Шаговый двигатель для часов своими руками

Шаговый двигатель для часов своими руками

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Архив статей и поиск
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать — советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(500000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Викторина онлайн
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Голосования
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Схема управления шаговым двигателем часов

В связи с проводимыми в настоящее время евроремонтами и реорганизацией предприятий со стен многих учреждений снимают электромеханические часы с централизованным управлением, которые становятся бесполезными. Однако такие часы можно использовать, вмонтировав в них схему управления шаговым двигателем. Шаговый двигатель таких часов, например, типа «Стрела», запускается разнополярными импульсами амплитудой около 24 В, следующими с интервалом 1 мин. Модернизации настенных электромеханических часов посвящено несколько публикаций [1,2].

Предлагаемая схема управления состоит из кварцевого генератора, делителя частоты, формирователя минутных импульсов, предварительного усилителя-фазоинвертора, мостового ключевого усилителя, формирователя коротких импульсов и схемы питания. Устройство не содержит электромеханических реле и размещено на небольшой печатной плате, которая укреплена внутри корпуса часов.

Принципиальная схема устройства приведена на рис.1.

(нажмите для увеличения)

Кварцевый генератор и делители частоты выполнены на микросхеме DD1 типа К176ИЕ12. Кварцевый генератор работает на частоте 32768 Гц. Первая ступень деления частоты следования импульсов кварцевого генератора содержит 15-разрядный двоичный счетчик импульсов, с выхода которого (вывод 4) секундные импульсы поступают на вторую ступень деления с коэффициентом деления 60. Минутные импульсы с вывода 10 поступают на тактовый вход С счетного триггера микросхемы DD2 (вывод 3) и через резистор R4 на базу транзистора VT1. Состояние верхнего триггера изменяется по положительному перепаду минутного импульса.

На выходах триггера (выводы 1 и 2) получаем противофазные импульсы, которые поступают на предварительный усилитель на транзисторах VT2 и VT3. Усиленные импульсы управляют мостовым ключевым усилителем на транзисторах VT4, VT5, VT7 и VT8. В диагональ моста включена обмотка шагового двигателя часов. Если коллекторы транзисторов VT5 и VT8 соединить с общим проводом, то схема работает, так как при закрытом транзисторе VT2 и открытом VT3 открыты транзисторы VT4 и VT8, ток через обмотку протекает слева направо. При изменении состояния транзисторов VT2 и VT3 открываются транзисторы VT5 и VT7, ток через обмотку протекает в другую сторону. Но для срабатывания шагового двигателя достаточно коротких разнополярных импульсов длительностью 0,5 с.

Для уменьшения непроизводительной траты электроэнергии в промежутках времени между «шагами» (59,5 с), облегчения теплового режима, уменьшения габаритов устройства в схему введены формирователь коротких импульсов — одновибратор, собранный на нижнем триггере микросхемы DD2, и транзисторы VT1 и VT6. Одновибратор [З] запускается минутными импульсами с коллектора транзистора VT1. На выходе триггера (вывод 13) возникает положительный перепад напряжения, который через цепь обратной связи, воздействует на вход сброса R (вывод 10), возвращая одновибратор в исходное состояние. Постоянная времени цепи R6C5 выбрана таким образом, чтобы длительность генерируемого импульса составляла примерно 0,5 с. Этим импульсом открывается транзистор VT6, который разрешает протекание тока через мостовой усилитель.

На рис.2 приведены осциллограммы в характерных точках схемы.

Диоды VD3-VD6 защищают схему от всплесков, возникающих на обмотке шагового двигателя. Кнопка S1 служит для сброса делителей частоты в нулевое состояние и для задержки хода часов. Кнопка S2 предназначена для перевода стрелок часов вперед секундными импульсами. Подстроечный конденсатор С2 служит для точной установки частоты кварцевого генератора. Стабилитрон VD2 стабилизирует питающие напряжение 9 В.

В устройстве использованы резисторы С2-23 и КИМ (R2), конденсаторы К50-29 (С4 и С6), КТ4-256 (С2), К10-17-16 (остальные). Кварцевый резонатор РК-724А-17БУ — от электронных часов на частоту 32768 Гц. Микросхему К561ТМ2 можно заменить на К176ТМ2, К561ТМ1, К176ТМ1. Транзисторы — любые кремниевые соответствующей проводимости и мощности. Силовой трансформатор любой малогабаритный, например, от сетевого адаптера с напряжением перемотанной вторичной обмотки 15-16 В.

Налаживание устройства сводится к проверке напряжений питания тестером, проверке осциллограмм. Для удобства просмотра осциллограмм необходимо ускорить процессы в схеме, для этого конденсатор С5 (0,33 мкФ) временно заменяют конденсатором с номиналом 1000 пФ, затем перемычкой с точки 5 подают запускающий импульс с вывода 1 микросхемы DD1. Вместо шагового двигателя к точкам 6 и 7 схемы целесообразно подключить резистор сопротивлением 1 кОм. Осциллограммы должны соответствовать приведенным на рис.2. После просмотра осциллограмм восстанавливают схему и с помощью цифрового частотомера, подключенного к выводу 14 микросхемы DD1 (точка К), в режиме измерения частоты, устанавливают частоту 32768 Гц, подбирая емкость конденсатора С1. Подстроечный конденсатор С2 при этом должен находиться в среднем положении.

В некоторых случаях возникает необходимость увеличить емкость конденсатора С2, подпаивая параллельно ему дополнительный конденсатор емкостью 22-33 пФ. Затем частотомер в режиме измерения периода импульсов подключают к выводу 4 микросхемы DD1 и конденсатором С2 устанавливают период следования секундных импульсов с точностью 1 мкс. Такую операцию целесообразно провести после «старения» кварцевого резонатора через несколько недель эксплуатации часов. Этим обеспечивается высокая точность хода часов.

При увеличении мощности блока питания и транзисторов мостового усилителя к данной схеме можно подключить несколько вторичных часов, расположенных в разных помещениях здания. Подобное устройство, собранное на. четырех микросхемах [4], позволяет запитывать до 40 вторичных часов.

Конструктивно понижающий трансформатор Т1, выпрямительный мост VD7 и конденсатор С6 можно разместить в корпусе доработанного сетевого адаптера. Все детали устройства, кроме кнопок S1 и S2, установлены на печатной плате, изображенной на рис.3.

Штриховыми линиями на плате показаны три перемычки. Печатная плата изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Кнопки крепят на боковой стенке часов.

1. Алексеев С. Первичные кварцевые часы//Радио. -1985. -№10. -C 44-45.
2. Гиниатуллин Х. Эволюция электронных часов//Радио. -1992. -№2-3. -C.18-19.
3. Одновибраторы на D-триггерах//Радио. — 1984. -№7. -C 58.
4. Бирюков С. Первичные кварцевые часы//Радио. -2000. -№6. -C.34.

Смотрите другие статьи раздела Электродвигатели.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Шаговый двигатель для часов своими руками

Кварцевые часы

Рассмотрим механизм настольных электронно-механических часов с кварцевым резонатором. Механизм состоит из шагового двигателя, основной колесной системы, элемента питания и элекронного блока.

Кварцевый генератор часов начинает работать при подключении элементов питания к электронному блоку. Для преобразования электрической энергии в механическую служит шаговый двигатель 9. С триба 7 через первое промежуточное колесо 17 вращение передается на секундное колесо 20. На оси секундного колеса находится секундная стрелка. Для того чтобы привести в движение минутную стрелку, вращение передается дальше, через второе промежуточное колесо 19 и центральное колесо 15, на втулке которого и закреплена минутная стрелка. Движение с центрального колеса передается на вексельное колесо 10, а оттуда на часовое колесо 12. Узел центрального колеса снабжен специальным устройством, которое позволяет скоординировать показания минутной и часовой стрелок. Для установки точного времени и перевода минутной и часовой стрелок используется переводной вал 14. Для установки секундной стрелки на точное время используется устройство стопорения секундной стрелки 5.

Снимите кожух и вытащите элемент питания и клеммы. Снимите электронный блок 21; для этого надо:
I. отвернуть два винта 22 крепления электронного блока, чтобы отсоединить его от колонок панели 13 и моста 4
II. отсоединить электрический разъем
Снимите шаговый двигатель 9: для этого надо отвернуть два винта 6 крепления шагового двигателя к колонкам панели. Отверните две гайки 3 крепления редуктора. Снимите задний мост 4, секундное колесо 20, первое 17 и второе 19 промежуточные колеса. Снимите устройство стопорения секундной стрелки 5, передний мост 18, центральное колесо 15, вексельное колесо 10, часовое колесо 12. Снимите пружину 16 и переводной вал 14. Снимите колонки 11, для чего отверните две гайки крепления колонок к лицевой стороне панели. При необходимости разберите шаговый двигатель. Для этого надо снять узел ротора шагового двигателя, отвернуть два винта крепления катушки и снять ее.

После разборки все детали шагового двигателя и редуктора, кроме катушки, надо промыть в бензине. Для промывания оси ротора двигателя нужно снять катушки и ротор, а само промывание проводить при собранных магнитопроводах.

Основной неисправностью шагового двигателя, как правило, бывает обрыв провода катушки. Ремонт при этом возможен только в том случае, если оборвался внешний конец провода. Процедура ремонта следующая: лак катушки растворите с помощью амилацетата около оборванного конца так, чтобы хватило длины вытянуть провод. Затем паяльником удалите остатки провода с клеммы. Сделайте вокруг этой клеммы 2-3 витка и припаяйте провод заново. Смочите щетку в смеси спирта с бензином и очистите место пайки, а затем покройте его лаком.

Наиболее часто встречающиеся неисправности электронного блока часов — это отказ интегральной микросхемы и кварцевого резонатора. Эти узлы лучше всего полностью заменить.

Дефекты основной колесной системы исправляются так же, как и в механических часах.

Установите две колонки 11. На правую колонку наденьте пружину 16 и зафиксируйте ее положение штифтом подставки. Затем поставьте на эту же колонку передний мост 18, отгиб пружины должен входить в паз моста. Первое промежуточное колесо 17 вставьте в отверстие моста трибом вверх. На ось секундного колеса 20 наденьте шайбу и сферическую пружину и также вставьте секундное колесо в отверстие моста. Слегка приподняв секундное колесо, установите второе промежуточное колесо 19 и стопорное устройство.
Установите задний мост и заверните две гайки. Положите на задний мост узел основной колесной системы. Минутное колесо поставьте на трубку переднего моста, а переводной вал 14 закрепите в отверстиях переднего и заднего мостов. На ось переднего моста наденьте вексельное колесо, а на втулку минутного колеса — часовое колесо. На колонки сверху установите панель 13, заверните две гайки.
Поставьте катушку на основание узла шагового двигателя и закрепите винтами. Ротор двигателя установите на оси. Триб ротора введите в зацепление с первым промежуточным колесом. Установите шаговый двигатель и закрепите его двумя винтами. Установите электронный блок в соответствующие гнезда двигателя и закрепите его двумя винтами. В пазы панели вставьте две клеммы, проверьте контакт. Если это необходимо, язычки клемм можно подогнуть.

Чтобы проверить работу механизма, подключите его к источнику питания элемент C: типа R14, LR14.

Электронный блок состоит из электронной схемы, состоящей из набора определенных радиодеталей, контроллера микросхемы и кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор представляет собой генератор частоты, состоящий из кристалла кварца, который вырабатывает 32768 электрических колебаний в секунду, то есть 32768 Гц. Такая частоте обеспечивает хорошие показатели в точности измерения времени, с погрешностью ±15 секунд в месяц. Контроллер поддерживает частоту на выводах кварца при которой он резонирует опираясь на сопротивление при определенной частоте. Одновременно контроллер подсчитывает колебания кварца, равное одной секунде и подает напряжение на катушку статора шагового двигателя.

Шаговый двигатель состоит из статора, неподвижно закрепленной на нем катушки с обмоткой и ротора, постоянного магнита, насаженного на ось. При прохождении через катушку электрического импульса возникает магнитное поле, которое поворачивает ротор на пол-оборота. Вал ротора через систему зубчатых шестерен приводит в движение стрелки часов.

Вал ротора вылит из специальной пластмассы, одна из сторон вала имеет триб для зацепления с системой зубчатых колес. На центре вала насажен цилиндрообразный постоянный магнит, проворачивающийся в магнитном поле, созданном статором шагового двигателя, что позволяет прокручивать систему зубчатых колес.

На Сердобский часовой завод электронные блоки ККЧ поступали с предприятий изготовителей ОПЗ и ВПЗ /АПО «Сапфир»/ С момента первого выпуска электронно-механических часов с кварцевым резонатором электронная схема блока постоянно модернизировалась, количество элементов уменьшалось, повышалась надежность работы блока, соответственно улучшалось качество производимых часов. Изменялась и номенклатурная маркировка электронных блоков. Скорее всего разные по электрическим схемам блоки поступали одновременно.
Блок электронный 4Ю5.422.090 для крупногабаритных кварцевых часов
ВПЗ АПО Сапфир
ТУ 25—0773—016—83
ОКП 42 8914 4024 10
Номинальное напряжение питания — 1.5 В
Частота кварцевого генератора — 32768 Гц
Выходные импульсы разнополярные
Дата упаковки 14. IV. 89 год

Некоторые маркировки электронного блока ККЧ:
4Ю5.422.090 /предприятие изготовитель ОПЗ, конец 1980-х годов/
ГР5.422.000 /предприятие изготовитель ОПЗ, 1991 год/
IЦ5.422.336 /1999 год/
ГР5.422.002 модификация ГР5.422: 001.ТТ /предприятие изготовитель ВПЗ, 2000 год/

Шаговый двигатель для часов своими руками

Кварцевые механизмы | Шаговые двигатели

Топ-топ, топает мотор

Глядя на циферблат современных кварцевых часов с невероятным количеством стрелок, сложно поверить, что долгое время камнем преткновения в их производстве было изготовление шагового двигателя, способного поместиться в корпус разумных размеров.

Возвращаясь к истории развития кварцевых калибров, стоит вспомнить, что своеобразным мостиком от чистой механики к кварцу стали электро-механические часы самых разных конструкций. Мы с умилением рассматриваем хитроумные резонаторы, в т.ч. с использованием кварца, замысловатые системы передачи колебаний на колесную систему, и не задумываемся, что причиной всего этого разнообразия технических решений было отсутствие у часовщиков миниатюрного электродвигателя, способного поместиться в корпусе наручных часов. Традиционные моторы, использовавшиеся в 1950-1960-х годах, категорически не подходили для этой задачи. Перелом произошел, когда в часы удалось поместить шаговый электродвигатель.

Первую победу шаговый двигатель одержал в 1957 году, когда на Всемирной выставке в Брюсселе экспонировался первый в мире советский фрезерный станок с цифровым программным управлением. Этот экспонат был удостоен Большой золотой медали и открыл новую страницу в станкостроении. Современная техника немыслима без фрезерных, токарных, электроэрозионных и многих других станков с цифровым управлением. Большая часть из них действует благодаря шаговым двигателям.

Затем шаговые двигатели обосновались в механизмах управления прокатных станов, прессов и других металлургических машин, стали одним из самых распространенных элементов автоматики. Они работают на кораблях, самолетах и искусственных спутниках Земли — везде, где требуется быстрое, точное и надежное исполнение воли человека.

В обычном электродвигателе магнитное поле страгивает с места ротор, который дальше продолжает вращение по инерции. Точно предсказать, на сколько оборотов или на какую часть оборота повернется ротор, невозможно. Это приемлемо в электровозе, который останавливают с помощью тормозов, но не в часах, стрелки которых должны совершать точно отмеренные движения. Шаговые моторы получили свое название из-за того, что в них ротор каждый раз поворачивается на строго определенный угол, или шаг. Более того: ротор в них не имеет инерции и, даже будучи отключенным от питания, мотор надежно фиксирует вал в том положении, в котором его обесточили. Чтобы добиться таких характеристик, конструкцию классического электродвигателя пришлось кардинально пересмотреть.

На принципиальном уровне шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, имеющего намагниченные половины – одну отрицательную и одну положительную. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Он разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок.

Статор двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество положительных и отрицательных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки: чем больше зубцов, тем меньший шаг может сделать двигатель, а значит, выше будет его точность. К примеру, если у двигателя (как на рисунке 1), 4 основных катушки и 4 зубца на роторе, то за один шаг он сможет повернуться на 90 градусов. При наличии большего числа зубцов (рисунок 2) как на статоре, так и на роторе, длина шага уменьшится, а вместе с ней уменьшится и угол поворота. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче тока на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Чем меньше угол — тем выше точность.

Увы, описанный выше мотор не мог поместиться в часовой корпус. Но после долгих поисков японские инженеры из компании Seiko смогли произвести на свет миниатюрный шаговый двигатель (рис. 3), у которого была всего одна катушка индуктивности, а ротор и статор имели по два полярных «зубца». Проблем при производстве такого мотора было сразу несколько. Намотать несколько тысяч витков тончайшей проволоки на катушку, обеспечить невысокое энергопотребление данного изделия, получить достаточную мощность для вращения колесной системы – все эти задачи нужно было решить в одном изделии. Японцы с ними справились, и предложенная ими компоновка двигателя применяется и по сей день.

Шаг в секунду и быстрее

Решение японских инженеров произвело революцию в часовой отрасли и решило ключевую, но отнюдь не единственную задачу. Подобный мотор хорош для классического трехстрелочника, но плохо подходит для привода хронографа или дополнительного счетчика. Решение этой проблемы нашли уже швейцарские мастера, которые лишь спустя несколько лет после появления Astron смогли прийти в чувства и вновь начать удивлять публику, в том числе и на кварцевом поприще. Среди производителей механизмов особняком от всех стоит швейцарская компания Soprod, начавшая производство кварцевых калибров в 90-х. «Опытное» подразделение исконно механической фабрики стало производить демократичные калибры, но вскоре, оценив перспективы рынка, перенесло фокус внимания на кварцевые механизмы высокого класса. Основным достижением компании Soprod можно считать уникальную методику программирования и начало применения микромоторов с возможностью вращения стрелок в обе стороны благодаря использованию сразу двух маленьких, но мощных катушек индуктивности. Да и шаг стрелки теперь зависел не от колесной передачи, а от того, сколько микроскопических магнитных зубцов удавалось разместить не роторе, непосредственно на котором и была закреплена стрелка каждого счетчика.

Теперь стало можно свободно располагать в любой части циферблата без привязки к колесной системе любое количество стрелок и наделять их совершенно фантастичеким функционалом. Хотите ретроградный указатель дня недели, часа или даже ретроградные минутные или секундные счетчики? Никаких проблем, ведь запрограммировать схему отправлять импульс на микромотор можно в любом порядке и направлении. По одному импульсу в день и возврат в исходное положение на 8-й день – вот вам ретроградный календарь. Ранее такие функции были атрибутами высококлассной механики, теперь они реализованы в самых разных часах и доступны широкому кругу покупателей. Яркий пример подобных часов – флагманские модели бренда Adriatica или Vostok Europa.

Некоторые бренды идут дальше и предлагают совсем необычные решения. Одним из наиболее интересных подходов дизайнеров к платформе калибров свободной компоновки Soprod SOP FM13D является модель Victorinox Swiss Army Chrono Classic 1/100. В ней на два мотора прикреплены счетчики сотых долей секунд, первый диск показывает цифры первого порядка, другой – второго. При запуске хронографа стрелка отсчета секунд начинает движение, отсчитывая целые секунды, и диски начинали вращаться, отмеряя сотые доли. Удивительный симбиоз технической возможности и дизайнерской идеи произвел на свет одну из самых оригинальных моделей хронографов с возможностью отсчета одной сотой.

Точность и мощность

Именно этими двумя словами можно охарактеризовать калибры последнего поколения от лидера индустрии – компании ETA. Если об аспекте точности (PreciDrive) мы говорили в прошлой статье, посвященной вопросам термокомпенсации, то сегодня коснемся вопроса мощности часового мотора. Технология PowerDrive была разработана компанией ETA специально для высокоточных кварцевых хронографов. Шаговые моторы нового поколения способны делать 200 шагов в секунду, что кроме перспектив для маркетологов и дизайнеров открывает совершенно новые просторы в хронометрии. Безусловно, просто мотора для такой работы мало, необходимо изготовить микросхему, которая будет управлять одновременно сразу несколькими моторами, каждый из которых в определенном режиме будет иметь разный функционал. Кроме того, актуальным остается вопрос энергопотребления. В ETA не раскрывают секрета, но говорят, что при ускоренном перемещении стрелок (во время работы хронографа, или при переводе показаний в ускоренном режиме), потребление энергии даже ниже, чем в стандартном режиме. Увы, более подробную информацию о калибрах с данной технологией найти практически невозможно. Производитель хранит все детали в секрете, ведь сейчас это одно из главных конкурентных преимуществ кварцевой линейки некоторых брендов Swatch Group, таких как Certina, Hamolton, Longines.

В любую сторону света

Другим, стоящим отдельно от всех брендом Swatch Group является Tissot с технологией T-Touch. Тактильное стекло в рамках данной статьи мы рассматривать не станем, зато поговорим о том, как с помощью всего двух стрелок часы могут предоставлять информацию о перспективах изменений погоды (как заправский барометр) и даже указывать направление на север и юг (как самый настоящий компас). Процесс перехода из обычного режима отображения времени и превращение часовой и минутной стрелок в стрелки компаса выглядит как некое таинство. Если вращать часы, держа их горизонтально, то ни секунды не оставаясь на месте, стрелки все время будут упорно показывать вам верное направление к полюсам. А как только новоиспеченный турист наиграется с этим прекрасным усложнением, они вновь займут свои места и покажут текущее время. Как же это происходит?

Для этого нам придется заглянуть внутрь одних из первых часов в линейке T-Touch. Уже наметанным взглядом мы увидим по две катушки индуктивности для каждой из стрелок, расположенные не как у Soprod V-образно, а на оборот — параллельно друг другу. Дальше нам остается лишь понять, что под металлической платиной скрываются уже знакомые шаговые моторы с очень маленьким шагом, способные перемещать стрелки на очень маленький угол. Однако стоит отдать марке Tissot должное: даже в кулуарных разговорах с производителями современных калибров все признают, что скорость и точность движения стрелок в T-Touch для многих является недостижимой. Все остальные тонкости реализованы благодаря очень хитрой схеме управления с электронным компасом, барометром, альтиметром и прочими «наворотами», которая передает импульсы на моторы, чтобы те послушно исполнили команды.

Для самых маленьких

По иронии судьбы, самые компактные в мире моторы используются в одних из самых крупных и массивных часах на рынке. Речь идет о флагманских моделях Casio в линейке G-Shock. Несколько лет назад компания уже анонсировала самый маленький в мире шаговый мотор, да еще и приводимый в действие солнечной энергией. Но японцам было нужно больше места в и без того не маленьком корпусе. Для чего? Чтобы поместить в часы GPS-антенну, Bluetooth-передатчик и еще пару датчиков (удара и положения стрелок). Перебирая, на чем бы сэкономить место, остановились на моторах. Проволоку взяли потоньше, намотали ее поплотнее – уже минус в объеме и плюс в мощности. Всех секретов японцы опять же не раскрывают, но поместить сразу 5 моторов вместе со всем перечисленным выше списком деталей им удалось. Да и моторы обрели новый статус – «на 26% меньше чем самый маленький мотор в мире» — инженеры Casio улучшили свой собственный рекорд. А покупатели получили новые часы с широчайшим функционалом, потрясающей надежностью и хронографом 1/100 секунды.

Кварцевый люкс

Возможно, для кого-то это выражение звучит немного иронично, но только не для компании Seiko. В верхней линейке марки Grand Seiko кроме высококлассных автоматических или гибридных калибров вроде Spring Drive, имеются и чисто кварцевые модели, которые по качеству материалов и обработке платин не уступают люксовым швейцарским механическим изделиям.

Одной из проблем, характерной для кварцевых часов, является недостаточный момент, развиваемый шаговым двигателем, из-за чего дизайнеры вынуждены использовать облегченные стрелки. В линейке калибров 9F в Grand Seiko пластиковым деталям места нет, и чтобы обеспечить мотору мощность, достаточную для работы с металлической колесной системой, создатели калибра применили в нем двухимпульсную систему регулирования, отправляющую каждую секунду на мотор не один электрический импульс, а целых два. Развивать больший момент двигателю помогает и увеличение индуктивности катушки: разработанная Seiko технология позволила использовать при ее намотке более тонкую проволоку (толщиной 15 мк вместо обычных 30 мк) и добиться более плотной укладки. Как следствие, число витков и напряженность генерируемого катушкой магнитного поля увеличились в четыре с лишним раза. Позже эта технология очень пригодилась Seiko при создании Spring Drive. Теперь кварцевым механизмам линейки по плечу любые стрелки — даже те, с которыми ранее могли справиться только механические часы.

Автор: Дмитрий Лисов
При перепечатке активная ссылка обязательна

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель – электрический синхронный мотор, совершающий оборот некоторым количеством равноценных эквивалентных перемещений. От длины элементарного сегмента зависит точность, с которой ротор позиционируется нужным образом. В отдельности минимальное перемещение называется шагом.

Принцип действия шаговых двигателей, разновидности

Шаговый двигатель в комплекте с драйвером выполняет преобразование числа входящих импульсов в заданное угловое перемещение вала. Устройство сопрягается с цифровой техникой, управляющий сигнал часто аналоговый. Входы обмоток посещает синусоида нужной фазы. Драйвер, получающий на контакты цифровой сигнал, декодирует волну, формирует нужные сигналы управления двигателем. Одна, две, три, четыре фазы. Определяется конструкцией, нуждами техники.

Конструкция шагового двигателя

Особенностью шагового двигателя назовем форму стального ротора. Снабжен полюсами, подчеркнутыми путем вынесения на кончик острого либо тупого зубца. Мертвый металл, притягиваемый катушками статора. Характеризуется некоторой намагниченностью остаточного рода, вызванной действием поля. Точное позиционирование полюсов статора обеспечивает шаговому двигателю уникальное свойство: точное позиционирование по углу поворота вала. Из правила встречаются исключения, рассмотренные ниже по тексту.

Шаговые двигатели используются промышленностью, цифровой техникой – где требуется обеспечить точное позиционирование вала. Некоторые источники датируют изобретение серединой XIX века, первые сведения просочились в специализированные журналы в 20-х годах XX века. Речь о трехфазном реактивном шаговом двигателе. Исходное применение традиционно стало военным: на кораблях королевского флота Великобритании узлы направляли в нужную сторону торпеды. Позже технология перекочевала, посетив армию США.

Первый открытый патент получен на прибор с ротором, статором на 32 зуба шотландским инженером Уолкером в 1919 году. Прибор рассчитан работать с трехфазным напряжением. Сегодня шаговые двигатели встречаются в жестких дисках персональных компьютеров, автоматизированных линиях сборки. Ключевыми достоинствами считают низкую стоимость, простоту позиционирования. Альтернатив не придумано. Устройства применяются приблизительно с 70-х годов XX века, формируют четыре основные группы:

1. Шаговые двигатели на постоянных магнитах.
2. Гибридные синхронные двигатели.
3. Вентильные реактивные двигатели.
4. Шаговые двигатели Лавета.

Полюсы различной намотки, к примеру, унифилярной, бифилярной (см. Катушка индуктивности). В первом случае ротор совершает обороты однонаправленно, если не предусмотреть дополнительную коммутацию фаз. Бифилярный двигатель отрабатывает реверс простой подачей напряжения на другие пары контактов. На каждом полюсе нить проволоки намотана, образуя две катушки. Конструкция такова, что знаки полей противоположные. Обеспечивает простую организацию реверса. Схожие схемы видим на примере двигателя привода барабана стиральной машины.

Мировой практикой принята стандартизированная маркировка указанных разновидностей устройств:

• Унифилярные:

1. Красный, желтый – первая обмотка.
2. Черный, оранжевый – вторая обмотка.

• Бифилярные:

1. Обмотка с центральным общим выводом. Красный, черный, красный с белым – первая обмотка. Зеленый, белый, зеленый с белым – вторая обмотка.
2. Двойная обмотка полюса. Красный, красный с белым – первая пара первой обмотки. Желтый, желтый с белым – вторая пара первой обмотки. Черный, черный с белым —первая пара второй обмотки. Оранжевый, оранжевый с белым – вторая пара второй обмотки.

Каждая обмотка способна образовывать несколько полюсов. Для включения реверса бифилярных шаговых двигателей коммутируется другая пара контактов. И если для формирования обратного вращения унифилярных разновидностей нужен формирующий контроллер, здесь допустимо использовать рядовой контактор.

Режимы работы шаговых двигателей

Изделия функционируют в нескольких режимах:

1. Полный шаг реализуется поочередной подачей управляющих напряжений по фазам. Стандартное число – 200 перемещений на 1 оборот.
2. В режиме половинного шага после активации одной фазы, остается состояние неизменным часть времени включения следующей. Получается, на зуб действуют одновременно два полюса. Вал замирает, фиксируя промежуточное положение. Потом первая фаза пропадает, ротор делает полшага вперед. Несмотря на меньший развиваемый крутящий момент, режим находит большее применение промышленностью, благодаря сокращению уровня вибраций.

Электрический синхронный мотор

Шаговые двигатели на постоянном магните

Род двигателей возможно встретить в помпе стиральной машины. К примеру, блок, удаляющий воду бака после стирки, между отдельными этапами цикла. Скорость вращения вала невелика, ротор в составе содержит постоянный магнит, шаг большой. Допустим, 45 градусов. На обмотки статора поочередно подается напряжение, создавая вращающееся магнитное поле. Постоянный магнит вала следует изменениям вектора напряженности.

Достоинствами шаговых двигателей назовем простоту, низкую стоимость. Постоянные магниты часто применяются принтерами. Отличие от других шаговых двигателей: ротор лишен зубцов, полюсов мало. Бывает два, катушек статора – 4, каждым перемещением вал совершает поворот 90 градусов. Требуется 4 фазы, сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Драйвер просто реализовать при помощи конденсаторов.

Благодаря низкой скорости оборотов двигатель развивает высокий крутящий момент (загружая бумагу из лотка принтера).

Двигатель с постоянным магнитом

Гибридные синхронные двигатели

Гибридные синхронные двигатели используются промышленностью по причине развития высокого крутящего момента, хорошо держат статическую нагрузку. Вал по-прежнему представлен постоянным магнитом, снабжается зубцами, на статоре множество полюсов. Тип двигателей обеспечивает высокие скорости вращения. Каждый шаг в стандартном исполнении равен 1,8 угловых градусов (200 шагов/оборот). Выпускают специализированные исполнения:

• 0,9 градуса (400 шагов/оборот).
• 3,6 градуса (100 шагов/оборот).

Вентильные шаговые двигатели

Главным отличием вентильных двигателей считают отсутствие тяжелых постоянных магнитов. Благодаря чему жесткой фиксации положения не происходит при наличии высокой точности. Двигатели идеальны для просмотра слайдов кинопленки. Относительно плавное, точное движение идеально подходит случаю.

Ротор облегченный, стальной, имеет ярко выраженные, сравнительно немногочисленные зубцы. Шаг средний, например, для трех фаз, 12 полюсов выйдет 15 градусов. Расстояние меж полюсами составляет 30 градусов. Промежуточные положения вал занимает в случаях, когда активируются одновременно две соседние фазы. Чередование соответствует обычной промышленной сети (к примеру, 400 вольт).

Главной особенностью вентильных двигателей является сравнительно малое количество тупых зубцов. Высокой точности позиционирования ожидать не приходится. Для реализации продвинутых алгоритмов применяются сложные драйверы.

Шаговые двигатели Лавета

Шаговые двигатели Лавета временами применяются электрическими часами. Сконструированы работать с сигналом одной фазы. Благодаря возможности миниатюризации двигатели Лавета послужат исполнительной частью наручных часов. Название устройства получили именем изобретателя – инженера Мариуса Лавета.

Инженер Мариус Лавет позавидует

В 1936 году выпускник Высшей школы электрики сконструировал двигатель, принесший всемирную известность. Статор выглядит, как у электрического мотора с расщепленными полюсами. Одна катушка. Полюсы образованы единичными витками сравнительно толстой медной проволоки, расположенными на магнитопроводе, создавая нужную фазу ЭДС. Индуцированные токи обеспечивают нужный крутящий момент. Задержка распространения магнитного поля по сердечнику используется сдвигать фазу на 90 градусов, имитируя двухфазное напряжение. Ротор представлен постоянным магнитом.

Конструкции охотно используются бытовой техникой (блендерами, миксерами). Отличие двигателей Лавета в том, что благодаря зубцам вал фиксируется с некоторым шагом. Становится возможным характерное движение секундной стрелки. Как большинство шаговых двигателей, разновидность не предназначена работать на реверс.

Параметры шаговых двигателей

Отдельные параметры шаговых двигателей критичны при выборе соответствующего контроллера, формирующего управляющие напряжения:

1. Индуктивность. Высокое значение параметра обычно у низкоскоростных двигателей с явным крутящим моментом. При повышении количества оборотов вала параметры оборудования непременно ухудшатся. При низкой индуктивности ток вызывает быстрый отклик, требуется в приводах для чтения оптических дисков.
2. Потребляемый ток влияет на жесткость переключения меж соседними шагами. Более плавный режим требует снижения параметра. Большой потребляемый ток повышает крутящий момент. Таким образом, правильный выбор параметров загружает плечи проектировщика.
3. Предельный уровень рабочих температур шаговых двигатель невелик. Верхняя граница находится в области 90 градусов Цельсия. Перегрев возможен на высоких крутящих моментах при значительном потреблении тока. Для разгрузки иногда применяется режим удержания, когда вал стопорится некоторое время.

Разновидности драйверов шаговых двигателей

В глобальном смысле выделяют три группы драйверов управления шаговыми двигателями:

1. Униполярные формируют импульсы тока одного направления. Простой, неприхотливый метод, использование снижает крутящий момент на 40%. Специалисты объясняют феномен невозможностью одновременного питания всех обмоток, способных участвовать в движении. Методика подходит низким рабочим скоростям.
2. Драйверы с гасящими резисторами сегодня считаются устаревшими. Позволяют выжать из двигателя максимум скорости. Большое количество энергии выделяется теплом на гасящих резисторах.
3. Биполярные драйверы популярны сегодня. Игнорируя сложность конструкции, достигается высокая эффективность. Каждый драйвер содержит формирующий блок, составленный четырьмя транзисторами. Питание подается, минуя диоды, с резистора снимается сигнал обратной связи. Напряжение достигает определенного уровня, открываются нужные ключи для снижения. Форма сигнала принимает пилообразную форму, двигатель с высоким постоянством поддерживает заданную мощность.