Двигатели и схемы управления для копиров, принтеров, сканеров.

Двигатели и схемы управления для копиров, принтеров, сканеров.

                Бесколлекторные электродвигатели широко применяются в качестве привода в различных электромеханических устройствах компьютерных систем (приводы механизмов копиров и лазерных принтеров, дисков, вентиляторы и т. д.). Существует большое разнообразие типов электродвигателей, которые различаются по принципу построения, схемам управления, мощности и т.д. В данной статье приведено описание особенностей бесколлекторных электродвигателей, широко использующихся в принтерах, копирах и сканерах.
                Бесколлекторный электродвигатель (прямоприводной электродвигатель постоянного тока, вентильный двигатель, электронный двигатель) применяется там, где требуется постоянная, высокая и стабильная скорость вращения (приводы механизмов копиров и лазерных принтеров, вентиляторы и т. д.). Этот тип двигателя характеризуется следующими преимуществами:
- малая неравномерность мгновенной скорости вращения;
- низкий уровень акустических шумов;
- небольшие габариты, масса, потребляемая мощность;
- высокая надежность;
- низкая стоимость.
В бесколлекторном двигателе на роторе расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток. Эти магниты выполнены чаще всего в виде многополюсного кольцевого магнита. Обмотки статора являются неподвижными, т.е. получается обращенная конструкция (рис.1).


Рис. 1.

                Вращающий момент в двигателе создается в результате взаимодействия магнитного потока в промежутке между полюсами магнита ротора и основанием статора с проводниками обмотки, по которым протекает электрический ток. Управление коммутацией катушек обмотки статора в зависимости от положения полюсов магнита ротора осуществляется специальной схемой (драйвером) по сигналам датчиков положения ротора. На практике нашли применение двухфазные и трехфазные двигатели. Двухфазные - в вентиляторах, а трехфазные - в различных двигателях. Возможные схемы включения обмоток приводятся на рис. 2.


Рис. 2.

                В вентильных бесколлекторных двигателях магнит ротора имеет, как правило, 6-9 полюсов. Магнит изготавливают из магнитотвердых материалов на основе порошка феррита различных металлов. Катушки каждой фазы имеют многослойную намотку одним или двумя проводами с числом витков 60... 100. Катушки статора после намотки пропитывают лаком, получая монолитную бескаркасную обмотку, и приклеивают ее к печатной плате, расположенной на основании двигателя. Однако для усиления магнитного потока статора часто применяют катушки на магниторпроводе, т.е. получают таким образом каркас для катушек. Большое число катушек статора, как и полюсов ротора, способствует равномерности скорости вращения, однако увеличение их числа приводит к усложнению всей конструкции и удорожанию узла.
Так как двигатель должен вращаться с постоянной скоростью, необходимо обеспечить контроль за скоростью его вращения. Для этих целей применяется датчик частоты вращения. Этот датчик представляет собой устройство, преобразующее механическое вращение вала двигателя в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна скорости вращения. По принципу действия эти датчики можно разделить на индукционные, гальваномагнитные, оптические. Большее распространение получили первые два типа датчиков. 
                Примером датчика гальваномагнитного типа является датчик Холла. Модулирующим элементом в этом случае является кольцевой многополюсный магнит ротора. При вращении ротора действием которого на выходе датчика Холла возникает синусоидальный сигнал, пропорциональный скорости вращения. Для достижения приемлемой амплитуды сигнала зазор между магнитной системой и рабочей поверхностью датчика устанавливается очень малым (десятые доли миллиметра).
                Индукционные датчики основаны на индуцировании электрического сигнала в обмотке изменяющимся магнитным потоком (аналог - магнитная головка). Модулирующим элементом этого датчика является постоянный магнит, укрепленный на наружной поверхности ротора, а чувствительным элементом является магнитная головка, закрепленная на печатной плате (рис. 3).


Рис. 3. Индукционный датчик на основе магнита

                Еще примером индукционного датчика частоты вращения служит датчик с меандровой обмоткой. В этом случае модулирующим элементом является кольцевой многополюсный магнит ротора, а чувствительным элементом - обмотка в виде меандра, нанесенная печатным способом на плату и расположенная под магнитом ротора (рис. 4). 


Рис. 4. Индукционный датчик с меандровой обмоткой


                На выходе такого датчика так же формируется синусоидальный сигнал под действием переменного магнитного потока.
                Питание обмоток статора осуществляется таким образом, что между намагничивающей силой (создаваемой статором) и магнитным потоком должно сохраняться смещение 90°, 30° или 60°. При вращающемся роторе такое положение может сохраниться в результате переключения обмоток статора. Причем при переключении должны выполняться два условия, согласно которым обмотки статора должны переключаться в определенный момент и с заданной последовательностью. Положение ротора при этом определяется с помощью датчиков положения. В зависимости от конструкции двигателя и числа фаз количество датчиков положения ротора меняется от 1 до 3. Не путайте их с датчиками частоты - датчик частоты один, а датчиков положения обычно три. 
                В вентиляторах используется только один датчик положения ротора, и даже датчик частоты отсутствует. По сигналам от датчиков положения драйвер двигателя вырабатывает сигналы управления, переключающие обмотки статора. По принципу действия и конструктивному исполнению датчики положения ротора похожи на датчики частоты вращения. Однако в подавляющем большинстве случаев используются датчики на основе преобразователей Холла. Холловские датчики положения ротора располагаются внутри шпинделя двигателя в непосредственной близости от магнита ротора. В зависимости от типа применяемых микросхем холловских датчиков на их выходе формируется синусоидальный сигнал (датчик линейного типа) или импульсный сигнал (релейного типа). В некоторых случаях один из датчиков положения ротора может использоваться еще и в качестве датчика частоты вращения, т.е. выполняет двойную функцию. 
                Для управления бесколлекторными двигателями применяются специальные микросхемы - драйверы двигателя. Эти микросхемы выполняют следующие функции:
- усиление и обработка сигналов с датчиков положения ротора;
- усиление и обработка сигнала от датчика частоты вращения;
- формирование сигналов коммутации обмоток статора;
- стабилизация частоты вращения.
Условно микросхемы драйверов можно разделить на мощные и маломощные. У мощных - обмотки статора подключаются непосредственно к выводам микросхемы, и в качестве примера такого драйвера можно привести микросхему AN8245K (рис. 6; табл. 2). У маломощных - двигатель подключается через транзисторные усилительные ключи, например, может использоваться микросхема AN8261 (см. рис. 5; табл. 1). 


Рис. 5. Микросхема драйвер AN8261

Таблица 1. Описание контактов микросхемы AN8261




Рис. 6. Микросхема драйвер AN8245

Таблица 2. Описание контактов микросхемы AN8245K


                На вход микросхемы подаются сигналы от датчиков положения ротора и от датчика частоты вращения. В большинстве микросхем имеется входной сигнал START/STOP для включения и выключения двигателя. Так как микросхема поддерживает скорость вращения стабильной, то сигнал от датчика скорости вращения сравнивается с сигналом опорной частоты. Сигнал опорной частоты представляет собой синусоидальное напряжение, формируемое либо кварцевым (емкостным) резонатором, либо ведущей микросхемой (например, микропроцессором). Сигнал частоты вращения обычно обозначается FG. Имеются исключительно ведомые драйверы двигателей, которые не стабилизируют частоту вращения, а работают с частотой, задаваемой ведущей схемой, поэтому такие драйверы просто усиливают сигнал датчика скорости вращения и выдают его на ведущую микросхему и, кроме того, они не имеют входов опорной частоты.