摘要：運(yùn)用永磁低速同步電動(dòng)機(jī)和自整角機(jī)測(cè)角位移的工作原理來實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，PLC A/D工作模塊的工作原理調(diào)控控制系統(tǒng)，通過PLC技術(shù)、伺服系統(tǒng)位置測(cè)量技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，形成了機(jī)電一體化的實(shí)踐平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：隨動(dòng)系統(tǒng)；永磁同步低速電動(dòng)機(jī)；自整角機(jī)；PLC A/D模塊

中圖分類號(hào)：TP275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 (2012) 14-0071-01

對(duì)于自整角機(jī)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，在以往是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)來控制的，本項(xiàng)目通過機(jī)電一體化隨動(dòng)控制系統(tǒng)來改變機(jī)械位置或角度。這樣的裝置耗能少、工作效率高。

一、角位移隨動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與總體設(shè)計(jì)原理

（一）角位移隨動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前的角位移隨動(dòng)控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的刀具給進(jìn)和工作臺(tái)的定位控制，工業(yè)機(jī)器人的工作動(dòng)作，工業(yè)自動(dòng)導(dǎo)引的運(yùn)動(dòng)，國防上的雷達(dá)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火炮瞄準(zhǔn)等。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)集成制導(dǎo)系統(tǒng)（CIMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等領(lǐng)域，位置隨動(dòng)系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。位置隨動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩類，開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡單，但其在跟隨精度上可能不如閉環(huán)控制系統(tǒng)。但對(duì)于一般系統(tǒng)而言開環(huán)系統(tǒng)足矣。

（二）總體設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的角位移隨動(dòng)系統(tǒng)采用開環(huán)設(shè)計(jì)，首先，通過兩臺(tái)同步電機(jī)分別對(duì)兩根軸驅(qū)動(dòng)，兩根軸分別帶動(dòng)三相對(duì)接的兩臺(tái)自整角機(jī)的轉(zhuǎn)子，當(dāng)兩根軸的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，輸出交流誤差電信號(hào)，并將此交流電信號(hào)經(jīng)過相敏解調(diào)器轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，再輸入PLC的AD模塊，最后通過PLC驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，消除轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，使兩根軸達(dá)到同步隨動(dòng)的效果。

二、自整角機(jī)的選用及其工作原理

（一）自整角機(jī)介紹

自整角機(jī)是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴赊D(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角的感應(yīng)式微型電機(jī)，在伺服系統(tǒng)中被用作測(cè)量角度的位移傳感器。自整角機(jī)還可用以實(shí)現(xiàn)角度信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸、變換、接收和指示。兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)通過電路的聯(lián)系，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸自動(dòng)地保持相同的轉(zhuǎn)角變化，或同步旋轉(zhuǎn)。

（二）自整角機(jī)選用

基于本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：兩臺(tái)自整角機(jī)的勵(lì)磁繞組沒有連接在一起，一臺(tái)自整角機(jī)的勵(lì)磁繞組加上勵(lì)磁電壓，另一臺(tái)自整角機(jī)的勵(lì)磁繞組懸空。那么當(dāng)兩臺(tái)自整角機(jī)的轉(zhuǎn)角存在差值是，輸出的是電壓信號(hào)的形式，電壓信號(hào)從另一臺(tái)自整角機(jī)的勵(lì)磁繞組輸出。該電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)角的差值存在一定的函數(shù)關(guān)系?？梢钥吹?，這樣的連接方式下自整角機(jī)的工作特點(diǎn)是轉(zhuǎn)角存在差值時(shí)，能輸出與轉(zhuǎn)角差值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。

（三）控制式自整角機(jī)工作原理

控制式自整角機(jī)發(fā)送機(jī)的勵(lì)磁繞組由單相交流電源勵(lì)磁，其三相整步繞組和自整角變壓器的整步繞組對(duì)應(yīng)相接。自整角機(jī)發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度，自整角機(jī)變壓器偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)時(shí)輸出的電壓為零；當(dāng)時(shí)，在輸出繞組中的輸出電壓為，其中失調(diào)角，即發(fā)送機(jī)與自整角變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角偏差，為最大輸出電壓的有效值?？梢姡ㄟ^控制式自整角機(jī)能夠在圖中右端的自整角變壓器繞組中輸出關(guān)于兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角偏差正弦關(guān)系的交流電信號(hào)。接著，就是將此交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)。

三、相敏解調(diào)器的選用及其工作原理、接線

在伺服系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行元件常采用直流伺服電機(jī)，且上述輸出的為交流電信號(hào)，因此采用相敏解調(diào)器才能實(shí)施有效控制。目前，能實(shí)現(xiàn)此功能的相敏整流可以用二極管、三極管或集成運(yùn)放等組成。根據(jù)電路的工作原理，可分為開關(guān)式、模擬乘法器式和集成芯片等幾種?；谶@幾種的共同效果，從小巧簡潔方便、經(jīng)濟(jì)的角度，本系統(tǒng)選用了由國營691廠生產(chǎn)的LZX1芯片，除此之外還有美國AD公司生產(chǎn)的AD630芯片和MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC1496、MC1596等都能達(dá)到系統(tǒng)要求。

LZX1芯片工作原理，它由一個(gè)包括方波發(fā)生器和斬波管在內(nèi)的相敏解調(diào)器和運(yùn)算放大器組成。經(jīng)過運(yùn)算放大器輸出的直流電壓不僅與輸入交流信號(hào)電壓幅值成正比，而且與輸入交流信號(hào)的相位有如下關(guān)系：，其中k為整流系數(shù)；為輸入交流電壓幅值；θ為輸入電壓與參考電壓間的相位差。正如圖4，即為芯片斬波器和運(yùn)算放大器的輸入/輸出波形，很好的反應(yīng)了LZX1芯片輸出直流信號(hào)各時(shí)刻波形。下面介紹此芯片的使用接線。

C1為消振電容，容值一般為51pF，耐壓值為63V；C2為濾波電容，一般選用容值為0.1μF、耐壓160V的電容；2腳為參考電壓輸入端，由交流轉(zhuǎn)換器繞組輸入一個(gè)與輸入信號(hào)電壓Usr頻率一致的參考電壓，使得獲得的直流電壓Usc的正負(fù)極性與Usr的正反相位相對(duì)應(yīng)；1、5腳為交流信號(hào)輸入端；9、10腳為直流信號(hào)輸出端；8、13端使用正負(fù)15V的直流電源供電以使芯片工作；最后，還需在輸入處接入電阻以使輸入電壓限定在芯片工作范圍內(nèi)（實(shí)際為6V）。那么，經(jīng)過了LZX1芯片后，即獲得了PLC AD模塊所需的直流電信號(hào)。

四、PLC選用及程序

在PLC的選用上，本系統(tǒng)選用了FX1S-14MR型號(hào)，基于其小巧功能完善的特點(diǎn)，并加入了AD轉(zhuǎn)換模塊以達(dá)到本系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。

五、驅(qū)動(dòng)電機(jī)

永磁低速同步電機(jī)是一種無減速齒輪裝置，由電機(jī)直接得到低轉(zhuǎn)速的新型同步電機(jī)。

他們具有以下特點(diǎn)：（1）封閉式結(jié)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，工作可靠，使用壽命長，無需維護(hù)，尤其適合在某些特殊條件下使用。（2）啟動(dòng)逆轉(zhuǎn)以及不同負(fù)載時(shí)輸入電流比較穩(wěn)定，可以在頻繁的啟動(dòng)停止以及逆轉(zhuǎn)的條件下工作，即使堵轉(zhuǎn)一不易燒壞。（3）啟動(dòng)，停止和逆轉(zhuǎn)的相應(yīng)時(shí)間非常短，一般10-50毫秒以內(nèi)，因此可以作為伺服電機(jī)使用，配合脈沖電源供電還可以作為步進(jìn)電機(jī)使用。（4）若使用變頻電源供電，將能獲得不同的同步轉(zhuǎn)速，如需更低速還可配專用齒輪箱和專用變頻器。（5）具有自鎖力矩，廣泛應(yīng)用于儀器儀表，舞臺(tái)燈光，醫(yī)療機(jī)械及機(jī)床進(jìn)給，閥門驅(qū)動(dòng)等。

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[作者簡介]陸晨（1991.1-），男，上海市嘉定區(qū)人，大學(xué)本科學(xué)歷。