ЭЛЕКТРОПРИВОД ШАГОВЫЙ
STEP ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области шаговых электроприводов, в которых нешаговые электродвигатели работают в шаговом режиме и располагаются на некотором расстоянии от источника управляющего напряжения.
Известны электроприводы, которые представляют собой однофазные шаговые электродвигатели («Электрочасовые системы и механизмы». В. В. Трояновский, стр.131-160. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1951 г.; «Дискретный электропривод с шаговыми двигателями». Под общей редакцией М.Г. Чиликина, стр.204-212. «Энергия», Москва, 1971 г.). В этой литературе описан ряд разнообразных однофазных шаговых электродвигателей, которые управляются импульсами напряжения чередующейся полярности, которые использовались в часовых системах с рядом вторичных часов, размещенных на удалении от управляющих первичных часов. Но такие шаговые электродвигатели маломощные, обладают низким КПД и используются для вторичных часов с циферблатом до 1 метра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относятся более мощные четырехфазные шаговые электродвигатели, как, например, электродвигатель ДШИ-200-2-1 (паспорт Я2М3.595.057 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 Н02Р, опубликованное 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. Применительно к уличным часам, механизм которых управляется аналогичным шаговым электродвигателем, соединен многожильным кабелем с блоком управления, который размещается в помещении, что усложняет конструкцию и снижает ее надежность. Так как уличные часы работают в широком диапазоне температур, схема управления шаговым электродвигателем, размещаемая рядом, изготавливается из элементной базы повышенной надежности, что ведет к ее удорожанию. Кроме того, применение многожильного кабеля усложняет подключение таких часов к хронометрической системе, работающей от единых первичных часов, связанных с вторичными часами двухпроводной линией и управляемых минутными импульсами чередующейся полярности напряжения.
Перечисленные недостатки приводят к усложнению и удорожанию схемы управления часами, повышению энергопотребления и снижению надежности.
Задачей создания изобретения является упрощение схемы управления электроприводом, снижение энергопотребления и повышения надежности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что электропривод шаговый, состоящий из электродвигателя, согласно предлагаемому изобретению, в него включен понижающий редуктор, например, червячная пара, 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 старт-стопный механизм, электрические выходы которого соединены со схемой управления, другие входы которой соединены с двухпроводной линией, а выходы схемы управления соединены с электродвигателем постоянного тока.
При этом старт-стопный механизм состоит из плоского металлического экрана из магнитомягкого материала, который насажен на информационную ось червячного колеса и имеет форму половину 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.
Кроме того, 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.
Вместе с тем, схема управления состоит из диодного выпрямительного моста, в одну диагональ знакопеременного напряжения которого, последовательно включены два ключа постоянного тока, общая точка соединения которых присоединена к одному проводу входной двухпроводной линии, другой провод подключен к общей точке соединения герконовых контактов и другой диагональю моста, другие контакты герконов соединены соответственно с управляющими входами ключей постоянного тока, а электродвигатель постоянного тока соединен с выходными диагоналями диодного выпрямительного моста.
В предлагаемом электроприводе можно использовать электродвигатель переменного тока, при этом выходы схемы управления соединены с входами управления ключа переменного тока и входами управления электромагнитной муфты, выходы ключа переменного тока включены последовательно с цепью питания электродвигателя переменного тока, вал которого через электромагнитную муфту соединен с осью червяка понижающего редуктора.
Введенные элементы позволяют электродвигателям как постоянного, так и переменного тока работать в режиме шагового двигателя. При использовании электродвигателя постоянного тока в электроприводе силовое питание и управление на него поступает по двухпроводной линии. При поступлении управляющего импульса напряжения одной полярности электродвигатель поворачивает силовую ось редуктора на 180° и останавливается при разрыве герконовых контактов, хотя напряжение на входе схемы управления еще некоторое время присутствует. При подаче управляющего импульса напряжения другой полярности поворот силовой оси редуктора совершается аналогичным образом. Таким образом, управление, как и силовое питание в предлагаемом шаговом электроприводе осуществляется последовательностью разнополярных импульсов, поочередно следующих друг за другом, что существенно упрощает его схему управления. Наиболее целесообразно применять предлагаемый электропривод в стрелочных часах, в которых силовая ось червячной пары соединена с механическим редуктором, который приводит в движение минутную и часовую стрелки. При этом поворот на 180° силовой оси червячной пары приводит к перемещению минутной стрелки на 6°, то есть, на одно минутное деление циферблата часов. Стрелочные часы с предлагаемым шаговым электроприводом могут являться вторичными, которые размещаются на значительном расстоянии от управляющих первичных часов. При этом соединение вторичных часов с первичными часами посредством двухпроводной линии, позволяет повысить надежность их эксплуатации. Кроме того, в качестве двухпроводной линии можно использовать дешевый двухжильный телефонный кабель. Применение в схеме управления герконовых контактов, управляемых периодически вращающимся металлическим экраном, который перекрывает магнитное поле постоянных магнитов, повышает ее надежность так как число срабатываний герконовых контактов составляет сотни миллионов (для справки: число минут в одном году составляет 525 600 минут). Вследствие этого, например, в часах с минутной и часовой стрелками герконовые контакты могут прослужить все время эксплуатации вторичных часов. Кроме того, форма металлического экрана выбирается по площади меньше половины круга на две толщины постоянных магнитов для того, чтобы независимо от положения металлического экрана был замкнут хотя бы один (или оба) герконовых контактов и сигнал с входной двухпроводной линии поступал на электродвигатель, в противном случае может возникнуть мертвая зона положения экрана, когда оба герконовых контакта разомкнуты, и сигнал управления не проходит на электродвигатель. Применение электродвигателя постоянного тока в предлагаемом изобретении, например, в часах снижает их энергопотребление, так как отработка минутного шага стрелкой происходит за 1-2 секунды, в остальное время, до следующего управляющего минутного импульса, схема управления обесточена. В башенных часах с циферблатом диаметром несколько метров и более, в предлагаемом изобретении необходимо использовать электродвигатель переменного тока повышенной мощности, управление которым осуществляется по двухпроводной линии, а питание электродвигателя происходит от сети переменного тока, которая подведена непосредственно к электродвигателю. В стрелочных часах с циферблатом небольшого размера можно использовать электродвигатель постоянного тока с небольшим потреблением, при этом выбирается герконовый контакт с необходимым допустимым током. В этом случае схема управления получается простой и содержит из электронных компонентов только четыре выпрямительных диода (Фиг.5.), что повышает надежность работы предлагаемого шагового электропривода в широком диапазоне температур. В качестве электродвигателя постоянного тока рекомендуется применять коллекторные микродвигатели постоянного тока с полым немагнитным якорем («Курс электротехники». Б.И. Паначевный, стр.186-187. Ростов-на-Дону, «Феникс», Харьков, «Торсинг», 2002 г.), которые обладают малой инерционностью, высоким сроком службы и экономичны по энергопотреблению (например, типа ДПР-32…ДПР-72).
На фиг.1 изображен электропривод шаговый.
На фиг.2 изображен старт-стопный механизм.
На фиг.3 изображено положение металлического экрана на стопе.
На фиг.4 изображено положение металлического экрана после поворота на 180°
На фиг.5 изображен электропривод с силовыми герконовыми контактами.
На фиг.6 изображен электропривод с ключами постоянного тока.
На фиг.7 изображен электропривод с электродвигателем переменного тока.
Электропривод шаговый 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, а на информационную ось 5 насажен старт-стопный механизм 6, электрические выходы 7 которого соединены со схемой 8 управления, другие входы которой соединены с двухпроводной линией 9, а выходы 10 схемы 8 управления соединены с электродвигателем 1 постоянного тока (фиг.1 - фиг.7). Старт-стопный механизм 6 состоит из плоского металлического экрана 11 из магнитомягкого материала, который насажен на информационную ось 5 червячного колеса 3. Металлический экран 11 имеет форму половины круга, на линии диаметра этого круга, на противоположных краях, с одной стороны экрана 11 размещены постоянные магниты 12 и 13, а напротив них по другую сторону экрана 11, расположены герконовые контакты 14 и 15. Причем постоянные магниты 12 и 13 имеют, например, цилиндрическую форму, аналогичную форме герконовых контактов 14 и 15, кроме того, площадь экрана 11 урезана по радиусу, например, как минимум на две толщины постоянного магнита 12(13). Схема 8 управления состоит из диодов VD1-VD4 выпрямительного моста, в одну диагональ моста (VD1-VD2) знакопеременного напряжения последовательно включены герконовые контакты 14 и 15. Один провод входной двухпроводной линии 9 соединен с точкой соединения герконовых контактов 14 и 15, а другой провод двухпроводной линии 9 соединен с противоположной стороны диодного моста, с точкой соединения диодов VD3 и VD4. Электродвигатель 1 постоянного тока соединен с выходными диагоналями диодного моста, то есть, с точками соединения диодов VD1, VD3 и VD2, VD4. Для снижения тока через герконовые контакты 14 и 15 в схему 8 управления, в диагональ знакопеременного напряжения, состоящей из диодов VD1 и VD2 последовательно включены два ключа 16 и 17 постоянного тока, общая точка соединения которых присоединена к одному проводу входной двухпроводной линии 9, а другой провод соединен с общей точкой последовательно соединенных герконовых контактов 14 и 15 и другой диагональю моста, то есть с точкой соединения диодов VD3, VD4., Другие контакты герконов 14 и 15 соединены с управляющими входами ключей 16 и 17, а электродвигатель 1 постоянного тока соединен с выходными диагоналями диодного моста, то есть, с точками соединения диодов VD1, VD3 и VD2, VD4. В предлагаемом электроприводе можно использовать электродвигатель 18 переменного тока, при этом выходы схемы 8 управления соединены с входами управления ключа 19 переменного тока и входами управления электромагнитной муфты 20, выходы ключа 19 переменного тока включены последовательно с цепью питания 21 электродвигателя 18 переменного тока, вал которого через электромагнитную муфту 20 соединен с осью червяка 2 понижающего редуктора.
Устройство работает следующим образом. Например, герконовые контакты 14 и 15 замкнуты, так как металлический экран 11 находится в положении, как это изображено на фиг.2. При этом экран 11 не перекрывает пространство между герконовыми контактами 14, 15 и постоянными магнитами 12 и 13, магнитные поля которых воздействуют на подвижные герконовые контакты 14, 15, замыкая их. На вход схемы 8 управления из двухпроводной линии 9 поступает, например, импульс напряжения положительной полярности (фиг.5.). При этом ток протекает через замкнутый герконовый контакт 14, открытый диод VD1 (диод VD3 при этом закрыт), внутреннее сопротивление электродвигателя 1 постоянного тока, открытый диод VD4 и поступает на другой вход двухпроводной линии 9. Под воздействием напряжения электродвигатель начинает вращать червяк 2, червячное колесо 3 и экран 11, например, по часовой стрелке (фиг.3). Вращение происходит до тех пор, пока экран 11 не перекроет пространство между герконовым контактом 14 и постоянным магнитом 12, при этом освобождается пространство между магнитом 13 и герконовым контактом 15, контакты которого замыкаются. Магнитное поле постоянного магнита 12 замыкается через металлический экран 11 и герконовый контакт 14 размыкается, разрывая цепь питания электродвигателя 1, который останавливается, хотя из двухпроводной линии 9 продолжает поступать положительное напряжение, заканчивающееся через некоторое время. С приходом следующего импульса отрицательной полярности по двухпроводной линии 9 ток протекает по открытому диоду VD3, внутреннему сопротивлению электродвигателя 1, открытому диоду VD2, замкнутому герконовому контакту 15 и к другому проводу линии 9. Металлический экран 11 поворачивается по часовой стрелке на 180°, перекрывает герконовый контакт 15, контакты которого размыкаются и разрывают цепь питания электродвигателя 1, который останавливается (фиг.4). Таким образом, независимо от длительности входного сигнала из двухпроводной линии 9, электродвигатель 1 поворачивает металлический экран 11 на 180°. Единственным требованием к входному сигналу с двухпроводной линии 9 является его длительность, которая должна быть больше времени отработки электродвигателем 1 поворота металлического экрана на 180°. Таким образом, ток в электродвигателе 1 постоянного тока протекает в одном направлении, независимо от полярности входных сигналов напряжения из двухпроводной линии 9.
При использовании электродвигателя 1 повышенной мощности в шаговом электроприводе необходимо разгрузить по току герконовые контакты 14 и 15, для этого в схему управления 8 введены два ключа 16 и 17 постоянного тока (фиг.6.), управляющие входы которых потребляют незначительный ток и соединены с герконовыми контактами 14 и 15. Примером ключей 16 и 17 постоянного тока могут служить транзисторы разной проводимости, управляемые по базам, например, ключом 16 может быть транзистор n-p-n проводимости, а ключом 17 - транзистор р-n-р проводимости. При замкнутом герконовом контакте 14 ключ 16 открывается положительным импульсом с одного входа двухпроводной линии 9, который проходит через открытый диод VD3, внутреннее сопротивление электродвигателя 1 постоянного тока, открытый диод VD2, открытый ключ 16 и поступает на другой провод двухпроводной линии 9. При повороте экрана И на 180° герконовый контакт 15 замыкается, герконовый контакт 14 размыкается, разрывая цепь управления ключом 16, который закрывается, разрывая цепь питания электродвигателя 1 постоянного тока, который останавливается. При поступлении отрицательного импульса напряжения с двухпроводной линии 9 открывается ключ 17 под воздействием этого импульса и ток из двухпроводной линии 9 проходит открытый замкнутым герконовым контактом 15 ключ 17, диод VD1, внутреннее сопротивление электродвигателя 1, диод VD4 и на другой провод двухпроводной линии 9. При повороте на 180° экрана 11 герконовый контакт 15 размыкается, а герконовый контакт 14 замыкается и электродвигатель 1 останавливается, так как ключ 17 закрывается, разрывая цепь питания электродвигателя 1. Таким образом, ток в электродвигателе 1 постоянного тока протекает в одном направлении, независимо от полярности входных сигналов напряжения из двухпроводной линии 9.
Предлагаемое устройство может применяться в башенных часах с циферблатом диаметром несколько метров и более, при этом в электроприводе необходимо использовать электродвигатель 18 переменного тока повышенной мощности, для управления которым необходим ключ 19 переменного тока (фиг.7.), при этом, схема 8 управления остается аналогичной, изображенной на фиг.5 или 6. После выключения электродвигателя 18 вал некоторое время продолжает вращаться вследствие его момента инерции, и минутная стрелка на циферблате может повернуться на несколько минутных делений вместо одного. Для устранения движения минутной стрелки, больше одного минутного деления, используется электромагнитная муфта 20, которая соединяет вал электродвигателя 18 с осью червяка 2 червячной пары. При выключении ключа 19 переменного тока и электромагнитной муфты 20 сигналом схемы 8 управления, вал электродвигателя продолжает вращаться по инерции, но ось червяка 2 стоит на месте так как электромагнитная муфта 20 выключена и момент вращения от электродвигателя не передается на ось червяка 2. Червячная пара прекращает вращение, так как она является самотормозящейся и минутная стрелка при этом поворачивается только на одно минутное деление.
Из рассмотренного видно, что введение совокупности отличительных признаков в предлагаемое изобретение, позволяет, по сравнению с прототипом, решить проблему управления электродвигателем как постоянного, так и переменного тока в электроприводе от последовательности разнополярных импульсов напряжения, поступающих по двухпроводной линии, при этом электродвигатели работают в шаговом режиме. Управление электродвигателями происходит старт-стопным механизмом, состоящим из двух герконовых контактов, двух постоянных магнитов и металлического экрана, который насажен на ось понижающего червячного редуктора. В предлагаемом изобретении упрощается схема управления электродвигателем, снижается ее энергопотребление и повышается надежность эксплуатации.