметить, что в шаговом режиме легко изменять угол поворота силовой оси привода путем использования металлических экранов с различным числом вырезов. При одном вырезе на металлическом экране угол поворота силовой оси равен 360°, при двух вырезах, расположенных на противоположных концах экрана, угол поворота оси равен 180°, при трех вырезах, расположенных под углом 120°, угол поворота оси равен тоже 120°, при четырех вырезах, как изображено на фиг. 3, пунктиром, угол поворота силовой оси будет равен 90°. Набор металлических экранов с различным числом вырезов позволяет оперативно изменять угол шага в электроприводе.