1、第6章 自整角機(jī),6.1 概述,6.2 控制式自整角機(jī)的工作原理,6.3控制式自整角機(jī)的差動(dòng)運(yùn)行,6.4 控制式自整角機(jī)的性能指標(biāo),6.5 力矩式自整角機(jī),6.6 直線自整角機(jī),6.7 自整角機(jī)的選擇和使用,6.1 概述,自整角機(jī)是一種將轉(zhuǎn)角變換成電壓信號(hào)或?qū)㈦妷盒盘?hào)變換成轉(zhuǎn)角，以實(shí)現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測(cè)量或控制遠(yuǎn)距離設(shè)備的角度位置，也可以在隨動(dòng)系統(tǒng)中用作機(jī)械設(shè)備之間的角度聯(lián)動(dòng)裝置，以使機(jī)械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉(zhuǎn)軸保持同步偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。通常是兩臺(tái)或多臺(tái)組合使用。,6.1.1自整角機(jī)的功能與分類,根據(jù)在系統(tǒng)中的作用不同自整角機(jī)可分為控制式和力矩式兩大類 。,自整角機(jī)的分類

2、與功用,6.1.1自整角機(jī)的功能與分類,力矩式自整角機(jī)本身不能放大力矩，要帶動(dòng)接收機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載，必須由自整角機(jī)一方的驅(qū)動(dòng)裝置供給轉(zhuǎn)矩。力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，用在角度傳輸精度要求不高的系統(tǒng)，如遠(yuǎn)距離指示液面的高度、閥門的開度、電梯和礦井提升機(jī)的位置、變壓器的分接開關(guān)位置等。,控制式自整角機(jī)接收機(jī)的轉(zhuǎn)軸不直接帶動(dòng)負(fù)載，即沒有力矩輸出，當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)轉(zhuǎn)子之間存在角度差（即失調(diào)角）時(shí)，接收機(jī)將輸出與失調(diào)角呈正弦函數(shù)規(guī)律的電壓，將此電壓加給伺服放大器，用放大后的電壓來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)，再驅(qū)動(dòng)負(fù)載。由于接收機(jī)是工作在變壓器狀態(tài)，通常稱其為自整角變壓器?？刂剖阶哉菣C(jī)系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，它應(yīng)用于負(fù)載

3、較大及精度要求高的隨動(dòng)系統(tǒng)。,6.1.1自整角機(jī)的功能與分類,6.1.2自整角機(jī)的結(jié)構(gòu),自整角機(jī)大都采用兩極凸極或隱極結(jié)構(gòu),(a)轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu) ( b)定子凸極結(jié)構(gòu) (c)隱極式結(jié)構(gòu) 圖6-1自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)搭配,圖6-2自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,1-定子鐵心；2-三相整步繞組；3-轉(zhuǎn)子鐵心；4-轉(zhuǎn)子繞組；5-滑環(huán)；6-電刷,6.1.2自整角機(jī)的結(jié)構(gòu),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，廣泛采用控制式自整角機(jī)與伺服機(jī)構(gòu)組成的組合系統(tǒng)。ZKF為控制式自整角機(jī)的發(fā)送機(jī)，ZKB為控制式自整角機(jī)的接收機(jī)，也稱為自整角變壓器，ZKF和ZKB的整步繞組對(duì)應(yīng)聯(lián)接。ZKB的轉(zhuǎn)子繞組向外輸出電壓，該電壓通常是接到放大器的輸入端，經(jīng)

4、放大后再加到伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組，來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)還經(jīng)過減速裝置帶動(dòng)ZKB的轉(zhuǎn)子隨同負(fù)載一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使失調(diào)角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當(dāng)達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。,6.2 控制式自整角機(jī)的工作原理,圖6-5控制式自整角機(jī)的工作原理圖,當(dāng)ZKF的勵(lì)磁繞組接交流電源勵(lì)磁后，便產(chǎn)生一個(gè)在其軸線上脈振的磁場(chǎng) ， 該脈振磁場(chǎng)的磁通在定子各相繞組中感應(yīng)電勢(shì),6.2.1發(fā)送機(jī)ZKF的定子磁場(chǎng),在ZKF與ZKB的整步繞組回路中產(chǎn)生電流,Z為ZKF相繞組的阻抗ZF、ZKB相繞組的阻抗ZB和連接線的阻抗ZL之和,，,為相電流幅值,6.2.1發(fā)送機(jī)ZKF的定子磁場(chǎng),

5、圖6-6定子磁場(chǎng)的分解與合成,x軸方向總磁通密度為,6.2.1發(fā)送機(jī)ZKF的定子磁場(chǎng),利用三角公式,同理得y軸方向總磁通密度為,6.2.1發(fā)送機(jī)ZKF的定子磁場(chǎng),6.2.1發(fā)送機(jī)ZKF的定子磁場(chǎng),由上面的分析結(jié)果，可得出結(jié)論： （1）定子合成磁場(chǎng)仍為脈振磁場(chǎng)； (2) 合成磁場(chǎng)總是位于勵(lì)磁繞組軸線上，即與勵(lì)磁磁場(chǎng)在同一 軸線上,其幅值為 ； (3) 合成磁場(chǎng)磁通密度的幅值為，合成磁場(chǎng)空間位置不變，磁 場(chǎng)大小為時(shí)間的函數(shù)，所以定子合成磁場(chǎng)仍為脈振磁場(chǎng)。,6.2.2接收機(jī)ZKB的定子磁場(chǎng),因ZKB的三相繞組與ZKF的三相繞組中流過的是同一電流，故ZKB的定子合成磁場(chǎng)也是脈振磁場(chǎng)，其大小與ZKF的定

6、子合成磁場(chǎng)相等、軸線與相繞組軸線的夾角也為 ，但由于電流方向相反，所以合成磁場(chǎng) 的方向與 的方向相反，如圖6-7所示。 很明顯，ZKB的定子繞組為原邊，轉(zhuǎn)子單相繞組為副邊。由于ZKB的副邊輸出繞組軸線與定子相繞組軸線的夾角為 ，所以定子合成磁場(chǎng)的軸線與輸出繞組軸線的夾角為 ，也就是發(fā)送軸與接收軸的轉(zhuǎn)角差 。,圖6-7 自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)關(guān)系,6.2.3 ZKB的輸出電動(dòng)勢(shì),若將轉(zhuǎn)子由原先規(guī)定的起始協(xié)調(diào)位置轉(zhuǎn)過90電角度,圖6-8 控制式自整角機(jī)的協(xié)調(diào)位置,則ZKB的輸出電壓為,當(dāng)ZKB定子合成磁場(chǎng)的軸線與輸出繞組軸線的夾角 時(shí)，合成磁場(chǎng)在輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為,6.2.3 ZKB的輸

7、出電動(dòng)勢(shì),圖6-9ZKB的輸出電動(dòng)勢(shì),6.2.4小結(jié),綜合以上分析將控制式自整角機(jī)的工作原理歸納如下：,(1) ZKF勵(lì)磁磁場(chǎng)是脈振磁場(chǎng)，ZKF定子各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上 同相位，其有效值與定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置有關(guān)。 (2) 在ZKF定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，兩自整角機(jī)繞組中的相電流總是 大小相等、方向相反。 (3) 在自整角機(jī)控制式運(yùn)行時(shí)，將ZKB起始協(xié)調(diào)位置規(guī)定為與 繞組軸線 垂直的位置，協(xié)調(diào)時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì) 。輸出繞組軸線相對(duì)協(xié)調(diào)位置 的轉(zhuǎn)角 稱為失調(diào)角。 (4) 輸出繞組的電壓為 ，在失調(diào)角很小時(shí)， ， 當(dāng)出現(xiàn)失調(diào) 時(shí)，自整角機(jī)輸出電壓經(jīng)放大后帶動(dòng)伺服機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)直至失 調(diào) 角 為零。,6.

8、3控制式自整角機(jī)的差動(dòng)運(yùn)行,在隨動(dòng)系統(tǒng)中，有時(shí)需要傳遞兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的角度和或者角度差，這就要在上述控制式自整角機(jī)對(duì)ZKF和ZKB之間串入一臺(tái)差動(dòng)發(fā)送機(jī)ZKC，作差動(dòng)運(yùn)行 。,圖6-10帶有ZKC的控制式自整角機(jī)原理圖,6.3.1工作原理,在ZKB輸出繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為,該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大器放大后，加到交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)就帶動(dòng)ZKB按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)至輸出電動(dòng)勢(shì),因ZKC轉(zhuǎn)子三相繞組和ZKB定子三相繞組對(duì)應(yīng)連接，所以它們對(duì)應(yīng)相的電流大小相等、方向相反，該電流在ZKB定子繞組中產(chǎn)生的磁場(chǎng) 與 相軸線的夾角為 。,實(shí)現(xiàn)了兩發(fā)送軸角度差的傳遞。如ZKC按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn) ，可實(shí)現(xiàn)兩發(fā)送軸角度和

9、的傳送。,6.3.2控制式差動(dòng)發(fā)送機(jī)的應(yīng)用,圖6-11火炮相對(duì)于羅盤方位角的控制原理圖,上述系統(tǒng)中盡管艦艇的航向不斷變化，但火炮始終能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)某一目標(biāo)。,6.4 控制式自整角機(jī)的性能指標(biāo),6.4.1誤差概述,當(dāng)控制式自整角機(jī)的失調(diào)角很小時(shí)，ZKB的輸出電壓為,在協(xié)調(diào)位置時(shí),實(shí)際上由于結(jié)構(gòu)和工藝上的各種因素， 即使在協(xié)調(diào)位置，輸出繞組中仍存在電壓,圖6-12輸出電壓相量圖,分解成二個(gè)分量,6.4.2控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo),1電氣誤差,2零位電壓,接收機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子處于協(xié)調(diào)位置時(shí)輸出繞組出現(xiàn)的端電壓叫零位電壓一般有50180 mV的殘余電壓。,控制式自整角機(jī)的零位電壓,3比電壓,比電壓大

10、同樣大小的失調(diào)角所獲得的信號(hào)電壓也大，因此系統(tǒng)的靈敏度高,4輸出相位移,輸出相位移是指ZKB輸出電壓的基波分量對(duì)ZKF勵(lì)磁電壓基波分量的時(shí)間相位差。目前，國(guó)產(chǎn)ZKB的輸出相位移為220。,5速度誤差,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)產(chǎn)生一定的速度誤差,6.4.2控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo),6.5 力矩式自整角機(jī),6.5.1力矩式自整角機(jī)的工作原理,圖6-13力矩式自整角機(jī)的原理圖,應(yīng)用疊加原理分別考慮ZLF勵(lì)磁磁通和ZLJ勵(lì)磁磁通的作用,所以ZLF和ZLJ 同時(shí)勵(lì)磁定子繞組所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)應(yīng)該是 和 的疊加。,圖6-14轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,6.5.1力矩式自整角機(jī)的工作原理,為分析方便將ZL

11、J中的 分解成兩個(gè)分量,則,6.5.1力矩式自整角機(jī)的工作原理,在該轉(zhuǎn)矩作用下使失調(diào)角減小，當(dāng)其為零后 ，轉(zhuǎn)矩為零 使ZLJ轉(zhuǎn)子軸線停止在與ZLF轉(zhuǎn)子軸線一致的位置上,稱為整步轉(zhuǎn)矩,6.5.2力矩式自整角機(jī)的差動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)需要指示的角度為兩個(gè)已知角的和或差時(shí)，可以在一對(duì)力矩式自整角機(jī)之間加入一臺(tái)力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)ZCF，構(gòu)成差動(dòng)發(fā)送機(jī)系統(tǒng)。 也可以在一對(duì)力矩式自整角機(jī)之間加入一臺(tái)力矩式差動(dòng)接收機(jī)ZCJ，構(gòu)成差動(dòng)接收機(jī)系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用差動(dòng)發(fā)送機(jī)系統(tǒng)。,在差動(dòng)發(fā)送機(jī)系統(tǒng)中，力矩式差動(dòng)發(fā)送機(jī)ZCF的結(jié)構(gòu)與控制式差動(dòng)發(fā)送機(jī)ZKC極為相近，轉(zhuǎn)子采用隱極式，且定轉(zhuǎn)子都有三相對(duì)稱繞組。ZLF和ZLJ

12、的勵(lì)磁繞組接同一交流電源勵(lì)磁它們的整步繞組分別與 ZCF的定子和轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)應(yīng)連接,圖6-15帶有ZCF的力矩式自整角機(jī)系統(tǒng),6.5.2力矩式自整角機(jī)的差動(dòng)運(yùn)行,若ZLF和ZKC的轉(zhuǎn)子異向偏轉(zhuǎn)時(shí)，則能實(shí)現(xiàn)兩角之和的傳送。,6.5.3力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo),1靜態(tài)誤差,發(fā)送機(jī)處于停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。在理想情況下，接收機(jī)應(yīng)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)過相同的角度。但由于接收機(jī)軸上存在摩擦轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，所以使兩機(jī)的轉(zhuǎn)角出現(xiàn)差值。把靜態(tài)空載運(yùn)行而達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)，發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度與接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度之差稱為靜態(tài)誤差。,靜態(tài)誤差通常用度或角分表示，它決定接收機(jī)的精度。根據(jù)靜態(tài)誤差的大小可分為

13、三個(gè)精度等級(jí)：0級(jí)為0.5，1級(jí)為1.2，2級(jí)為2。,在協(xié)調(diào)位置附近，失調(diào)角為1時(shí)接收機(jī)軸上所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩，即,比整步轉(zhuǎn)矩越大，其整步能力越強(qiáng)，靜態(tài)誤差越小，所以比整步轉(zhuǎn)矩是ZLJ的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。一般產(chǎn)品數(shù)據(jù)中均列出它的數(shù)值。,3零位誤差,當(dāng)ZLF的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后，在理論上，從線電動(dòng)勢(shì)為零的某一位置(基準(zhǔn)零位)開始，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60，整步繞組中必有一線電動(dòng)勢(shì)( 或 或 )為零，此位置稱為理論電氣零位。,但是由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響，實(shí)際電氣零位與理論電氣零位存在著差異，兩者之差稱為力矩式自整角機(jī)的零位誤差。,6.5.3力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo),6.5.3力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

14、,4阻尼時(shí)間,指強(qiáng)迫接收機(jī)轉(zhuǎn)子失調(diào)(1772) ，放松后，經(jīng)過衰減振蕩達(dá)到協(xié)調(diào)位置時(shí)所需要的時(shí)間。按規(guī)定阻尼時(shí)間不應(yīng)大于3s。阻尼時(shí)間越短，表示接收機(jī)的跟隨性能越好。為此，在力矩式接收機(jī)中通常都裝有阻尼繞組，也有的裝有機(jī)械阻尼器。,6.5.4力矩式自整角機(jī)的應(yīng)用舉例,圖6-16液面位置指示器 1-浮子；2-平衡錘；3-自整角發(fā)送機(jī)； 4-自整角接收機(jī),浮子隨液面的高度升降將液面位置轉(zhuǎn)換成發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。于是接收機(jī)轉(zhuǎn)子就帶動(dòng)指針準(zhǔn)確地跟隨著發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角變化而偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離位置的指示。,6.6 直線自整角機(jī),在同步隨動(dòng)系統(tǒng)中，有時(shí)要求系統(tǒng)作直線同步位移，如雷達(dá)直線測(cè)量?jī)x中就采用直線自

15、整角機(jī)。,( b),直線自整角機(jī)結(jié)構(gòu)圖,印刷電路板導(dǎo)線連接圖,直線自整角機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)式自整角機(jī)基本相同，印刷繞組基片通過兩個(gè)圓盤輪絞動(dòng)，當(dāng)印刷繞組中通入交流電流時(shí)，定子各相繞組中感應(yīng)與印刷繞組位置有關(guān)的電壓；若定子三相繞組通電，印刷繞組作平行直線運(yùn)動(dòng)，其輸出端就產(chǎn)生一個(gè)與位置有關(guān)的輸出電壓。利用一對(duì)這樣的直線自整角機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)兩絞輪間的直線位移同步。,1：3個(gè)凸極定子；2：磁回路； 3：直線位移的印刷動(dòng)子,6.7 自整角機(jī)的選擇和使用,力矩式和控制式自整角機(jī)各有不同的特點(diǎn)，選用時(shí)應(yīng)根據(jù)電源情況、負(fù)載種類、精度要求、系統(tǒng)造價(jià)等方面綜合考慮。,6.7.1控制式和力矩式自整角機(jī)的特點(diǎn)及適用的系

16、統(tǒng)和負(fù)載,控制式和力矩式自整角機(jī)的比較,6.7.2自整角機(jī)的選用,1自整角機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù),（1）勵(lì)磁電壓：是指加在勵(lì)磁繞組上，產(chǎn)生勵(lì)磁磁通的電壓。,（2）最大輸出電壓：是指額定勵(lì)磁時(shí)，自整角機(jī)副邊的最大線電壓。,（3）空載電流和空載功率：指副邊空載時(shí)，勵(lì)磁繞組的電流和消耗的功率。,（4）開路輸入阻抗：指副邊開路，從原邊（勵(lì)磁端）看進(jìn)去的等效阻抗。,（5）短路輸出阻抗：指原邊（勵(lì)磁端）短路，從副邊繞組兩端看進(jìn)去的 阻抗。,（6）開路輸出阻抗：指原邊（勵(lì)磁端）開路，從副邊繞組兩端看進(jìn)去的阻抗。,（1）自整角機(jī)的勵(lì)磁電壓和頻率必須與使用的電源符合。對(duì)尺寸小的自 整角機(jī)，選電壓低的比較可靠；對(duì)長(zhǎng)傳輸線，

17、選用電壓高的可降低 線路壓降的影響；要求體積小、性能好的，應(yīng)選400 Hz的自整角機(jī) 否則，采用工頻比較方便（不需要專用中頻電源）。 （2）相互聯(lián)接使用的自整角機(jī)，其對(duì)接繞組的額定電壓和頻率必須相同。 （3）在電源容量允許的情況下，應(yīng)選用輸入阻抗較低的發(fā)送機(jī)，以便獲 得較大的負(fù)載能力。 （4）選用自整角變壓器和差動(dòng)發(fā)送機(jī)時(shí)，應(yīng)選輸入阻抗較高的產(chǎn)品，以 減輕發(fā)送機(jī)的負(fù)載。,2選用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng),6.7.2自整角機(jī)的選用,（1）零位調(diào)整： 當(dāng)自整角機(jī)在隨動(dòng)系統(tǒng)中用作測(cè)量差角時(shí)，在調(diào)整之前其發(fā)送機(jī)和變 壓器刻度盤上的讀數(shù)通常需要進(jìn)行調(diào)零。調(diào)零的方法是：轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)送機(jī)的 轉(zhuǎn)子使其刻度盤上的讀數(shù)為零，然后固定發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子，再轉(zhuǎn)動(dòng)變壓器定 子，使變壓器在協(xié)調(diào)位置時(shí)，刻度盤的讀數(shù)也