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第5章 自整角机
本章主要介绍各种典型的自整角机的结构、工作原理和使用方法。主要内容为： ? 力矩式自整角机 ? 控制式自整角机 ? 数字式自整角机 ? 自整角机的应用
本章重点为自整角机的磁势分析和转矩分析；控制式自整角机工作原理；数字式自整角机的常用控制芯片。
自整角机是测量机械转角的控制电机。与旋转变压器不同的是，非数字式自整角机必须至少两台才能正常工作。当两台自整角机的定子绕组，即整步绕组按一定方式连接在一起时，只要两台自整角机的转角存在差值，就会有相应的输出。
根据两台自整角机的转子绕组，即励磁绕组的连接与否，输出的形式也有所不同。 如果两台自整角机的励磁绕组连接在一起，加上同样的励磁电压，那么当两台自整角机的转角存在差值时，输出是力矩的形式。该力矩会使两台自整角机转动，直到两台自整角机转角的差值为0时，该力矩也降为0，自整角机转动停止。可以看到，这种连接方式下自整角机的工作特点是转角存在差值时，能自动对齐转角。这也是自整角机名称的由来。
在这种连接方式中，把主动引起转角差值的一台自整角机称为力矩式发送机，引起转角差值的因素是外界力量，也就是被测的转角量。把被动对齐转角的一台自整角机称为力
矩式接收机。力矩式接收机上如果接一个指针，就可以实时得知被测的转角的大小。由于控制电机本身的体积和功率都较小，因而输出的力矩也较小，在需要带动大负载的时候就必须采取改进措施。
如果两台自整角机的励磁绕组没有连接在一起，一台自整角机的励磁绕组加上励磁电压，另一台自整角机的励磁绕组悬空。那么当两台自整角机的转角存在差值时，输出是电压信号的形式，电压信号从另一台自整角机的励磁绕组输出。该电压信号与转角的差值存在一定的函数关系。可以看到，这种连接方式下自整角机的工作特点是转角存在差值时，能输出与转角差值对应的电压信号。
在这种连接方式中，把主动引起转角差值的一台自整角机称为控制式发送机，引起转角差值的的因素仍然是外界力量。把被动对齐转角的一台自整角机称为控制式接收机，也称为控制式自整角变压器，简称自整角变压器。自整角变压器的工作方式是整步绕组输入电压，励磁绕组输出电压，实质是一台变压器。因为电压信号可以放大并驱动大功率伺服电机，有效地克服了力矩式自整角机的局限，使用更加灵活，是自整角机应用的主要形式。
5.1 力矩式自整角机的结构和工作原理
力矩式自整角机的结构包括定子和转子。力矩式自整角机的工作原理是自整角机内部存在两种磁场相互作用，从而产生力矩。
5.1.1 力矩式自整角机的结构
力矩式自整角机的典型结构，如图5-1所示。
力矩式自整角机的定子铁心和转子铁心是由高磁导率、低损耗的薄硅钢片冲制后，经涂漆、涂胶叠装而成。图5-1中所示的为电机截面图。
转子凸极式定子凸极式隐极式图5-1 力矩式自整角机的典型结构
为保证在薄壁情况下有足够的强度，机壳采用不锈钢筒制成或者采用铝合金制成。机壳通常加工成杯形，即电机的一端有端盖，可以拆卸，另一端是封闭的。轴承孔分别位于端盖和机壳上。电机在制造时应保证定、转子有较高的同心度。自整角机的滑环是由银铜合金制成，电刷采用焊银触点，以保证接触可靠。
力矩式自整角发送机和接收机大都是采用两极的凸极式结构。选用两极电机是为了保证在整个圆周范围内有唯一的转子对应位置，从而达到准确指示。只有在频率较高而尺寸又较大的力矩式自整角机中才采用隐极式结构。
凸极式结构又可分为转子凸极式结构和定子凸极式结构两种。定子凸极式结构要求将单相励磁绕组放置在定子凸极铁心上，三相整步绕组放置在转子隐极铁心上，并由三组滑环和电刷引出，滑环和电刷数目太多，易出故障，较少采用。
转子凸极式结构力矩式自整角机可以在定子铁心上放置三相整步绕组，转子凸极式铁心上放置单相励磁绕组，并由两组滑环和电刷引出，滑环和电刷数目较少，因此故障率较低，在实际中得到了广泛的采用。工作时，励磁绕组接入单相交流电源励磁。
5.1.2 力矩式自整角机的工作原理
力矩式自整角机的原理图如图5-2所示。假定各相整步绕组参数相同，两台自整角机参数相同。
在自整角机中，以a相整步绕组轴线和励磁绕组轴线之间的夹角，作为转子的转角。如图5-2所示，发送机转子的转角为θ1，接收机转子的转角为θ2， 发送机和接收机转角
的差值，称为失调角θ，定义为
θ =θ
1 －θ2 (5-1)
自整角机的整步绕组为星形连接，图5-2中特意画出中线，是为了分析方便，实际应用中并没有接这条线，这是有原因的，后面的分析将会说明这一点。由于中线的存在，在两台自整角机之间就构成了三个回路。它们分别是a相整步绕组回路，b相整步绕组回路，c相整步绕组回路。
~θ1励磁绕组θ2IaaIaE1aE2aaIa整步绕组cIc发送机bIbcb接收机图5-2 力矩式自整角机原理图
由于各相整步绕组回路参数相同，先以a相整步绕组回路进行分析。
在a相整步绕组回路中，电流的有效值Ia应为两台自整角机的感应电势的有效值的差值与a相整步绕组回路阻抗2Za的比值，按图5-2的参考方向，有：
Ia?E2a?E1a (5-2) 2Za式中，E2a —— 接收机感应电势的有效值；
E1a —— 发送机感应电势的有效值；
Za —— a相整步绕组的阻抗。