第六章-自整角机

单击此处编辑母版标题样式,*,控,制,电,第,6,章 自整角机,6.1,概述,6.2,控制式自整角机的工作原理,6.3,控制式自整角机的差动运行,6.4,控制式自整角机的性能指标,6.5,力矩式自整角机,6.6,直线自整角机,6.7,自整角机的选择和使用,6.1,概述,自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。,6.1.1,自整角机的功能与分类,根据在系统中的作用不同自整角机可分为控制式和力矩式两大类,。,分,类,国内代号,国际代号,功,用,力矩式,发送机,ZLF,TX,将转子转角变换成电信号输出,接收机,ZLJ,TR,接收力矩发送机的电信号，变换成转子的机械能输出,差动发送机,ZCF,TDX,串接于力矩发送机与接收机之间，将发送机转角及自身转角的和,(,或差,),转变为电信号,输送到接收机,差动接收机,ZCJ,TDR,串接于两个力矩发送机之间，接收其电信号，并使自身转子转角为两发送机转角的和,(,或差,),控制式,发送机,ZKF,CX,同力矩发送机,变压器,ZKB,CT,接收控制式发送机的信号，变换成与失调角呈正弦关系的电信号,差动发送机,ZKC,CDX,串接于发送机与变压器之间，将发送机转角及其自身转角的和,(,或差,),转变为电信号，输送到变压器,自整角机的分类与功用,6.1.1,自整角机的功能与分类,力矩式自整角机本身不能放大力矩，要带动接收机轴上的机械负载，必须由自整角机一方的驱动装置供给转矩。力矩式自整角机系统为开环系统，用在角度传输精度要求不高的系统，如远距离指示液面的高度、阀门的开度、电梯和矿井提升机的位置、变压器的分接开关位置等。,控制式自整角机接收机的转轴不直接带动负载，即没有力矩输出，当发送机和接收机转子之间存在角度差（即失调角）时，接收机将输出与失调角呈正弦函数规律的电压，将此电压加给伺服放大器，用放大后的电压来控制伺服电动机，再驱动负载。由于接收机是工作在变压器状态，通常称其为自整角变压器。控制式自整角机系统为闭环系统，它应用于负载较大及精度要求高的随动系统。,6.1.1,自整角机的功能与分类,6.1.2,自整角机的结构,自整角机大都采用两极凸极或隐极结构,(a),转子凸极结构,(b),定子凸极结构,(c),隐极式结构,图,6-1,自整角机定、转子结构搭配,图,6-2,自整角机的结构简图,1-,定子铁心；,2-,三相整步绕组；,3-,转子铁心；,4-,转子绕组；,5-,滑环；,6-,电刷,6.1.2,自整角机的结构,在自动控制系统中，广泛采用控制式自整角机与伺服机构组成的组合系统。,ZKF,为控制式自整角机的发送机，,ZKB,为控制式自整角机的接收机，也称为自整角变压器，,ZKF,和,ZKB,的整步绕组对应联接。,ZKB,的转子绕组向外输出电压，该电压通常是接到放大器的输入端，经放大后再加到伺服电动机的控制绕组，来驱动负载转动。同时伺服电动机还经过减速装置带动,ZKB,的转子随同负载一起转动，使失调角减小，,ZKB,的输出电压随之减小。当达到协调位置时，,ZKB,的输出电压为零，伺服电动机停止转动。,6.2,控制式自整角机的工作原理,图,6-5,控制式自整角机的工作原理图,当,ZKF,的励磁绕组接交流电源励磁后，便产生一个在其轴线上脉振的磁场 ，,该脉振磁场的磁通在定子各相绕组中感应电势,6.2.1,发送机,ZKF,的定子磁场,在,ZKF,与,ZKB,的整步绕组回路中产生电流,Z,为,ZKF,相绕组的阻抗,Z,F,、,ZKB,相绕组的阻抗,Z,B,和连接线的阻抗,Z,L,之和,，,为相电流幅值,定子三相电流在时间上同相位，各自在自己的相轴上产生一个脉振磁场，磁场的幅值正比于各相电流，即,，于是三个脉振磁场可分别写成,6.2.1,发送机,ZKF,的定子磁场,图,6-6,定子磁场的分解与合成,x,轴方向总磁通密度为,6.2.1,发送机,ZKF,的定子磁场,利用三角公式,同理得,y,轴方向总磁通密度为,6.2.1,发送机,ZKF,的定子磁场,6.2.1,发送机,ZKF,的定子磁场,由上面的分析结果，可得出结论：,（,1,）定子合成磁场仍为脉振磁场；,(2),合成磁场总是位于励磁绕组轴线上，即与励磁磁场在同一,轴线上,其幅值为,；,(3),合成磁场磁通密度的幅值为，合成磁场空间位置不变，磁,场大小为时间的函数，所以定子合成磁场仍为脉振磁场。,6.2.2,接收机,ZKB,的定子磁场,因,ZKB,的三相绕组与,ZKF,的三相绕组中流过的是同一电流，故,ZKB,的定子合成磁场也是脉振磁场，其大小与,ZKF,的定子合成磁场相等、轴线与相绕组轴线的夹角也为 ，但由于电流方向相反，所以合成磁场 的方向与 的方向相反，如,图,6-7,所示。,很明显，,ZKB,的定子绕组为原边，转子单相绕组为副边。由于,ZKB,的副边输出绕组轴线与定子相绕组轴线的夹角为 ，所以定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角为 ，也就是发送轴与接收轴的转角差 。,图,6-7,自整角机定、转子磁场关系,6.2.3 ZKB,的输出电动势,若将转子由原先规定的起始协调位置转过,90,电角度,图,6-8,控制式自整角机的协调位置,则,ZKB,的输出电压为,当,ZKB,定子合成磁场的轴线与输出绕组轴线的夹角 时，合成磁场在输出绕组中感应电动势的有效值为,上式表明,ZKB,输出电动势与失调角 的正弦成正比,因失调角,一般很小，可近似认为,6.2.3 ZKB,的输出电动势,图,6-9ZKB,的输出电动势,6.2.4,小结,综合以上分析将控制式自整角机的工作原理归纳如下：,(1)ZKF,励磁磁场是脉振磁场，,ZKF,定子各相绕组的感应电动势在时间上,同相位，其有效值与定、转子的相对位置有关。,(2),在,ZKF,定子绕组感应电动势作用下，两自整角机绕组中的相电流总是,大小相等、方向相反。,(3),在自整角机控制式运行时，将,ZKB,起始协调位置规定为与 绕组轴线,垂直的位置，协调时输出电动势 。输出绕组轴线相对协调位置,的转角 称为失调角。,(4),输出绕组的电压为 ，在失调角很小时，,当出现失调 时，自整角机输出电压经放大后带动伺服机转动直至失,调 角,为零。,6.3,控制式自整角机的差动运行,在随动系统中，有时需要传递两个转轴的角度和或者角度差，这就要在上述控制式自整角机对,ZKF,和,ZKB,之间串入一台差动发送机,ZKC,，作差动运行。,图,6-10,带有,ZKC,的控制式自整角机原理图,则,ZKC,转子绕组产生的磁场,必定与转子绕组,的夹角为,6.3.1,工作原理,在,ZKB,输出绕组中感应电动势为,该电动势经放大器放大后，加到交流伺服电动机的控制绕组，交流伺服电动机就带动,ZKB,按顺时针方向转动至输出电动势,ZKB,输出绕组轴线与其,相轴线相互垂直，,ZKF,转轴输入,ZKC,转轴输入,在图,6-10,中,因,ZKC,转子三相绕组和,ZKB,定子三相绕组对应连接，所以它们对应相的电流大小相等、方向相反，该电流在,ZKB,定子绕组中产生的磁场 与 相轴线的夹角为,。,实现了两发送轴角度差的传递。如,ZKC,按逆时针方向转 ，可实现两发送轴角度和的传送。,6.3.2,控制式差动发送机的应用,图,6-11,火炮相对于罗盘方位角的控制原理图,上述系统中尽管舰艇的航向不断变化，但火炮始终能自动对准某一目标。,6.4,控制式自整角机的性能指标,6.4.1,误差概述,当控制式自整角机的失调角很小时，,ZKB,的输出电压为,在协调位置时,实际上由于结构和工艺上的各种因素，,即使在协调位置，输出绕组中仍存在电压,图,6-12,输出电压相量图,第一个分量,称为同相分量，引起转角随动误差,第二个分量,称为正交分量，使系统工作恶化,分解成二个分量,6.4.2,控制式自整角机的主要技术指标,1,电气误差,2,零位电压,静态时由,所引起的误差称为,ZKB,的电气误差,接收机转子与发送机转子处于协调位置时输出绕组出现的端电压叫零位电压,一般有,50,180 mV,的残余电压。,电压等级,/V,频率,/HZ,零位电压,/mV,发送机,变压器,20,400,50,70,36,400,70,80,115,400,150,100,110,50,180,150,控制式自整角机的零位电压,3,比电压,ZKB,在协调位置附近单位失调角（取,）时的输出电压称为比电压,比电压大同样大小的失调角所获得的信号电压也大，因此系统的灵敏度高,4,输出相位移,输出相位移是指,ZKB,输出电压的基波分量对,ZKF,励磁电压基波分量的时间相位差。目前，国产,ZKB,的输出相位移为,2,20,。,5,速度误差,转速越高，速度电动势越大，速度误差,也越大,当转子转速较高时产生一定的速度误差,6.4.2,控制式自整角机的主要技术指标,6.5,力矩式自整角机,6.5.1,力矩式自整角机的工作原理,图,6-13,力矩式自整角机的原理图,应用叠加原理分别考虑,ZLF,励磁磁通和,ZLJ,励磁磁通的作用,所以,ZLF,和,ZLJ,同时励磁定子绕组所产生的合成磁场应该是 和 的叠加。,与转子电流,相互作用产生电磁力，但不产生转矩,直轴分量,交轴分量,与,相互作用产生转矩,图,6-14,转子电流与定子磁场相互作用产生转矩,6.5.1,力矩式自整角机的工作原理,为分析方便将,ZLJ,中的 分解成两个分量,当失调角,很小时，,则,ZLF,中也会产生整步转矩。整步转矩的方向也是向着减小失调角,的方向。,6.5.1,力矩式自整角机的工作原理,在该转矩作用下使失调角减小，当其为零后 ，转矩为零,使,ZLJ,转子轴线停止在与,ZLF,转子轴线一致的位置上,称为整步转矩,6.5.2,力矩式自整角机的差动运行,当需要指示的角度为两个已知角的和或差时，可以在一对力矩式自整角机之间加入一台力矩式差动发送机,ZCF,，构成差动发送机系统。,也可以在一对力矩式自整角机之间加入一台力矩式差动接收机,ZCJ,，构成差动接收机系统。在随动系统中，通常采用差动发送机系统。,在差动发送机系统中，力矩式差动发送机,ZCF,的结构与控制式差动发送机,ZKC,极为相近，转子采用隐极式，且定转子都有三相对称绕组。,ZLF,和,ZLJ,的励磁绕组接同一交流电源励磁它们的整步绕组分别与,ZCF,的定子和转子三相绕组对应连接,图,6-15,带有,ZCF,的力矩式自整角机系统,6.5.2,力矩式自整角机的差动运行,ZLJ,转子必然从,相轴线转过,达到协调位置,实现两角之差的传送。,若,ZLF,和,ZKC,的转子异向偏转时，则能实现两角之和的传送。,6.5.3,力矩式自整角机的主要技术指标,1,静态误差,发送机处于停转或转速很低时的工作状态称为静态。在理想情况下，接收机应与发送机转过相同的角度。但由于接收机轴上存在摩擦转矩和阻尼转矩，所以使两机的转角出现差值。把静态空载运行而达到协调位置时，发送机转子转过的角度与接收机转子转过的角度之差称为静态误差。,静态误差通常用度或角分表示，它决定接收机的精度。根据静态误差的大小可分为三个精度等级：,0,级为,0.5,，,1,级为,1.2,，,2,级为,2,。,2,比整步转矩,在协调位置附近，失调角为,1,时接收机轴上所产生的整步转矩，即,比整步转矩越大，其整步能力越强，静态误差越小，所以比整步转矩是,ZLJ,的一项重要性能指标。一般产品数据中均列出它的数值。,3,零位误差,当,ZLF,的转子励磁后，在理论上，从线电动势为零的某一位置,(,基准零位,),开始，转子每转过,60,，整步绕组中必有一线电动势,(,或 或,),为零，此位置称为理论电气零位。,但是由于设计、工艺、材料等因素的影响，实际电气零位与理论电气零位存在着差异，两者之差称为力矩式自整角机的零位误差。,6.5.3,力矩式自整角机的主要技术指标