автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование высокоэкономичных электромагнитных знакосинтезирующих печатающих устройство ЭВМ

'•г - Ч

РязанокиЙ радиотехнический институт

На правах рукописи

СИНИЦЕШ Иван Егорович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСОКОЗКОНШИЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗНАКОСИНГЕЗИРЗГЩК ПЕЧАТАЩИХ УСТРОЙСТВ ЭШ

Специальность 05.13.05 - Элементы я устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой отепени кандидата технических наук

Рязань 1992

Работа выполнена на кафедре автоматиззшпг информационных; и технологических процессов Рязанского радиотехнического института

Научный руководитель - заслуженный деятель науки

и техники РСФСР, доктор технически наук, профессор Миловзоров В.П. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Шамаев Ю.М., кандидат физико-математических наук, доцент Удалов В.Ф.

»

Ведущее предприятие - Производственное объединение счетно-аналитических машин. . Защита состоится " " ¿¿¿¿7/¿4 г» в час

<&0 мин, на заседании специализированного совета К063.92.01 в Рязанском радиотехническом институте в зале заседаний ученого совета (ауд.235), (390005, г. Рязань-05 ул. Гагарина, 59/1)..

< ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РРТИ. Автореферат разослан " " ислсхся 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета K063.92.0I кандидат технических наук, доцент

А.Смоляров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

* -

*"" "Актуальность работы. Расширение промышленного производства редств и комплексных сиотем автоматизации нельзя рассматривать ез разработки новых элементов и уотройотв, обладающих высокой ффектявностью функционирования.

сйектромагнитяые исполнительные механизмы (ЭИМ) и средства правления ими являются составной частью большого числа промыш-:енных приборов и оборудования, электронных вычислительных маши и т.д., причем использование электромагнитных механизмов в ячестве привода в цифропечатавдах и мозаичных знакосинтезирукь 1их устройствах ЭВМ и ПЭШ определяет такой динамический пара-1етр как быстродействие печати и 70-80 % всех энергетических 1атрат' ЭВМ.

В связи о этим улучшение качественных показателей функцио-[ирования ЗИМ и устройств управления последними является актуаль-юй задачей.

Кроме того, наличие большого числа работ и авторощ, занимаю-1ЯХСЯ совершенствованием электромагнитных механизмов, о целью 'величения быстродействия и уменьшения энергетических затрат на IX функционирование за очет совершенствования старых и разработ-ш новых средста и способов управления и форм импульсов питаще-напряжения, еще раз подтверждают актуальность решаемой задачи.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение быот-10,действия электромагнитных знакосинтезирупцих печатающих устрой->тв ЭВМ и контрольно-регистрирующей аппаратуры при одновременном жижепин энергетических затрат на их функционирование.

Для достижения поставленной цела необходимо:

- провеоти исследование электромагнитного механизма, его заутренних связей между основными, наиболее существенными характеристиками и ус'трсйотвом управления;

• - получить наиболее эффективные формы управляпдих напряже-1йй на катушке;

- разработать способы реализации полученных форм управляю-дах напряжений;

- создать математические модели ЗИЛ для различных форм импульсов управляющих напряжений на катушке и исследовать их на ЭВМ;

- оценить энергетические затраты при различных формах управляющих напряжений;

разработать методику расчета значения емкооти формирувдего конденсатора;

- провести экспериментальное исследование функционирования электромагнитных зиакосинтезирувдих устройств в ооставе действующей аппаратуры.

Методы исследований. Теоретическое изучение электромагяитнн: управляемых механизмов на освове методов теории электрических I магнитных цепей в экспериментальное исследование на макетных образцах.

При разработке эффективных форм управляющего напряжения,рао-чета емкости формирующего конденсатора и способа реализации им-пульоного управления ЗИЛ, использованы методы гармонического анализа и теории электро- и радиотехнических цепей.

Создание математичеокого опиоания управляемых ЭШ проведено о помощью систем дифференциальных уравнений второго порядка, решаемых на ЭВМ численными методами.

Научная новизна. На основе анализа энергетических процессов в _упьаадяемых ЭШ впервые получены и разработаны:

- аналитические выражения эффективных форм управляющих напряжений на катушке;

- методика раочета емкости формирувдего конденсатора в устройстве управления ЭШ;

- математическая модель ЭИМ .для ступенчатого управляющего напряжения на катушке, более точно отражающая физические прсцес-сы(по сравнению с традиционно-используемой моделью);

- математическая модель управляемого ЭШ для квазигармони-чеокого импульса управляющего напряжения на катушке.

Перечисленные.положения винеоены на защиту

Практическая ценность. Результаты исследований позволили установить целесообразность обоих способов управления ЭИМ в зависимости от эксплуатационных требований к ЭШ.

.Адекватность энергетических затрат при обоих способах управления ЭШ доказана экспериментально. .

Исследования математических моделей позволили выявить' основные направления улучшения динамических и энергетических показателей ЗИЛ. Получены выражения, связывающие время трогвния с конструктивными параметрами ЭШ, разработаны метод и устройство, уменьшающие время движения якоря на начальном отрезке пути.

азработан ряд устройств, защищенных авторскими овидетельотвэмв, озволяюцах снизить потребляемую энергии на этапе удержания на Ю-80 %.

Реализация результа тов. Полученные в работе результаты во-гользовакы в опытно-конструкторской разработке нового, защищен-юго авторским свидетельства,! электромагнитного знакосвнгезиру-хдего устройства, рекомендованного к внедрению на Рязанском за-юде счетно-аналитических машин. Приняты для внедрения предложения по модернизации.электромагнитных исполнительных механиз-«ов в знакосинтезирующих устройствах электронной контрольно-регистрирующей аппаратуры.

Результаты работы использованы такяе при разработке меди-1инской аппаратуры.

Апробация работе. Результаты работы докладывалиоь и об-зуждались на республиканском совещании "Проблемы теории чувств вительности электронных и электромеханических устройств и систем" (г.Владимир, 1976 г.), на Всесоюзной конференции "Метода оценки и повышения надежности РЭА" (г.Пенза, 1989 г.),'на заседании кафедры высшей математики в 1990 г.) и на научно-технических конференциях Рязанокого радиотехнического института.

. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в тш числе 3 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 4 приложения. Список использованной литературы содержит 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЙ

Во введении обоснована актуальность .темы диссертации, сформулированы цель.и основные-задачи исследования, дана общая характеристика работы и кратко изложено содержание работы.

В первой главе проводится исследование управляемого электромагнитного исполнительного механизма (ЭЯМ) с целью поиска наиболее эффективных форм импульсов питающего напряжения на катушках. : -

Установлено, что наиболее эффективными являются сложные формы импульсов напряжения вида

щ -

или ¿/(¿) = А(*)г/а >

где £ - время, Г-период, - время срабатывания,

¿уЗ - время удержания, ¿ОГЛ7 - время отключения, ¿(¿) - коэффициент пропорциональности:

т-

О0 - напряЕнние источника питания при ? -О . 3(0 а (2) , ¿ер , , ¿дгуг/Т - характеристики рабочего цикла электромагнитного механизма.

Обе формы напряжений реализуются о помощью современных средств электронной техники. Так, форма (I) реализуется двумя источниками постоянного напряжения, коммутируемыми с помощью ' электронных ключей, а форму (2) в работе предлагается реализовать в квазиколебательном контуре, образованном подключением катушки электромагнита к предварительно заряженному до -напряжения (/0 конденсатору, емкость которого равна С .

Показано, что на этапе удержания при формах питающих напряжений вида (I) и (2), потребляемая мощнооть снижается в *(■£)^аг (¿(¿)< /) • это позволяет к моменту отключения электромагнита иметь ток в катушке, равный (1,05+1,15) Хсг/} (1вгп - значение тока отпускания для ЭИМ), в результате чего время отпускания уменьшается в 4+5 раз.

^ , вел» ¿\<*< *е/>, Ш

^ < ¿ОГАГ*,

/, если о* ¿<

если ¿ер*

О, если * ¿откя

Для быстродействующих электромагнитных механизмов, к которым относятоя электромагниты, используемые в качестве привода в электромагнитных знакосинтезирующих печатающих устройствах ЭШ а электронных контрольно-регистрирующих машин (ЭНК.1), такое снижение времени отпускания имеет большое значение, так как частота их срабатываний доотигает 1200*1500 Пд.

Кроме того, снижение тиса в катушке к моменту отключения до уровня (1,05«-1,15) Iатп исключает возможность залипания якоря и полсыки печатающих игл при перемещении каретки печатающего устройства, что повышает надежность его функционирования, а использование заряженного конденсатора, обеспечивающего минимально необходимой энергией печатающее устройство, исключает непосредственный контакт электромагнитного устройства с источником V питания и дает возможность использовать бестрансформаторный источник постоянного напряжения, обладающий более высокими удельными энергетическими показателями по оравнбнию с трансформаторным (а.о.й 1549794).

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

Математическая модель электромагнитного исполнительного механизма при ступенчатой форме импульса напряжения на катушке (I) представляет систему .дифференциальных уравнений, свя- ■ зывавдях механические и электрические процессы вида:

(3)

и'ь.з

где л, = -Т7~\г ~ электромагнитная

сила

/ * V» ^

С = -2.-¿у. - индуктивность ка-

¿тяа; -Я* туики, X -переме-

щение якоря: - масса по.движных частей: и -

начальное усилие в жесткость противодействующей пружины: - максимальный воз,душный зазор; € ^и - сечение, дана и

относительная магнитная проницаемость' магнитопровода; Ы - чис ло витков на тушки; ^о - магнитная постоянная; <Р -активное сопротивление катушки; - дополнительное сопротивление;

¿А М =" I I* вСЛИ 5 * ' - коэффициент включения,

л | ' еоли огл'у' > определяющий момент вве-

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

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

Анализ физических процессов в аналогичных ЗИМ, проведенный по результатам исследований принятых многими авторами математических моделей, приведенных в литературных источниках, показывает, что рассчитанные механические и электрические процессы в ЗИЛ по длительности превышают фактические не менее чем в три раза. Резкое отличив наблвдается на этапе отпуокания рабочего цикла электромагнита при о , когда катуика ЗИМ отключается от источника энергии.

На рисунке I показаны процессы в ЗИМ, полученные в результате исследования общепринятой математической модели, а на рис.2 -процессы, полученные по результатам исследования ыатематичеакой модели (3) дая аналогичного электромагнита при длительности пи-тавдего импульса напряжения равной 300-10~®с.

Для исследования физических процеооов в ЭИМ при подключении катушки к предварительно заряженному конденсатору предложена ма-тематичеокая модель вида

«^•'/-Л-^," (4)

в которой С - значение емкости конденсатора, а остальные параметры шре,делены ранёе.

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

асе

X

(fm)

I

(A)

0,4 /,б

43 (г

V Ч»

о, оА

•О 0

н1. ?

/ V

/ Л

/

гг«-

Рио.1

Л

(мм)

0,4 1,6

0,3 f¿

0,2 щ

0,1

0 0

г '

X

/ V \

/ 1 \

ь л л

гоо\ш too too юоо ¿/огс

Рио.2

'математической модели (4) монет быть записано в виде

/О

Исследование на ЭВМ математической модели (4) 2Ш с заданными параметрами дало удовлетворительные результаты, соответствующие истинным процессам в электромагнитных механизмах.

Расхождение практических и теоретических результатов исследований быстродействующих ЭШ по математическим моделям (3) и (4) не превышает 6 %.

В связи с этим монно утверждать, что предложенная математическая модель электромагнитного исполнительного механизма вида (3) является более общей по сравнению о имеющимися в литературных источниках, а математическая модель вида (4)

предлагается впервые. •

Для расчета емкости конденсатора, обеспечивающего удовлетворительное срабатывание электретагнигного механизма, разработана инженерная методика, основанная на использовании условия . энергетического баланса, согласно которой

где Тгр - ток трогания; - начальное напряжение на конденсаторе; £ф ', ¿<р#ъ - соответственно время трогания, движения и удержания .для.электромагнита.

Третья глава посвящена решению задачи повышения быстродействия и экономичности электромагнитных исполнительных мехациз- . мов и разработке устройств, реализующих предложенные способы ■ управления последними.

Приводится зависимость времени.трогания электромагнитного механизма от его конструктивных параметров, числа витков катушки и напряяения питания и определяются .возможные пути повышения, быстродействия ЭШ.

Разраб тано устройство, позволяющее при неизменном напряжении источника питания в два раза уменьшить время трогания.Ра-бота данного устройства основана на увеличении напряжения,питающего катушку электромагнита за счет сложения напряжения источ-'

шка питания ¿/0 и напряжения на предварительно заряяеннсм ювденсаторе ¿/е при последовательном их соединении.

Введение коэффициента запаса по току трогания 4г/>*г . а гакяе определение его наиболее эффективного значения для снияе-1ия суммарного времени трогания и движения якоря ЗИЛ, дает воз-южность получить заданное быстродействие электромагнитного ме-санизма.

В работе предлагается споооб реализации коэффициента за паза по току трогания и дается его научное обоснование.

Рассмотрено устройство управления ЭШ о изменяющимся внутренним сопротивлением, использующее источник энергии с одним уровнем выходного напряжения и устройство управления, использующее источник питания о двумя уровнями выходного напряжения, позволяющие снизить потери мощности на этапе удержания на 30» 80 %, еиловые цепи которых построены по а.с.й 561168.

Здесь же рассмотрены возможные способы реализации управления электромагнитным механизмом с помощью подключения катуаки ЗИЛ к предварительно заряженному конденсатору, использующие либо один, либо два формирующих кодденоатора на каждый электромагнит, а.о. Л1Ч 1568087, 1549794.

' Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям макетных образцов электр ома гни тннх знакосиятезирующих печатающих уотройств ' ЭЗЛ и ЭКРМ в соотаве .действующей аппаратуры.

В макетных образцах реализованы устройства управления ЗИМ со ступенчатой и квазигармонической формаяи импульсов напряжений, прикладываемых к катушкам электромагнитов, рассмотренные 'в третьей главв. Для реализации о.тупенчатой формы импульса управляющего напряжения использован источник питания с выходными напряжениями 40В и 5В оерийных ЭКРМ.

Макетный образец, реализующий квазигармоническую форму импульса управляющего напряжения, построен о использованием одного формирующего конденсатора на каждый электромагнитный механизм знакосинтезирупцей головки и штатного источника питания ЭКРМ напряжением 40В. Силовые цепи выполнены по а.с.й 1549794.

Полученные экспериментальные данные подтЕерддают .достоверность результатов теоретического анализа.

Расхождение между расчетными и экспериментальными характеристиками не превышает 6-7 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты:

1. Получены аналитические выражения для форм питающего напряжения на катушке управления элеектромагнитного исполнительного механизма (ЭИМ), при которых снижаются потери потребляемой мощ-нооти при сохранении удовлетворительного функционирования электромагнита.

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

3. Предложена реализация метода импульсного управления электромагнитным механизмом. ■ ' ■

4. Предложены математичеока'я модель электромагнитного механизма для квазигармонической формы импульсов управляющего напряжения на катушке_ и математичеокая модель ЭИМ для огупенчатой формы напряжения'на катушке, более общая и универсальная по сравнению с иопользуемыми в известных литературных источниках.

5. В результате исследования математических моделей выявлены ооновные направления улучшения динаыичеоких и энергетических показателей ЗИМ.

6. Разработана методика расчета емкооти конденсатора о использованием результатов .асоледованияматематичеокой модели ЗИМ для квазигармонического сигнала .управления на катушке.

7. Приведено экспериментальное подтверждение обоснованное-, ги математических моделей ЗИЛ для различных форм импульсов управляющих напряжений.

8. Получены .выражения, связывающие время трогания ЭИМ о его конструктивными параметрами и определяющие кратность уменьшения времени трогания. Разработаны метод и устройство, позво- ■ ляющие уменьшить время .движения якоря на начальном отрезке пу- • ти.

9. Разработаны устройства управления ЭИМ, минимизирунцие энергетические затраты на-функционирование и позволяющие сна- . зить потребляемую энергию на этапе удержания на 30-80 %..

10. Разработаны и исоледованы в составе действующей аппаратуры макетные образцы электралагнитных знакосинтезирующих устройств при различных формах импульоов управляющих напряжений на катушке ЭИМ (новизна технического решения которых под-

верядена авторскими свидетельствами), рекомендованные к введению на предприятии-изготовителе отечественной контрольно-ре-истрируюдей аппаратуры и использованные в медициноких иооле-оваяиях.

Публикации по теме диооертации

1. Синицын. И.Е., Кзрташев Ю.И., Новиков А.П. О некоторых юобенностях проектирования электромагнитного исполнительного геханизма / Труды РРТИ, "Теория и техника элементов автомати-lecKax уотройств управления а контроля". Рязань, 1972, та.31. ). 159-167.

2. Синицыи И.Е., Миловзоров В.П., Новиков А.П., Харитонов 4.В. Методика определения параметров пропорционального электромагнитного исполнительного механизма с ограниченным углем поворота по заданным параметрам нагрузки / Труда РРТИ "Магнитно-полупроводаиковые и электромашинные элементы автоматики¿Рязань, 1973, вып.48. - 0.I24-I3I.

3. Синицын И.Е., Новиков А.П., Харитонов A.B. Раочет основных геометрических размеров электромагнитных исполнительных устройств поступательного типа / Межвузовский сб.трудов "Магнитно-полупроводниковые а электршаиинные элементы автоматики", Рязань, 1974, внп.1. - с.67-73.

4. Синицын И.Е. ,• Миловзоров В.П., Новиков А.П., Харитонов A.B. Линеаризация характеристик электромагнитов методом изменяющейся проводимооти паразитного зазора / Известия вузов, •"Приборостроение", J® 10, 1976. -.с.49-54.

5. Синицын И.Е., Миловзоров Ь.П., Новиков А.П., Харитонов A.B. Обеспечение линейности электромеханических преобразователей информации путем изменения проводимости паразитного зазора / Тезисы докладов к республиканскому совещании "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических уотройств и сиотем" г.Владимир, ишь, 1976. - с.92.

6. Синицын И.Е., Новиков А.П., Харитонов A.B. Схема управления для электромагнитного механизма рулевого привода / Меяву-зовокий сб. трудов "Магнитно-полупроводниковые и электршаиинные элементы автоматики", Рязань, 1977, вып.7. - C.I0S-I06.

7. Синицын И.Е. Применение дифференциальных электромеханических преобразователей в системах измерения давления с силовой

'компенсацией./ Межвузовский сб.трудов "Магнитно-полупровсдаик вые и электралашинные элементы автоматики", Рязань, 1979, выл 9. - 0.65-68.

8. Синицын И.Е. Проектирование электромагнитного исполни тельного устройства для системы измерения давления о оиловой компенсацией / Межвузовский об.трудов "Магнитно-полупроводниковые и электромаиинные элементы автоматики", Рязань, 1981, вып.10. - с.18-22.

9. Синицын U.E., Миловзоров В.П. Экономичный электромагнитный механизм знакосинтезирушцего устройства / Известия вузов, "Приборостроение", 1989, JS 8. - 0.53-56.

10. Свняцын И.Е., Тузлуков В. А. Знакосинтезирупцее устройство ЭШ на базе управляемого- электромагнитного исполнительного механизма (ЭШ) / Межвузовский сб. трудов "Элементы, устройства и программные средства информационно-преобразова-телышх систем", Рязань, 1989. - о.66-70.

11. Синицын И.Е., Миловзоров В.П. Электромагнитный механизм знакосинтезируюцего устройства / Извеотия вузов "Приборостроение", 1991, И 9. - с. 51-53.

12. Синицын И.Е. Математические модели быстродействующих электромагнитных механизмов / Межвузовский сб. трудов "Програм-|.шые средства и устройства информационных и преобразовательных иистсм", Рязань, 1991.с.54-57.

13. Синицын U.E., Кутейников A.B. Источник импульсного электропиташш для электромагнитных злакосинтезируюдах устройств / Тезисы докладов к У Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", АН УССР, часть 1У, Киев, сентябрь, 1991. - с.191-193.

14. Синицын И.Е. Метод улучшения динамических характеристик электромагнитных исполнительных механивмов / Межвузовский сб.трудов "Программные средства и устройства информационных а преобразовательных систем", Рязань, 1991. - с.62-65.

15. A.c. К 56II68. СССР, МДО «С 05 В 11/28. Устройство для широгно-иыпульсного управления электромагнитным исполнительным механизмам / Синицын И.Е., Новиков А.П., Харитонов А. В. Опубл.1977. Бшл.й 21.

16. А.с.й 1549794 СССР, МКИ В 41 -У 9/38. Электрснагяит-ное зыакосинтезиууюцее устройство / Синицын И.Е., Бао A.A., Кутейников A.B. Опубл.1990, Бюл.й 10.

17. А.о.№ 1568087 СССР, ШИН OIF 7/18. Устройство для импульсного управления электромагнитным исполнительным механизмом / Синицын И.Е. Опубл.1990, Бюл.№ 20.

Разработка и исследование высокоэкономичных электромагнитных знакосинтезирующих печатающих устройств ЭВМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 26.05.92. Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага, писчая № 2. Печать ротапринтная. Усл.печ.лист 1,0 Уч.-изд.л. 1,0. Тираж Юо'экз. Заказ №Бесплатно

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

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

Синицын Иван Егорович