第三章 自整角机测控系统

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1、第三章第三章 自整角机测控系统自整角机测控系统 【本章教学目标与要求】 1. 了解自整角机测控系统的发展历史 2. 掌握自整角机测控系统的基本构成与工作原理 3. 掌握自整角机的基本原理和基本结构 4. 了解自整角机测控系统的一般应用本章知识架构 自整角机测控系统自整角机结构及分类控制式自整角机力矩式自整角机系统比较运行原理硬件设计工作原理数学模型软件设计运行原理系统构成系统构成与发展自整角机图例b 力矩式接收机 a 力矩式发送机C控制式自整角机d控制式自整角机3.1 自整角机概述 自整角机的分类 自整角机的结构 控制系统对自整角机的技术要求 3.1.1 自整角机的分类 力矩式自整角机 控制式

2、自整角机 力矩式自整角机图3-2 位置指示器 力矩式自整角机分类 力矩式发送机LF 力矩式差动发送机LCF 力矩式差动接收机LCJ 力矩式接收机LJ 控制式自整角机 图3.3 自整角机伺服系统的基本回路 KF控制发送机；KB控制变压器；A放大器；G减速齿轮；SL伺服电动机控制式自整角机分类 控制式发送机KF 控制式差动发送机KCF 控制式自整角变压器KB 3.1.2 自整角机的结构 图3.4 “一刀通”式结构1-挡圈；2-轴承；3-定子；4-转子；5-端罩自整角机的结构图3.5 装配式结构1-挡圈；2-保护板；3-机壳；4-转子；5-定子；6-端盖；7-挡圈；8-轴承；9-端罩自整角机的结构图

3、3.6 自整角机主要结构部件 3.1.3 控制系统对自整角机的技术要求 有较高的静态和动态转角传递精度 有较高的比力矩和最大同步力矩 要求阻尼时间短 在运行过程中无抖动、缓慢爬行、粘滞等现象 能在一定的转速下运行而不失步 要求从电源取用较小的功率和电流 力矩式自整角机 控制式自整角机 电气误差尽可能小 剩余电压的基波值及总值尽可能小 控制式变压器应有较高的比电势和较低的输出阻值，以满足放大装置对灵敏度的要求 控制式变压器应有较高的输入阻抗，控制式发送机应有较低的输出阻抗；控制式差动发送机的阻抗应与发送机和变压器的阻抗相匹配 速度误差要小 3.2 控制式自整角机 控制式自整角机的工作原理 带有差

4、动发送机的控制式自整角机的工作原理 在随动系统中广泛采用了由伺服机构和控制式自整角机组合的结构 3.2.1 控制式自整角机的工作原理 图图3.73.7假定：1. 电机磁路不饱和； 2. 励磁电压为时间的正弦函数； 3. 气隙磁密为空间的正弦函数； 4. 发送机与接收机为完全相同的两台电机。 3.2.1.1 控制式自整角发送机的工作原理 )120cos()120cos(cos321mFmFmFEEEEEE定子三相绕组中电势 时间上同相位 大小与绕组所在空间位置有关 有效值为 定子三相绕组中形成电流 )120cos()120cos()120cos()120cos(coscos11331122111

5、1mmFFmmFFmmFFIZEZEIIZEZEIIZEZEI总总总总总总定子绕组产生磁势 )120cos()120cos(cos131211mFmFmFFFFFFFmWmIWKF22时间上同相位，空间相差120 度其中：相电流产生的磁场 1. 两极脉振磁场2. 它的轴线与对应相绕组的轴线重台3. 磁场的脉振频率等于定子绕组电流的频率，也 等于电源的频率。4. 各相脉振磁场在时间上同相位，但它们的幅值 各不相同，与转子的位置有关 合成磁势 图3.8 定子磁场的分解与合成 )120sin()120sin(sin)120cos()120cos(cos133122111133122111FYFFYF

6、FYFFXFFXFFXFFFFFFFFFFFFFX、Y轴分量x轴方向和y轴方向的总磁势的瞬时值 0sin120sin()120cos(120cos)120cos(sincossin)(sin23sin)120(cos)120(coscossin)(111111321121212321tFtFFFftFtFtFFFfmyFyFyFFymmXFXFXFFX定子合成磁场具有以下特点： 1. 合成磁场在x轴方向，即在励磁绕组轴线上，它的方向和励磁磁场的方向相反；由于励磁绕组轴线和定子 D1 相轴线的夹角为1，因而定子合成磁势 Ff 的轴线与 D1 相轴线的夹角也为1 2. 由于合成磁场的位置在空间固定

7、不变，其大小又是时间的正弦函数，所以合成磁场是一个脉振磁场 3. 合成磁势的幅值恒为3 Fm 2，它与励磁绕组轴线相对于定子的位置 1 无关。 3.2.1.2 控制式自整角接收机的工作原理 图3.9 控制式自整角机发送机、接收机定子合成磁势 接收机 接收机定子合成磁势 Fj 的轴线与相轴线 D1 的夹角也为1 ，但方向与发送机定子合成磁势的方向相反，见图3.9所示。 已知接收机输出绕组轴线与 D1 相轴线夹角为 90 + 2 ，因而接收机定子合成磁场对输出绕组轴线的夹角为90 + 2 - 1 。这也就是发送机励磁绕组与接收机输出绕组轴线间的夹角合成脉振磁场在输出绕组中感应出电势，其有效值为 s

8、in)sin()90cos(22121222mmmEEEE 失调角， E2m 定子合成磁场与输出绕组轴线一致时感应电势的有效值控制式自整角机的主要性能指标 1. 剩余电压 2. 比电压 3. 输出相位移 4. 静态误差 图3.10 控制式自整角机输出电势与失调角关系 3.2.2 带有差动发送机的控制式自整角机的工作原理 图3.11 带有差动发送机的控制式自整角机工作原理图 3.3 力矩式自整角机 力矩式自整角机的工作原理 阻尼绕组 力矩式自整角机的性能指标 3.3.1 力矩式自整角机的工作原理 简化 假设一对自整角机的结构相同，参数一样； 忽略磁路饱和的影响，忽略磁势和电势中的搞次谐波影响；

9、假定自整角机气隙磁通密度按争先规律分布； 忽略电枢反应。3.3.1.1 整步绕组的电势、电流 发送机定子绕组感应电势 )120cos()120cos(cos131211mFmFmFEEEEEE接收机定子绕组感应电势 )120cos()120cos(cos232221mJmJmJEEEEEE式中Em 定子绕组轴线与励磁绕组轴线重合时定子绕组感应电势的有 效值1 发送机转子位置角2 接收机转子位置角)120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos213332122221111mJFmJFmJFEEEEEEEEEEEE两机定子绕组内的电势差为 形成电流的有效值为 )1

10、20cos()120cos(2)120cos()120cos(2)cos(cos2213321222111IZEIIZEIIZEI式中 Z 定子每相绕组的阻抗； I 相电流的最大有效值，I Em / 2Z；3.3.1.2 磁势 每相的磁势幅值分别为 )120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos213212211FFFFFFJJJ在x轴（d轴）及y轴（q轴）上的分量合成分别为 )120sin()120sin(sin)120cos()120cos(cos232221232221JJJJyJJJJxFFFFFFFF代入合成得sin23)cos1 (23FFFFJy

11、Jx式中， = 1 - 2 ，称为失调角 合成磁势的幅值为 2sin2322FFFFJyJxJ3.3.1.3 转矩 sinKTem电磁转矩 由于电磁转矩 Tem 的作用，接收机转子将产生转动。直到两机励磁绕组轴线一致即 = 0时， Tem 0，转子停转。如果发送机转子不断转动，则接收机转子也随着转动，从而实现了随动的目的。由于电磁转矩 Tem 使得失调角减小，因此也称整步转矩。它与失调角的关系如图3.14所示。 图3.13 电磁转矩的形成 图3.14 整步转矩与失调角的关系 3.3.2 阻尼绕组 凸极式转子的阻尼绕组 隐极式转子的阻尼绕组 3.3.3 力矩式自整角机的性能指标 1精度 2比整步

12、转矩 3阻尼时间3.4 自整角机测控系统及应用 雷达方位角测量系统组成 自整角机的测角与控制 轴角/数字转换电路的硬件设计 软件设计 本节以一个基于自整角机的雷达方位角测量系统来说明自整角机测控系统及其应用。 3.4.1雷达方位角测量系统组成 图3.15 雷达方位角测量系统组成3.4.2自整角机的测角与控制 图3.16自整角机的示意图10203sinsinsinsin(120 )sinsin(120 )smsmsmVVtVVtVVt假设在自整角机转子一侧加励磁电压VR = Vm sin t，则在定子一侧将感应出同频信号 自整角机隔离转换电路原理图 3.4.3 轴角/数字转换电路的硬件设计 控制

13、单片机MSP430F149是轴角/数字转换电路的中心处理单元，负责将自整角机隔离电路产生的正、余弦信号转换成二进制数字信号，转换控制电路如图3.18所示，单片机采用3.3 V供电。 自整角机隔离转换电路完成的正弦和余弦信号以及参考信号，通过单片机的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7口进行输入、存储，并经单片机MSP430F149的处理模块处理数据，将处理完的二进制数字量通过单片机的P2.1、P2.2、 P3.0、 P3.1、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5输出，外部读写数据先读低8位，再读高8位，单片机再将处理完的数据通过P3.6、P3.7、P2.3、P2.4、P1.0、P1.1、P

14、1.2和P1.3口送给雷达显示模块。这样，雷达转动的方位角就可以实时地在雷达终端显示，为操作者了解航向提供了有力的数据。 单片机控制转换电路图 3.4.4 软件设计 系统运行过程中,软件程序不断发送指令信号,采集到自整角机/数字转换器发送的数字信号后,经过一定的运算规则转换成对应角度,输入到显示设备并同时供给其他子程序调用实时测量的角度值。具体角位置测量步骤如下:首先,程序发送读指令信号给转换器,经一定延时后,转换器的数字输出端出现有效数值;然后,程序读取该数据并进行处理,得到对应的测量角度值;最后,取消读指令信号,同时显示角度值,该值可供其他子程序调用。软件设计采用C编程,角度测量采用模块化设计,可很好地嵌入综合检测系统软件中。软件流程如下图所示。