高精度轴角测量系统--

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高精度轴角测量系统

http://www.any17.com 2006-08-30 14:59:41.0

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0　引言

　　在自动控制系统中，经常需要对角度进行测量和传输，用于轴角数据测量的装置很多，用自整角机组成的轴角测量系统具有工作范围宽，能够直接传递360°圆周角的位移信息，而且在远距离传输信息时无需机械联系。用于轴角测量时由自整角发送机和自整角接收机组成。

1　控制式自整角机基本原理

　　控制式自整角机的电路连接如图1所示。

图1　控制式自整角机接线图

　　发送机激磁绕组接400Hz，200V激磁电源，转子绕组轴线与定子D1相轴线夹角为θ1时，激磁电流在发送机铁心内产生脉振磁场，磁场轴线与激磁绕组轴线一致。此脉振磁场在定子三相绕组中感应出大小不同的三个同相电势：

E1＝Ecosθ1
E2＝Ecos（θ1＋120°）
E3＝Ecos（θ1＋240°）

式中：E为定子绕组轴线与激磁绕组轴重合时该相电势有效值。由于发送机和接收机定子三相绕组对应连接，所以必定在定子绕组中产生三相电流I1，I2与I3，而电流也要产生磁场。定子一相绕组所产生的磁场和激磁场相似，也是两极脉振磁场。三相绕组所形成的脉振磁场用磁密空间向量B1，B2及B3表示，其长度分别为

B1＝Bmcosθ1
B2＝Bmcos（θ1＋120°）
B3＝Bmcos（θ1＋240°）

式中：Bm为轴线重合时磁密最大值。而沿激磁绕组轴线方向总的磁密向量长度BX为
　BX＝B1X＋B2X＋B3X
　　＝B1cosθ1＋B2cos（θ1＋120°）＋B3cos（θ1＋240°）
　　＝Bm［cos2θ1＋cos2（θ1＋120°）＋cos2（θ1＋240°）］
　　＝3Bm／2
　　合成脉振磁场幅值为3Bm／2，它和转子对定子的相对位置无关，方向与激磁绕组轴线一致。同时可以证明：与激磁绕组轴线正交的三个磁密向量总长度为零。
　　由于发送机和接收机定子三相绕组是对应连接的，因此各对应相的电流应该是大小相等，方向相反。接收机合成磁场的轴线与D1的夹角也为θ1，但方向与发送机中的合成磁场相反。已知接收机输出绕组轴线对D1相夹角为θ2，因此接收机合成磁场对输出绕组轴线的夹角为δ＝θ2－θ1，表示发送轴与接收轴的转差角。合成磁场在输出绕组中产生的感应电势有效值为

E2＝E2maxcosδ

　　显然，当发送机与接收机转差角为零时，E2最大。做控制连接时，通常把δ＝90°作为协调位置，而偏离90°的角度叫失调角γ。此时

E2＝E2maxcosδ＝E2maxsinγ

其瞬时值e2为

e2＝E2maxsinγsinωt

式中：ω为激磁电源角频率。具有不同失调角时输出电压波形如图2所示。

图2　失调电压波形图

　　固定接收机传子，并将绕组输出失调电压进行相敏检波，A／D变换，可以算出发送机失调角γ，但这种方法精度低，Δγ为±30′。利用精、粗双支路组成的角度测量系统，其Δγ可达到±30″，适用于精度要求较高的雷达角度测量和随动系统。

2　双支路角度测量系统组成

　　双支路角度测量系统电路组成如图3所示。

图3　精粗双支路角度测量系统

　　图中，D1为粗示支路自整角发送机，其轴子与雷达方位角通过齿轮联系。D3为粗支路自整角接收机，三相定子绕组对应连接。D1激磁绕组接400Hz，200V电源。D2为精示支路发送机，D4为精示支路接收机，D2与D4三相定子绕组对应连接。D2激磁绕组与D1激磁绕组并接400Hz，200V电源。发送机的D1到D2转子，接收机的D3到D4转子分别通过齿轮传动，传动比为1∶30，即D1转过角，D2则转过30角。
　　接收端设置综合级，放大器和两相异步电动机。
　　综合级的作用是区分选用失调电压，当失调大于3°时，选用粗示接收机输出的失调电压；而失调角小于3°时，选用精示接收机输出的失调电压。综合级输出的失调电压经放大器放大后加到两相异步电机的控制绕组使其转子转动，转子经过200∶1减速带动粗示精示接收机转子消除失调角。
　　放大器在放大误差信号的同时，必须保证原信号相位不变，即由正转和反转形成的失调电压相差180°，两者使两相异步电机的转向也是相反的，这样才能保证接收机转子始终朝失调减小的方向转动。
　　当发送机转轴由协调位置转过γ角时，接收机转子便输出一个交变电势E2（E2＝E2maxsinγ），E2经综合级、放大器放大后控制两相异步电机转动并通过减速器带动接收轴朝失调角小的方向转动，直到γ＝0，E2＝0两相异步电机停止转动。发送轴再转动重新形成失调角，两相异步电机得到控制电压，再将失调角消除，这就达到了接收机转轴自动跟踪发送机转轴的目的。在接收机转轴装上精、粗示刻度盘，其指针就指示出发送端任一瞬时的方位角。若在接收机转轴上接数字码盘，可得到高精度数字量。

3　误差分析

　　由于自整角机气隙磁密沿定子内圆非正弦分布，定子内圆和转子外圆的椭圆度，铁芯导磁性不均匀引起的磁场畸变，三相定子绕组阻抗不对称等原因都会导致接收机定子磁场方向与激磁绕组轴线方向不一致和气隙磁密分布谐波。这样，当发送机和接收机处在协调位置时（γ＝0），接收机输出绕组仍有电压输出，而继续转动接收机转子，使电压等零时，则出现静态误差角，对于一级品自整角机有±10′的误差，即±10′的“失灵区”。而由“失灵区”引起的误差不能用增大系统放大量的办法来减小。采用双支路测量系统后，当粗支路进入“失灵区”时，精示支路自整角机的失调角为（±10′）×30＝±5°，当精支路再进入“失灵区”时才是双支路因“失灵区”引起的静差，这一静差为±10′／30＝±0.3′与只有粗支路相比，系统精度提高了30倍。

4　180°误差的消除

　　由图4可见，当失调角由0°变化到360°时，粗示支路误差电压有两个电压幅值为零的点，即γ＝0°及180°两处，而精示支路误差电压有60个电压幅值为零的点，即γ＝0°及γ为6°整数倍各点。系统正常工作时，只要出现失调角，输出轴就朝失调角减小的方向转动，直到γ＝0，而把γ＝0的点叫真零点，也叫稳定点。系统若工作在180°点时，称为假零点，也叫不稳定点。对于精示支路，在失调角由0°到360°变化时，将有30个真零点和30个假零点。由于粗支路的假零点和精支路的第16个真零点重合，这样180°的假零点便成了稳定点，系统会产生180°误差。消除180°误差的方法是利用“移零电压”（400Hz幅值为1°30′失调角电压值）与粗支路输出绕组串联，迭加后使其真零点前移1°30′，假零点后移1°30′。为了使合成的真零点与精示电压的第一个真零点重合，再将粗支路接收机的定子逆时针方向转动1°30′，使合成电压整个后移1°30′，如图4e所示，合成电压零点移到183°处，与精示电压第16周正半周最大值相对应。偏离了精示支路的真零点，即可消除180°误差。

图4　消除180°误差波形图

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