автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование высокоэкономичных электромагнитных знакосинтезирующих печатающих устройств ЭВМ

Рязанский радиотехнический институт

На правах рукопиои СИНИЦЫН Иван Егорович -

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСОКОЭКОНСШШШХ ЭЛЕКТРОМАШИТНЫХ ШКОСИНТЕЗИРУЩИХ ПЕЧАТАЩИХ УСТРОЙСТВ ЭВМ

Специальность 05.13.05 - Элементы в устройства вычиолательной техники а систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой отепени кандидата технических наук

Рязань 1992

Работа выполнена на кафедре автоматизации ивфоразгозшах: и технологических процессов Рязанского радиотехнического института '

Научный руководитель - заслуженный деятель науки

и техники РСФСР, доктор техникеск! наук, профессор Миловзоров БД. Официальные оппоненты - доктор технических наук, • .

профессор Шамаев Ю.М., кандидат физико-математических наук, доцент Уделов В.Ф. Ведущее предприятие - Производственное объединение счетно 'аналитических машин. . Защита состоится " " 19 в -/^""ча

мин, на заседании специализированного совета К063.92.01 в Рязанском радиотехническом институте в зале заседаний ученого совета (ауд.235), (390005, г. Рязань-0 ул. ЗЪгарина, 59/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕРТИ. Автореферат разослан ' 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета К063.92.01 кандидат технических наук, доцент

А.Смоляров

ОВДАЯ КАРАКТМСТИКА РАБОТЫ

Актуальнооть работы. Расширение промышленного производства гадотв а комплексных сиотем автоматизации нельзя рассматривать ¡з разработки новых элементов и устройств, обладающих высокой ¡фектявностьв функционирования.

Электромагнитные исполнительные механизмы (ЗИМ) и средства [равления ими являютоя составной частью большого чиола промш-1нных приборов'а оборудования, электронных вычислительных ма-1Н и т.д., причем использование электромагнитных механизмов в 1честве привода в цифропечатапцих и мозаичных знакосинтезирую-IX устройствах ЭВМ и ПЭШ определяет такой динамический пара-ир как быстродействие печати и 70-80 % всех энергетических трат ЭВМ.

В связи о этим улучшение качественных показателей функцио-рования ЗИМ и устройств управления последними является актуаль-1Й задачей.

Кроме того, наличие большого числа работ и авторов, занимаю-хся совершенствованием электромагнитных механизмов, о целью елачения быстродействия и уменьивнпя энергетических затрат на ; функционирование за счет совершенствования старых и разрабог-новых средота и способов управления и форм импульсов питавде-| напряжения, еще раз подтверждают актуальность решаемой задача.

Цель а задачи работы. Целью работа является повышение быст-дейотвия электромагнитных знакосинтеэирувдих печатающих усгрой-в ЭШ и контрольно-регистрирующей аппаратуры при одновременном ахенви энергетических затрат на их функционирование.

Для достижения поставленной дели необходимо:

- провеоти исследование электромагнитного механизма, его утренних связей между основными, наиболее существенными харак-растиками и устройством упра&леяия;

• - получить наиболее эффективные формы управляющих напряже-Й на катушке;

- разработать способы реализации полученных форм управляю-х, напряжений;

- создать, математические модели ЗИМ для различных форм им-пьсов управляющих напряжений нэ катушке и исследовать их на Л;

- оценить энергетические затраты при различных формах уп-злянцих напряжений;

разработать методик? расчета значения емкости формирующего конденсатора;

- провести экспериментальное исследование функционирования электромагнитных знакосинтёзирупяих устройств в составе действу щей аппаратуры.

Методы исследований. Теоретическое изучение электромагнита управляемых механизмов на основе методов теории электрических магнитннх цепей и экспериментальное исследование на макетных об разцах. . - •

При разработке элективных $орм управляющего напряжения,ра чета емкости формирующего конденсатора и способа реализации и пульоного управления ЭШ, использованы методы гармонического ан лиза и теории электро- и радиотехнических цеаей.

Создание математвчеокого опиоания управляемых ЗИМ проведен о помощью систем дифференциальных уравнений второго порядка,- ре шаемых на ЭШ численными метода т.

Научная новизна. На основе анализа энергетических процессе в ^явааадемнх ЭШ впервые получены и разработаны:

- акали гв чески е выражения эффективных £срм управляющих нап ряжений на катушке;

- методика расчета емкости формирующего конденсатора в уст роЯатве управления ЭМ;

- математическая модель ЭШ .для ступенчатого управлявшего напряжения на катушке, более точно отраяанцая физические прсцес си (по сравнению с трэдициояно-используемой моделью);

- математическая модель управляемого ЭШ доя квазигармонического импульса управлящего лппряжеяия на катушке.

Перечисленные,положения вынесены на защиту^.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили з тановигь целесообразность обоих споообов управления ЭШ в завис мости от эксплуатационных требований к ЭИМ.

Адекватность энергетических затрат при обоих способах упре яения ЭШ доказана экспериментально.

Исследования математических моделей позволили выявить' оош ные направления у лужения динамических и энергетических показа! лей ЯМ. Получены выражения, связывающие время трогания с коне руктивными параметрами ЭШ, разработаны метод и устройство, уменьшающие время движения якоря на начальном отрезке пути.

¡зработан рад устройств, защищенных авторскими свидетельствами, ззволяющих снизить потребляемую энергию на этапе удержания на >-80 5?.

Реализация результатов. Полученные в работе результаты ис-зльзованы в опытно-конструкторской разработке нового, защищен-эго авторским свидетельством электромагнитного знакосинтезиру-цего устройства, рекомендованного к внедрению на Рязанском за-эде счетно-аналитических'машин. Приняты для внедрения предло-зяия по модернизации электромагнитных исполнительных механиз-эв в знакосинтезирупдих устройствах электронной контрольно-ре-астрнрущей ашаратуры.

Результаты работа использованы также при разработке меди-шской аппаратуры.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обещались на республиканском совещании "Проблемы теории чувств зтельности электронных и электромеханических устройств и сис-зм" (г.Владимир, 1976 г.), на Всесоюзной конференции "Метода денки а повышения надежности РЭА" {г.Пенза, IS89 г.), на засе-знаи кафедры высшей математики в 1990 г.) и на научно-техни-зских конференциях Рязанокого радиотехнического института.

. Публикации. По материалам диосёртации опубликовано 17 ра-от, в тал числе 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация соотои.т из введения, четырех пав и заключения, излаженных на 156 страницах машинописного зкста, содержит 48 рисунков, 4 приложения. Список аспользо-зннсЗ литературы содержит 118 наименования.

СОДЕШШЕ РА БОШ

Во введении обоснована актуальность .темы диссертации, формулированы цель.и основные-задача исследования, дана общая зрактеристика работы и кратко изложено содержание работы.

В первой главе проводится исследование управляемого элект-омагнитного исполнительного механизма (ЕВД) о целью поиска на-Золее эффективных форм импульсов питающего напряжения на ка-ушках. .

Установлено, что наиболее эффективными являются сложные ормы импульсов напряжения вида

щ

V0 , О* t < tc/>j

O, *C»ií t

(I)

K A+m,rM^áímL. <2)

X

. --ж .

¿it t sin i cas

Jtég г

r

где t - время, T - период, t¿m ¿(p - время срабатывания, ¿j ¿цЗ - время удержания, t9r,r/T - время отключения , P(ú) - коэффициент пропорциональности:

m-

/, еелц 0*t<tepl o, ees« t * ¿ota* :

00 - напряжение источника питания при t -О. й(0 и (¿) , ¿ер , ¿fj , ¿оку, - характерно тика рабочего цикла электромагнитного механизма.

Обе формы напряжений реализуются о помощью современных средств электронной техники. Так, форма (I) реализуется двуыг источниками постояшого напряжения, ш.1мутируемыми с немощью электродных ключей, а форму (2) в работе предлагается реализ» вать в квазиколебательном контуре, образованном подключением катушка электромагната к предварительно заряженному до «апря-кения U0 конденсатору, емкость которого равна. С

Показано, что на этапе удержания при формах питающих на^ прякениА вида (I) и (2), потребляемая мощность снижается в 4) . это позволяет к моменту отключения электромагнита иметь ток в катушке, равный (1,05+1,15) X^r/t С10ТЛ - значение тока отпускания для ЗИМ), в результате чего время отпускания уменьшается в 445 раз.

• Для быстродействующих электромагнитных механизмов, к которым относятся электромагниты, используемые в качестве привода в _ электромагнитных знакосантезирувдих печатапщах устройствах ЭВМ 5 электронных контрольно-региотрарувдах машин (ЭКРМ), такое сни-!сенив времени отпускания имеет большое значение, так как частота их срабатываний достигает 1200*1500

Кроме того, снижение тока в катушке к моменту отключения 10 уровня (1,05<-1,15) ¿ог/г исключает возможность залипаняя'якоря а поломки печатающих игл при перемещении каретки печатающего устройства, что повышает надежность его функционирования, а ис-юльзование заряженного конденсатора, обеспечивающего минимально необходимой энергией печатающее устройство, исключает непосредственный контакт электромагнитного устройства с источником итания и дает возможность использовать бестрансеЗЕорматорный источник постоянного напряжения, обладающий более высокими удельными энергетвчеоками показателями по сравнению с трансформаторным (а. о. 1549794).

Во второй главе разработаны и предлагаются математические модели электромагнитных механизмов знакосиятезиругощих устройств для различных форм питающих напряжений на катушках.

Математическая модель электромагнитного исполнительного механизма при ступенчатой <£орме импульса напряжения на катушке (I) представляет систему дифференциальных уравнений, свя- • зывавдпх механические и электрические процессы вида:

"¿р-ъ-Ь:(з)

л.

г

где г, = --электромагнитная

сила

> аг ^

¿> - -¿у - индуктивность ка-

"/»ах 'Я* туаки, х - переме-

щение якоря: - масса подвияяых частей: и Алр -начальное усилие и несткость-противодействующей пружины: - максимальный воздушный зазор; £ ^ - сечение, .длина и

относительная магнитная проницаемость' магнитшровода; ьг - чес ло витков ватушки; ^о - магнитная постоянная; -Р -активное сопротивление катушки; - дополнительное сопротивление;

а, /¿)-\ еоли ** *' - коэффициент включения,

| I, еоли опрецелявдий ысменг вве-

дения в цепь катушки дополнительного сопротивления; - напряжение источника питания; / - ток в катупке.

Исследование математической модели (3) на ЭЕМ при заданных параметрах электромагнита и начальных условиях для соответствующего этапа рабочего цикла показано удовлетворительные результаты, соответствуйте истинным процессам в.быстродействующих ЭИМ, время действия которых находится в пределах (0,7-2)-Ю~ с.

Анализ физических процессов в аналогичных ЗШ, проведенный по результатам исследований принятых многими авторами математических моделей, приведенных в литературных источниках, показывает, что рассчитанные механические и электрические процессы в НИМ ло длительности превышают фактические не менее чем в три раза. Резкое отличие наблюдается на этапе отпускания рабочего цикла электромагнита при ё* с » к°гда катуока ЗИЛ отключается от источника энергии.

На рисунке I показаны процессы в;ЭШ, полученные в результг те исследования общепринятой математической модели, а на рис.2 • процессы, полученные по результатам исследования математической модели (3) для аналогичного электромагнита при длительности пи-

С

тавдего импульса напряжения равной 300-10 с.

Для исследования физических процессов в ЭИМ при подключена! катушки к предварительно заряженному конденсатору предложена математическая модель вида - .

(4)

в которой' С - значение емкости конденсатора, а остальные пара-. метры определены ранбе..

Связь тока / и напряжения на конденсаторе определяется выражением > при этом второе уравнение в

<ГГ

X (m) А

w f,6

OA' t*

4* Ч*

V OA

a a

л (мм) V)

0,4- t,6-

0,3

0,1

0,1

О tr1

F

/ V

/ A -

1/ Jtm,.

Рио.1

S

гсо\ ш soc too юоо é /овс

Pao.2

'математической мед ела (4) монет быть записано в вале

Исследование на ЭШ математической модели (4) ЗИМ о задан шш'параметрами дало удовлетворительные результаты, соответст вуицие истинным процессам в электромагнитных механизмах.

Рзсхскдеяие практических и теоретических результатов иссл дований быотродейотвувдих ЗИМ по математическим моделям (3) и (4) не превышает 6 $.

В связи с этим мскно утверждать, что предложенная математ чеекзя модель электромагнитного исполнительного механизма вида (3) является более общей по сравнению с имеющимися в литератур ных источниках, а математическая модель вида (4)

предлагается впервые. •

Для расчета емкости конденсатора, обеспечивающего удовлет ворительяое срабатывание электромагнитного механизма, разработана инкенерная методика, основанная на использования условия энергетического баланса, соглаоно, которой

"в

где ¿гр - ток трогания; ¿/0 - начальное, напряжение на конд« саторе; ', ¿J¿i ¿у? - соответственно время трогания, да кения и удержания .для. электрома гни га.

Третья глава посвящена реаению задачи повышения быотроде4 ствая и эконсшзноста электромагнитных исполнительных механизмов и разработке устройств, реализующих предложенные способы • управления последними.

Приводится зависимость времени.трогания электршагнитноп механизма от его конструктивных параметров, числа витков кату; ки и напрянения питания и определяются .возможные пути повышен! быстродействия ЗИМ.

Разраб тано устройство, .позволяющее при неизменном напр. жении источника штаная.в два раза уменьшить время трогания.Р; бота данного устройства основана на увеличении напряжения,пит; идего катуику электромагнита за счет сложения напряжения исто

ка питания i/a и напряжения на предварительно зэряяеннсы аденсагоре ¿/с при последовательном их соединении.

Введение коэффициента запаса по току трогания 4фог , а кже определение его наиболее эффективного значения для сниже-я суммарного времени трогания и движения якоря ЭИМ, дает воз-кность получить заданное быстродействие электромагнитного меняема,

В работе предлагается способ реализации коэффициента запа-по току трогания и дается его научное обоснование.

Рассмотрено устройство управления ЭИМ о ввменяющимся внут-нним сопротивлением, использующее иоточяик энергии с одним овнем выходного напряжения и устройство управления, исполь-ющее источник питания о двумя уровнями выходного напряжения, звояяюцие снизить потери мощности на этапе удержания на 30* i %, валовые цепи которых построены по a.o.íS 56II68.

Здесь не рассмотрены возможные способы реализации управле-я электромагнитным механизмом о помощью подключения катулки М и предварительно заряженному конденсатору, использующие ли-| один, либо два формирующих конденсатора на каждый электрощит, а.о. К» 1568087, 1549794. .

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследовяниям кетных образцов электромагнитных энакосинтезирующих печатайте устройств '32Í а ЭКРИ в соотаве действующей аппаратуры.

В макетных образцах реализованы устройства управления ЭИМ ' отупенчатой и квази гармонической формаиа импульсов напряже-й, прикладываемых к ка гужам электромагнитов, рассмотренные третьей глава. Для реализации отупенчатой формы импульса уп-алялцего напряжения использован источник питания с выходными пряжениями 40В и 5В серийных ЭКРМ.

Макетный образец, реализующий квазигармоническую форму им-льса управляющего напряжения, построен с использованием одяо-формирувдего конденсатора на каждый электромагнитный меха-зм -знаносинтезирувдей головки и птатного источника питания РМ напрякеяие.м 40В. Силовые цепи выполнены по a.c.JS 1549794.

Полученные экспериментальные данные подтверждают достовер-сть результатов теоретического анализа.

Расхождение между расчетными я экспериментальными характе-стиками не, превышает 6-7$.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сформулировать оледупде основные результаты:

1. Подучены аналитические выражения для форм питающего лаг ряжения на кагущке управления элеектромагнитного исполнительно! механизма (ЗЩ), при которых снижаются потери потребляемой мощности при сохранении удовлетворительного функционирования элекз ромагяита.

2. Определен коэффициент снижения потребляемой мощнооти в зависимости от кратности тонов удержания и трогания.

3. Предложена реализация метода импульсного управления электромагнитным механизмом.

4. Предложены математическая модель электромагнитного мех; низма для ква ои гармони чес кой формы импульсов управляющего ¿anpj жения на катушке и математическая модель ЭИМ .для отупенчатой формы напряжения' на катушке, более общая и универсальная по сравнению с используемыми в известных литературных источниках.

5. В результате исследования математических моделей выявлены основные направления улучшения динамических и энергетичес^ ках показателей ЭИМ.

6. Разработана методика расчета емкооти конденсатора о ВО' пользованием результатов .исследования математической модели Ш для квазагармонического' сзгнала .управления на катушке.

7. Приведено экспериментальное подтверждение обоснованное ти математических моделей ¡ЗИЛ для различных форм импульсов уд равляидих напряжений.

8. Получены .выражения, связывающие время трогания ЭШ о его конструктивными параметрами и определяющие кратность умень тения времени трогания. Разработаны метод и устройство, позволяющие уменьшить время .движения якоря на начальном отрезке пути.

9. Разработаны устройства управления ЗИМ, минимизирующие энергетические затраты на функционирование а позволяющие снизить потребляемую энергию на этапе удержания на 30-80 ■

10. Разработаны и исоледованы в составе действу идей аппаратуры макетные образцы электромагнитных знакосинтезирущих устройств при различных формах импульсов управляющих напряже-, ний на катушке ЭШ (новизна технического решения которых под-

юрэдена авторскими свидетельствами), рекомендованные к внедрив на предприятии-изготовителе отечественной контрольно-ре-ютрируюцей аппаратуры и использованные в медацияоких иооле-шаниях.

Публикации по теме диеоертации

1. Синицын И.Е., Картатев Ю.И., Новиков А.П. О некоторых юбенноотях проектирования электромагнитного исполнительного ¡ханизма / Труды РРТИ, "Теория и техника элементов автомати-¡ских уотройотв управления и контроля". Рязань, 1972, вып.31. 159-167.

2. Синицын И.Е., Миловзоров В.П., Новиков А.П., Харитонов В. Методика определения параметров пропорционального электро-инитного исполнительного механизма о ограниченным углом по->рота по заданным параметрам нагрузка J Труда РРТИ "Магнитно-»дупроводаиковые и электромаиинные элементы автоматики¿Рязань, >73, вып. 48. - с.124-131.

3. Синицын И.Е., Новиков А.П., Харитонов A.B. Раочет оо->вннх геометрических размеров электромагнитных исполнительных ¡тройств поступательного типа / Межвузовский сб. трудов "Магнит-»-полупроводниковые и электралашишше элементы автоматики", [зань, 1974, вып.1. - с.67-73.

4. Синицын И.Е, ,■ Миловзоров В.П., Новиков А.П., Харито-

>в A.B. Линеаризация характеристик электромагнитов методом из-(нявдейоя проводвмооти паразитного зазора / Известия вузов, [рибороотроение", № 10, 1976. - с.49-54.

5. Синицын И.Е., Миловзоров ÜB.II., Новиков АД., Харито-

® A.B. Обеспечение линейности электромеханических преобразо-телей информации путем изменения проводимости паразитного за->ра / Твзиоы докладов к республиканскому совещанию "Проблемы 10рии чувствительности электронных и электромеханических уот-йств я сиотем" г.Владимир, ишь, 1976. - с.92.

6. Синицын И.Е., Новиков А.П., Харитонов A.B. Схема управ-:ния для электромагнитного механизма рулевого привода / Мегву-токай сб. трудов "Магнитно-полупроводниковые в электрсмашиннне юменгы автоматики", Рязань, 1977, зш.7. - с.ЮЕ-106. '

7. Синицын И.Е. Применение дифференциальных электромехани-юких преобразователей в системах измерения давления о силовой

'компенсацией./ Мехсвузовский сб.трудов "Магнитно-полупровсдни вые в электрсмаиинные элементы автоматики", Рязань, 1979, вы 9. - 0.65-68.

8. Синицын U.E. Проектирование электромагнитного иополн тельного устройства для системы измерения давления о оиловой компенсацией / Межвузовский об.трудов "Магнитно-полупроводна ковые и электромашинные элементы автоматика", Рязань, I98J, вып.10. - с. 18-22.

9. Синицын И.Е., Миловзоров В.Д. Экономичный электрдааг нитный механизм знакосинтезирущего устройства / Извеотвя ву зов, "Приборостроение", 1989, № В. - 0.53-56.

10. Синицын И.Е., Тузлуков В.А. Знакосинтезирувдее устройство ЭВМ на базе управляемого электромагнитного исполнительного механизма (ЗИМ) / Межвузовский об.трудов "Элементы, устройства а программные средства информационно-преобразовательных систем", Рязань, 1989. - с.66-70.

11. Синицын И.Е., Миловзоров В.Д. Электромагнитный меха низм знакссинтезирупдего устройства / Известия вузов "Приборостроение", 1991, & 9. - с. 51-53.

12. Синицын И.Е. Математические модели быстродействующи электромагнитных механизмов / Межвузовский сб. трудов "Програ шше средства и устройства информационных и преобразовагельн систем", Рязань, 1991..- с.54-57.

13. Синищш И.Е., 2Сутейнаков A.B. Источник вмпульоного электропатания_ для электромагнитных знакосантезирувдих устро ств / Тезисы докладов к У Всесоюзной научно-технической кон$ ренции "Проблемы преобразовательной техники", АН УССР, часть 1У, Киев, сентябрь, 1991. - с.191-193.

14. Свшщш И.Е. Метод улучшения динамических характера тик электромагнитных исполнительных механизмов / Межвузовски сб.трудов "Программные средства и устройства информационных преобразовательных систем", Рязань, 1991. - о.62-65.

15. A.c. 1ё 56II68. СССР, ШМ «С 05 В 11/28. Устройство для инротно-йыпулесного управления электромагнитным исполнительным механизм ¿и / Синицын И.Е., Новиков A.D., Харитонов А В. Опубл. 1977. Бюл.гё 21.

16. А.с.й I54S794 СССР, МВД В 41 -2 9/38. Электрсыаших ное знакосаитеза|)ущее устройство / Синицын И.Е., Бао A.A., Цутейшков A.B. Опубл. 1990, Бюл.А 10.

17. А.с.й I568Ó87 СССР, ШИН OI F 7/18. Устройство для «пульского управления элентромагнитким исполните лыпм механиком / Синицын И.Е. Опубл.1990, Бюл.№ 20.

Синицнн Иван Егорович

Разработка и исследование высоноэяономичннх зктромагнитных знаносиятезирующих печатающих устройств ЭВМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

писано в печать 26.05.92. Формат бумаги 60x84 1/16 ara писчая № 2. Печать ротафинтная. Усл.печ.ласт 1,0 -изд.л. 1,0. Тираж IOü5 энз. Заказ J£ Бесплатно

Рязанский радиотехнический институт. • 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Рязанское областное статистическое управление, 390013, г. Рязань, ул. Типанова, 4.