自整角機(jī)

　　自整角機(jī)包括：
　　A、使用于信號(hào)傳輸系統(tǒng)作檢測元件用的控制式自整角機(jī)；
　　控制式自整角機(jī)包括控制式發(fā)送機(jī)ZKF和控制式變壓器ZKB。
　　B、使用于力矩傳輸系統(tǒng)作指示用的力矩式自整角機(jī)。
　　力矩式自整角機(jī)包括力矩式發(fā)送機(jī)ZLF和力矩式接收ZLJ。
　　控制式自整角機(jī)是作為角度和位置的檢測元件，可以將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或?qū)⒔嵌鹊臄?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M量，而且精密程度較高，誤差范圍僅有3′～14′。因此，控制式自整角機(jī)用于精密的閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中是很適宜的。
　　力矩式自整角機(jī)用做遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)角指示，即將機(jī)械角度變換為力矩輸出，但無力矩放大作用，接收誤差稍大，負(fù)載能力較差，其靜態(tài)誤差范圍為0.5°～2°。因此，力矩式自整角機(jī)只適用于輕負(fù)載轉(zhuǎn)矩及精度要求不太高的開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)里。

　　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，產(chǎn)生信號(hào)一方的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī)，接收信號(hào)一方的自整角機(jī)稱為接收機(jī)。
　　自整角機(jī)是一種微型電機(jī)，所以自整角機(jī)和一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。下面根據(jù)自整角機(jī)的使用用途，分別介紹控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)的工作原理。

1、控制式自整角機(jī)工作原理

　　控制式自整角機(jī)的工作原理可以由圖1來說明。圖1中，由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組。一臺(tái)用來發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱為自整角發(fā)送機(jī)，用ZKF表示，它的勵(lì)磁繞組接到單相交流電源上。另一臺(tái)用來接收轉(zhuǎn)角信號(hào)并將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢輸出，稱之為自整角接收機(jī)，用ZKJ表示。兩臺(tái)自整角機(jī)定子中的整步繞組（定子繞組）均接成星形，三對相序相同的相繞組分別接成回路。

 
圖1控制式自整角機(jī)工作原理圖

　　在自整角發(fā)送機(jī)的勵(lì)磁繞組中通入單相交流電流時(shí)，兩臺(tái)自整角機(jī)的氣隙中都將產(chǎn)生脈振磁場。脈振磁場使自整角發(fā)送機(jī)整步繞組的各相繞組生成時(shí)間上同相位的感應(yīng)電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的大小取決于整步繞組中各相繞組的軸線與勵(lì)磁繞組軸線之間的相對位置。當(dāng)整步繞組中的某一相繞組軸線與勵(lì)磁繞組軸線重合時(shí)，該相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢為最大值，用E表示電動(dòng)勢的最大值。
　　設(shè)發(fā)送機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對應(yīng)的勵(lì)磁繞組軸線的夾角為θ1，接收機(jī)整步繞組中的A相繞組軸線與其對應(yīng)的勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組）軸線的夾角為θ2，如圖1所示。發(fā)送機(jī)整步繞組中各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢有效值為：
　　Ea=E*cosθ1
　　Eb=E*cos（θ1+120°）
　　Ec=E*cos（θ1-120°）
　　由于各相整步繞組對應(yīng)接成回路，所以感應(yīng)電動(dòng)勢在各相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，設(shè)Z為ZKF相繞組的阻抗ZF、ZKJ相繞組的阻抗ZJ和連接線的阻抗ZL之和，Z=ZF+ZJ+ZL，I=E/Z（I為勵(lì)磁磁通軸線和定子繞組軸線重合時(shí)定子某相電流的有效值，每相最大電流有效值），則ZKF與ZKJ的各相繞組回路中產(chǎn)生各相電流為：
　　Ia=I*cosθ1
　　Ib=I*cos（θ1+120°）
　　Ic=I*cos（θ1-120°）
　　三相對稱整步繞組流過電流時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場。分析整步繞組電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，其合成磁場方向在勵(lì)磁繞組的軸線上，且根據(jù)楞次定律，合成磁場必定對勵(lì)磁磁場起去磁作用，所以合成磁通密度相量B在勵(lì)磁繞組軸線上，方向與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通密度相量Bj相反。
　　發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的三相定子繞組是對應(yīng)連接的，所以各對應(yīng)相的電流大小相等、方向相反，所以接收機(jī)合成磁場軸線也與D’1相相夾θ1，但方向與發(fā)送機(jī)中的合成磁場相反，該磁場以B’表示。

 
圖2自整角機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場關(guān)系

　　當(dāng)接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線與定子繞組軸線差θ2時(shí)，合成磁場的軸線與接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組軸線夾角為θ2-θ1=d，則合成磁場在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的有效值為：

E0=E0max*cosd

　　E0max是定子合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子繞組軸線重合時(shí)的感應(yīng)電勢，此時(shí)達(dá)到最大。

 
圖３定子合成軸線與輸出繞組軸線夾角

　　通常把d=90°（與定子B垂直）的位置作為協(xié)調(diào)位置，偏離此位置的角度叫失調(diào)角g，g=90°-g。

E0=E0max*cosg=E0max*sing

　　由于接收機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)，即θ2保持恒定。所以接收機(jī)輸出電動(dòng)勢的大小反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度，輸出電動(dòng)勢的極性反映了發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)了將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

2、力矩式自整角機(jī)工作原理

　　帶電的閉合導(dǎo)體在交變磁場中會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢并產(chǎn)生電流，載流導(dǎo)體在磁場中將受到安培力的作用。因此在控制式自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組也施加交流激磁電壓時(shí)，接收機(jī)的轉(zhuǎn)子就可以帶動(dòng)一定的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。力矩式自整角機(jī)就是利用這個(gè)原理進(jìn)行工作的（圖4為力矩式自整角機(jī)的工作原理圖）。

 
圖4力矩式自整角機(jī)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)生的合成磁場應(yīng)該是B和B‘的疊加。
　　為分析方便將ZLJ中的B分解成兩個(gè)分量，直軸分量B*（1-cosd）與轉(zhuǎn)子電流i_f相互作用產(chǎn)生電磁力，但不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。交軸分量B*cosd與i_f相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

 
圖6轉(zhuǎn)子電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

　　在該轉(zhuǎn)矩作用下使失調(diào)角d減小，當(dāng)其為零后B*sind=0，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；當(dāng)d=90°時(shí)，產(chǎn)生最大整步轉(zhuǎn)矩，最大整步轉(zhuǎn)矩用Tm表示，那么接收機(jī)的整步轉(zhuǎn)矩可以表示為

 T=Tm*sind

1、控制式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

　　（1）電氣誤差Δre

　　自整角發(fā)送機(jī)定子繞組中的感應(yīng)電勢理論值滿足：
　　E1 = E cosq1     E2 = Ecos (q1 +120°)     E3 = E cos (q1 -120°)
　　但由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等因素的影響，各組線電勢的實(shí)際值不等于理論值。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子使其偏離給定的電氣角，直到實(shí)際的線電勢和理論值相等。將電氣角和實(shí)測角相比，超前為正誤差，滯后為負(fù)誤差。每隔15°測一次。正、負(fù)最大誤差絕對值之和的一半定義為發(fā)送機(jī)的電氣誤差，Δd_m為最大誤差。

Δre=（|+Δd_m|+|-Δd_m|）/2

　?。?）零點(diǎn)位電壓U0

　　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或殘余電壓。一般有50～180 mV的殘余電壓。

　?。?）比電壓Uθ

　　ZKJ在協(xié)調(diào)位置附近單位失調(diào)角（取 g=1°）時(shí)的輸出電壓稱為比電壓Uθ，比電壓大同樣大小的失調(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Φ

　　輸出相位移是指ZKJ輸出電壓的基波分量對ZKF勵(lì)磁電壓基波分量的時(shí)間相位差。目前，國產(chǎn)ZKJ的輸出相位移為2°～20°。 

　?。?）速度誤差Δrv

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于發(fā)送機(jī)定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生切割電勢，并在兩定子繞組中產(chǎn)生附加電流和磁場，因而在ZKJ輸出繞組中感應(yīng)電勢，稱為速度電勢。由于速度電勢的存在，使得ZKJ轉(zhuǎn)子最后所處的位置不是g=0的地方，而是偏離協(xié)調(diào)位置Δrv。這樣，就造成了速度誤差Δrv。轉(zhuǎn)速越高，速度電勢越大，速度誤差也越大。

2、力矩式自整角機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

　　（1）阻尼時(shí)間td

　　指強(qiáng)迫接收機(jī)轉(zhuǎn)子失調(diào)(177±2)°，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。

　?。?）零位誤差Δθ₀

　　當(dāng)ZLF的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后，在理論上，從線電動(dòng)勢為零的某一位置(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(Eab或Ebc或Eca)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。

　　（3）比整步轉(zhuǎn)矩T_θ

　　指力矩式自整角發(fā)送機(jī)和接收機(jī)在協(xié)調(diào)位置附近失調(diào)角為1°時(shí)所產(chǎn)生的整步轉(zhuǎn)矩。即

 T_θ=Tm*sin1°

　　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。

　?。?）靜態(tài)誤差 Δθ_s
　　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°。 

　　圖７是雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)示意圖。圖中自整角發(fā)送機(jī)2轉(zhuǎn)軸直接與雷達(dá)天線的俯仰角α耦合，因此雷達(dá)天線的俯仰角α就是自整角發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角?？刂剖阶哉墙邮諜C(jī)1轉(zhuǎn)軸與由交流伺服電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)負(fù)載（刻度盤5或火炮等負(fù)載）的軸相連，其轉(zhuǎn)角用β表示。接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸出電動(dòng)勢E2（有效值）與兩軸的差角γ即α-β近似成正比，即

E₂=K(α-β)=K*γ…………時(shí)鐘K為常數(shù)

　　E₂經(jīng)放大器放大后送至交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組，使交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡灰痢佴?，即γ≠0，就有E₂≠0，伺服電動(dòng)機(jī)便要轉(zhuǎn)動(dòng)，使γ減小，直至γ=0。如果α不斷變化，系統(tǒng)就會(huì)使β跟著aα變化，以保持γ=0，這樣就達(dá)到了轉(zhuǎn)角自動(dòng)跟蹤的目的。只要系統(tǒng)的功率足夠大，接收機(jī)上便可帶動(dòng)火炮一類阻力矩很大的負(fù)載。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間只需三根連線，便實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離顯示和操縱。

圖7雷達(dá)俯仰角自動(dòng)顯示系統(tǒng)原理圖

1—自整角接收機(jī)；2—自整角發(fā)送機(jī)；3—交流伺服電動(dòng)機(jī)；4—放大器；5—刻度盤；6—減速器

　　圖9為自整角機(jī)電氣參數(shù)測試原理圖。自整角機(jī)的測試包括勵(lì)磁繞組及整步繞組的電壓、電流、頻率、功率、諧波及相關(guān)相位角等參數(shù)。同時(shí)，通過相關(guān)上位機(jī)軟件運(yùn)算，還可計(jì)算出電氣誤差、零位電壓、比電壓、輸出相位移、速度誤差、零位誤差、靜態(tài)誤差等參數(shù)。

圖9自整角機(jī)電氣參數(shù)測試原理圖