专利名称:主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统的制作方法
本发明是关于电气设备，特别是关于基本上用于复印操纵装置的主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统。
现在公知的复印操纵装置基本上在操作者工作不安全的极限条件下运用，因此向主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统提出这样的要求诸如高可靠性、耐久性以及具有出色适应能力的操作者操作参量的一致性。主控轴和执行轴是与相应的复印操纵装置组件有运动连接的，并保证它们在空间有完全适合的位置。有时，允许出现旋转角的传输误差和在主控轴上作用力传输精确度相对不很高，允许的范围应该在人力可能做到的限度之内。然而，在执行轴上负载量可能在很宽的范围内变化。特别是在实际中操作者感觉不到它们已达到人力可能做到的限度。因此，为了保证操作者-操纵装置系统的工作性能，在工作过程中，当执行轴负载是在宽范围变化时，必须改变主控轴传输作用力的比例系数。
公知的主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括与主控轴和执行轴运动相连接的直流整流子式电动机，它们的绕组连接到放大器输出端;电动机轴方位传感器，它们与比较元件第一输入端相连接;二个转矩传感器，其中一个与比较元件的第二输入端相连接，而第二个传感器，通过为了信号成比例变化的有确定输入端的变换器，接到第二个比较元件的另一个输入端。变换器的输出端接到主控电机放大器的输入端，而比较元件的第一输出端接到执行电机放大器的输入端(И·Н·ЕГОРВ等著“双端作用跟踪系统的设计”，1980，电机建设出版社(莫斯科)第53至58页)。
在所述系统中，第一比较元件、方位传感器和带有放大器的执行电机保证旋转角的远距离传输，而第二比较元件、转矩传感器和带有放大器的主控电机保证主控轴作用力的传输。根据情况，操作者必须在确定的输入端改变变换器的传输系数，由于变换器传输系数改变了，从负载转矩传感器来的信号经变换器放大了。这样比较元件形成一个信号差，它是操作者所加转矩的信号与变换器输出端上的信号之间的信号差。由主控电机产生的正在增强的转矩保证由操作者在主控轴上所加负载的部分转矩的传输，这样相应改变主控轴上传输作用力的比较系数。但是，整流子式电动机的使用降低所述系统的可靠性和寿命，这是由于整流子式电动机有一个电刷接头，特别是在极限条件下运用时电刷接头很快损坏。转矩传感器由于本身的复杂性也同样降低系统的可靠性。
在下述系统中，所指出的上述缺点已部分地消除了。主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括与主控和执行轴运动相连接的带有轴方位传感器的主控和执行同步电机，电机输出端接到比较元件的输入端，比较元件的输出端与同步电机绕组电流形成方块的控制输入端相连接。同步电机的相应绕组相互连接，并接到电流形成方块的输出端。执行同步电机轴方位传感器的输出端与主控和执行同步电机绕组电流形成方块的确定输入端相连接(SU-A-1176425)。
所述的系统比前述的系统具有更高可靠性和耐久性的特性。这是由于运用了不包括电刷-集流子接头的同步电机，因此，系统运用在极限条件下也较为可靠。没有负载传矩的传感器也提高系统的可靠性。但是，这种系统的结构是这样的，即主控轴传输作用力的比例系数决定于负载和操作者难于估算的在执行轴上的作用力。此外，在工作过程中，操作者不可能确定比例系数值，可判断比例系数值在执行轴上负载变化的范围。
这样一种系统也是公知的，主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括主控和执行同步电机，它们的轴与相应的主控和执行轴相连接，并装有方位传感器，传感器电气连接到主控和执行同步电机的定子磁场方向确定方块的输入端和定子磁场振幅确定装置的信息输入端，振幅确定装置的输出端与主控和执行同步电机绕组电流形成方块的输入端相电气连接，电流形成方块的输入端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输出端。电流形成方块的输出端接到主控和执行同步电机的相应绕组相互电气连接点上(SU-A-1257690)。
在所述的系统中定子磁场振幅确定装置主要由比较元件组成，定子磁场方向确定方块包括加法器，它的输入端作为方向确定方块的输入端，而它的输出端接到二分频电路(cxeua geleHuя Ha gla)的输入端，电路的输出端作为方向确定方块的输出端。
所述系统的结构是这样的，主控轴传输的作用力比例系数在系统工作中保持不变，同比例系数决定于负载而改变的那样的系统相比较，执行轴上负载变化范围稍放宽一些。但是，在执行轴上负载变化的范围不允许所述系统准备在极限条件下运用的复印操纵装置中使用。此外，主控和执行同步电机的轴失调决定于操作者和负载造成的转矩，这将降低旋转角远距离传输的精确度。
本发明的基本任务是把主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传送系统改进成具有这样的主控与执行同步电机定子磁场振幅的确定装置，即它允许在远距离传输系统工作过程中，改变主控同步电机轴传输作用力的比例系数。
提出的任务是这样解决的，主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括主控和执行同步电机，它们的轴与相应的主控和执行轴相连接，并装有方位传感器，它电气连接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输入端和定子磁场振幅确定装置的信息的输入端，振幅确定装置的输出端与主控和执行同步电机绕组电流形成方块的控制输入端相电气连接，而绕组电流形成方块的输入端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输出端，绕组电流形成方块的输出端接到主控和执行同步电机的相应绕组相互的电气连接点上。根据本发明，主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置包括主控和执行同步电机轴失调量测定方块和比较方块。轴失调量测定方块的确定输入端接收相应于主控同步电机轴传输作用力比例系数的信号，信息输入端作为主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置的信息输入端，比较方块的信息输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块的信息输入端，而前者的主控输出端接到后者的输出端，该输出端作为定子磁场振幅确定装置的输出端。
远距离传输系统包括一个校正方块是适宜的，它的输入端接到主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置的输出端，校正方块的输出端接到主控和执行同步电机绕组电流形成方块的输入端。
远距离传输系统包括一个转换器和轴失调信号极性鉴别电路是有益的。转换器的信息输入端接到主控和执行同步电机的轴方位传感器。信号极性鉴别电路的一个输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块的输入端，而另一个输入端接受相应于执行与主控同步电机起动转矩比的信号，其输出端接到转换器的控制输入端。转换器的输出端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输入端和定子磁场振幅确定装置的信息输入端。
在远距离传输系统中，主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块包括串联相接的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路、乘法器和加法器是有利的。信号极性鉴别电路的输入端成为主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输入端。向乘法器的确定输入端送入相应于主控和执行同步电机转子与定子磁场之间相角的信号。加法器的一个输入端接到乘法器的输出端，另一个输入端接到主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路的一个输入端，而其输出端作为主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的输出端。
在远距离传输系统中，主控和执行同步电机轴失调量测定方块包括一个变换器、乘法器、加法器以及主控和执行同步电机轴失调信号极性的鉴别电路是有效的。变换器是把作用力比例系数变换成主控和执行同步电机转子与定子磁场之间的相角，乘法器的第一输入端与变换器的输出端电气相连接，信号极性鉴别电路的输出端接到乘法器的第二输入端，加法器的一个输入端接到乘法器的输出端，而另一个输入端接到主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路的一个输入端，鉴别电路的输入端作为主控和执行同步电机轴失调量测定方块的信息输入端，而加法器的输出端作为主控和执行同步电机轴失调量测定方块的输出端。
在远距离传输系统中，主控和执行同步电机轴失调量测定方块增加一个加法器是适宜的，它的一个输入端接到把作用力比例系数变换为主控和执行同步电机转子与定子磁场之间相角的变换器输出端，而另一个输入端接受相应于主控或执行同步电机定子磁场旋转角为90°的信号，加法器的输出端接到乘法器的第一输入端。
在远距离传输系统中，校正方块包括一个积分器、信号因数测定电路、乘法器和比较电路是合理的。信号因数测定电路的输入端接到积分器的输出端，乘法器的第一输入端接到信号因数测定电路的输出端，而第二输入端接受相应于主控和执行同步电机轴失调信号极性的信号，比较电路的第一输入端接到乘法器的输出端，而第二输入端与积分器的输入端相连接，该连接点作为校正方块的输入端，比较电路的输出端作为校正方块的输出端。
在远距离传输系统中，校正方块的乘法器第二输入端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路的输出端是有益的。
在远距离传输系统中，校正方块的乘法器第二输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路的输出端是有效的。
主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统允许改变主控轴传输作用力的比例系数，因而，可放宽在执行轴上负载变化的范围，在这种情况下，保证操作者-复印操纵装置生物技术系统的工作性能，保证在规定的负载变化范围内操作者的工作条件较为舒适，减轻操作者的疲劳度。此外，提高旋转角度远距离传输的精确度，减少完成每一工序的时间，提高每一工序完成的质量和放宽可以利用该系统完成的任务级别。
下面利用具体实施例及附图进一步说明本发明，其中图1示出本发明主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统的原理方块图;
图2示出图1所示的具有校正方块、转换器和轴失调信号极性鉴别电路的本发明系统原理方块图;
图3示出图2所示的具有主控和执行同步电机绕组电流形成方块、主控和执行同步电机轴失调量测定方块以及主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块等，本发明系统原理方块图;
图4示出图2所示的具有主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块、主控和执行同步电机轴失调量测定方块和这两个方块共有的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路以及校正方块等，本发明系统原理方块图;
图5(a，b，c，d，e，f)-在不同工作状态下(当电机绕组为反向连接时)主控和执行同步电机定子和转子的磁场矢量图;
图6(a，b，c，d，e，f)-如图5所示的在主控和执行同步电机绕组同向连接时的磁场矢量图;
图7(a，b，c，d，e，f)-如图6所示的当主控和执行同步电机转子与定子磁场之间相角小于90°时的磁场矢量图。
主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括主控和执行同步电机1、2(见图1)及其轴3、4，在所述的实施例中轴3、4是经过联轴节7、8与相应的主控轴和执行轴5、6连接。为了减少主控和执行同步电机1、2的旋转速度，它们的轴3、4与主控轴和执行轴5、6之间经过减速器(图中未标)相连接。在同步电机1、2的轴3、4上安装有方位传感器9、10，它们在电气上与主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块13的输入端11、12相连接。在所述的实施例中方位传感器9、10直接与磁场方向确定方块13的输入端11、12连接、方位传感器9、10的输出端与主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置16的信息输入端14、15相连接，输入端14、15作为主控和执行同步电机轴失调量测定方块17和比较方块18的信息输入端，并互相相应连接。比较方块18的主控输入端19接到轴失调量测定方块17的输出端。轴失调量测定方块17有输入端20，向它送入信号，该信号相应于主控同步电机1的轴3传输作用力的比例系数n。比较方块18的输出端作为定子磁场振幅确定装置16的输出端，电气上与主控和执行同步电机绕组电流形成方块22的控制输入端21相连接，定子磁场方向确定方块13的输出端接到电流形成方块22的主控输入端23。在所述的实施例中，比较方块18的输出端直接接到绕组电流形成方块22的控制输入端21。电流形成方块22的输出端上的电流量等于接入同步电机1、2每个绕组的电流量，并且同步电机1、2的相应绕组在电气上相连接，因为同步电机1、2的绕组数量是相同的，在不同类型的同步电机中绕组数可能是不同的。在图1中未标出绕组，而电流形成方块22与绕组的连接和绕组之间的电气连接假设用一条线来表示。
为了提高主控轴与执行轴5、6之间旋转角和作用力的传输精确度，比较方块18的输出端接到校正方块24(见图2)的输入端，其输出端接到绕组电流形成方块22的控制输入端21。方位传感器9、10的输出端接到转换器27的信息输入端25、26，轴失调信号极性鉴别电路29的输出端接到转换器27的控制输入端28，鉴别电路29的一个输入端接到轴失调量测定方块17的输入端20，向输入端30送入信号，该信号相应于执行和主控同步电机2、1的起动转矩比Mpi/Mpz。
定子磁场方向确定方块13包括主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路31(见图3)，在所述的实施例中，电路31由比较元件32和继电器元件33组成，比较元件32的输入端作为磁场方向确定方块13的输入端11、12，而继电器元件33的输入端接到比较元件32的输出端。继电器元件33是这样工作的，在它的输入端出现正极性信号，在输出端信号则相应为“-I”。而在它的输入端出现负极性信号，在输出端信号则相应为“+I”。继电器元件33的输出端作为失调信号极性鉴别电路31的输入端，并接到乘法器34的一个输入端上，向乘法器34的输入端送入信号，该信号相应于主控和执行同步电机1、2的转子与定子磁场之间的相角，在所述实施例中该相角等于90°。乘法器34的输出端接到加法器35的一个输入端，加法器35的另一个输入端接到信号极性鉴别电路31(即比较元件32)的一个输入端，加法器35的输出端作为定子磁场方向确定方块13的输出端。
轴失调量测定方块17包括变换器36，它将作用力比例系数变换成主控或执行同步电机转子与定子磁场之间的相角，变换器36的输入端作为轴失调量测定方块17的输入端20，变换器36的输出端电气上与乘法器37的一个输入端相连接，在所述的实施例中直接与它相连。主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路38的输出端接到乘法器37的另一个输入端，鉴别电路38的输入端作为轴失调量测定方块17的信息输入端。轴失调信号极性鉴别电路38与电路31相似，乘法器37的输出端接到加法器39的一个输入端，鉴别电路38的另一个输入端接到加法器39的另一个输入端。在所述的实施例中，鉴别电路38的输入端接到加法器39的输入端，鉴别电路38的输入端作为定子磁场振幅确定装置16的信息输入端14。加法器39的输出端作为轴失调量测定方块17的输出端。在轴失调量测定方块17指出的结构下，比较方块18由比较元件来实现，在所述的实施例中，它的一个输入端接到轴失调信号极性鉴别电路38的输入端，该输入端作为定子磁场振幅确定装置16的信息输入端15。
轴失调信号极性鉴别电路29与电路31、38类似，它包括串联的比较元件40和继电器元件41。
轴失调量测定方块17的结构决定着主控和执行同步电机1、2的相应绕组的连接特性。在所述的实施例中同步电机1、2的相应绕组，如图3所示的反向连接。因此，这个连接可以串联，也可并联。此外，如图3所示，在系统中使用了三相同步电机1、2，即有三个绕组。在这种情况下，绕组电流形成方块22的结构，如图3所示，同步电机1、2定子磁场振幅和确定方向的信息以码的方式送入它的控制的和主控的输入端21和23。
永久存储装置42的地址输入端作为绕组电流形成方块22的主控输入端23，永久存储装置42以码的方式记录同步电机1、2绕组电流脉冲的宽度和极性。装置42的输出汇流排接到脉宽码变换器44的控制输入端43，变换器44的数量等于每个同步电机1、2绕组的数量。在所述的实施例中，每个变换器44包括可读计算器45和22输入逻辑“与”电路46，计算器45的调节输入端作为变换器44的控制输入端43，双输入端的逻辑电路46的输出端接到可读计算器45的可读输入端47。计算器45接板转换输出端接到逻辑“与”电路46的输出端48，并作为变换器44的输出端。为了简化绕组电流形成方块22的结构，在图3中仅示出一个变换器44的原理电路图。
所有变换器44的输出端接到转换器50的确定脉冲宽度的输入端49，转换器50的数量等于每个同步电机1、2的绕组数量。在所述的实施例中每个转换器50包括两个双输入逻辑“与”电路51、52，其第一输入端相互连接，并作为转换器50的输入端49。逻辑“与”电路51第二个输入端接到逻辑“异或”电路53的输出端，该输出端接到变换器(uHblpTOP)54的输入端。变换器54的输入端接到逻辑“与”电路52的第二个输入端。逻辑“与”电路51、52的输出端接到开关55、56的控制输入端，开关55、56的电力输入端接到电压电源57上，而它们的输出端相互连接，并作为转换器50的输出端，如上所述，该输出端接到主控和执行同步电机1、2的相应绕组上。
逻辑“异或”电路53的第一输入端作为转换器50的脉冲宽度确定输入端58，并接到永久存储装置42相应的输出端，而第二输入端作为确定输入端59，并接到控制信号极性鉴别电路60的输出端，而电路60的输入端接到控制信号因数测定电路61的输入端。在这种情况下，电路60、61相连接的输入端作为绕组电流形成方块22的控制输入端21。全部转换器50的输入端59相互连接。为了简化绕组电流形成方块22的结构，在图中仅示出了一个转换器50的原理电路图。
控制信号因数测定电路61的输出端接到可读计算器63的调节输入端62，计算器接板的输出端接到记录的输入端和接到脉冲宽度码变换器44的脉冲频率确定输入端64，逻辑“与”电路46的第二输入端作为输入端。主控振荡器66的输出端接到可读计算器63的可读输入端65，振荡器66的输出端同样接到分频器67的输入端，分频器67的输出端接到脉冲宽度码转换器44的记录输入端68。
在符合主控和执行同步电机1、2的相应绕组互相连接的情况下，连接可以是串联的，也可以是并联的。轴失调量测定方块17包括加法器69(见图4)，它的一个输入端接到变换器36的输出端，变换器36是把作用力比例系数变换成主控或执行同步电机的转子与定子磁场之间的相角，向加法器69的另一输入端送入信号，该信号相应于主控1或执行2同步电机的定子磁场旋转角90°，而加法器69的输出端接到乘法器39的输入端。
为了简化作用力和旋转角远距离传输系统，定子磁场方向确定方块13和轴失调量测定方块17包括一个共同的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路70，与极性鉴别电路31(见图3)、38类似。
在图4所示远距离传输系统实施例中，作用力比例系数变换器36的输入端接到上述指出的乘法器34的输入端。
校正方块24(见图4)包括积分器71，它的输入端接到信号因数测定电路72的输入端，电路72的输出端接到乘法器73的第一输入端，向它的第二输入端送入信号，该信号相应于主控和执行同步电机1、2的轴3、4失调信号的极性。在所述的实施例中，失调信号极性鉴别电路70的输出端接到乘法器73的第二输入端，乘法器73的输出端接到比较电路74的第一输入端，电路74的第二输入端与积分器71的输入端连接，连接点作为校正方块24的输入端，比较电路74的输出端作为校正方块24的输出端。
实施例有可能的情况是，乘法器73的第二输入端或者接到失调信号极性鉴别电路31(见图3)的输入端，或者接到失调信号极性鉴别电路38的输出端(在图中未示出这些连接)。
为了更好地理解主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统的工作原理，在图5、6和7上表示出了远距离传输系统在不同工作状态下主控和同步电机相应的定子磁场Φsz、Φsi及主控和执行同步电机相应的转子磁场Φrz、Φri的矢量图a、b、c、d、e、f。
主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统以如下方式进行工作。为了工作，操作者给出某一必要的作用力比例系数n，该系数与比值Mo/Mi成反比，Mo是操作者给主控轴5(图1)施加的一个转矩，Mi是在执行轴6上由负载作用的转矩。这时，主控和执行同步电机的定子磁场方向的确定方块13，根据方位传感器9、10的信号，给出主控和执行同步电机1、2的定子磁场
Φsz、
Φsi的方向是这样的，在n值不变的条件下，转子磁场
Φrz、
Φri之一与其相应的定子磁场
Φsz或
Φsi之间的相角是常数(或在一个范围内变化，范围取决于同步电机1、2的电磁时间常数的实有值)。能实现这些是由于，例如，在同步电机1、2的绕组中形成电压，电压矢量之和沿着磁场
Φrz或
Φri的相角在数值上是个常数。其中，这个相角可以给定为90°。如果同步电机定子绕组的连接，例如，为并联和反向连接，在图5(a、b、c、d、e、f)上表示出了同步电机1、2转子与定子磁场彼此方向的各种方案。主控和执行同步电机1、2的转矩相应用M1和M2表示，可以写成下式
其中K1、K2-是由同步电机结构所决定的系数，例如，转子和定子的形状，它们之间空隙的大小及同步电机的体积大小。如果认为，转子磁场Φrz、Φri的振幅为常数，定子的磁场Φsz、Φsi的比率为常数，同步电机1、2的轴3、4的转速就会是零速，那么改变同步电机1、2的转子与定子磁场之间的相角，从公式(1)可以看出，能得到任何的比值M2/M1，忽略轴3、4转动刹车产生的转矩，例如，在联轴节7、8中产生的该比值等于作用力的比例系数n。可用主控和执行同步电机1、2定子磁场振幅的确定装置16来实现主控和执行同步电机1、2的转子与定子磁场之间的相角保持一定的正弦关系。在这种情况下，主控和执行同步电机轴失调量的测定方块17，考虑了系数n及主控和执行同步电机1、2相应的旋转角αz、αi的现有值，计算出同步电机1、2轴3、4给定的失调量，在这种情况下，Mi/Mo的比值等于n。在输入端19上送入相应于轴3、4失调量的信号，比较方块18将该信号同相应于现有差值(αz-αi)的信号相比较，其差值的总信号送到主控和执行同步电机绕组电流形成方块22的控制输入端上。由于Φsz和Φsi如此的变化，使得Mi/Mo的比值趋近于作用力的比例系数n值。由于磁场确定方块13和磁场振幅确定装置16的协同工作，实现主控和执行轴5、6之间旋转(移动)和作用力的远距离双向传输。要知道，在这种情况下，Φsz、Φsi以相同的速度旋转，当相角(Φrz^、Φsz)或(
Φri
、
Φsi)从零增大到90°时，根据公式(1)，M1和M2也增加。
为了提高旋转角和作用力远距离传输的精确度，向系统引入了校正方块24(图2)，相应于轴3、4失调量现有值偏离给定值的差值的信号，即比较方块18输出端上有的信号，作为它的输入信号。在所述系统中，校正方块24是这样的结构，只有在比较方块18输出信号等于零的条件下平衡才建立起来，即当
Φrz、
Φsz和
Φri、
Φsi彼此之间有一定的方向时，实现下列关系n＝ (Mi)/(Mo) (2)实现校正方块24最简单的实施方案是使用能够抵消各种方式干扰的积分器或继电器。
由公式(1)改写出比值M2/M1
M1K1·Φrz·Φsz·Sin(
Φrz
、
Φsz)如果给定相角(
Φri
、
Φsi)和(
Φrz
、
Φsz)其中一个相角等于90°，则系数n′的值将在下列的范围变化
这里Φsz、Φsi的值认为是常数，因为从能量的观点来考虑，同步电机1、2的转子与定子磁场之间其中一个相角等于90°是有益的。为了扩大系数n′(3)的变化范围，忽略主控和执行轴5、6的运动阻力，n′(3)就等于作用力的比例系数n(2)，必须选择主控同步电机1或执行同步电机2，根据公式(4)，调整转子与定子的磁场相互垂直。主控同步电机1或执行同步电机2的选择是使用由失调信号极性鉴别电路29控制的转换器27来实现的，送入到失调量测定方块17输入端20上的n值与同步电机1、2起动转矩比值Mpi/Mpz之间的差值来鉴别失调信号的极性。当Φsi、Φsz为最大值和轴3、4的转速为零速度时，比值Mpi/Mpz等于 (K2ΦriΦsi)/(K1ΦrzΦsz) 。当绕组是并联或串联连接时，连接可能是反向或同向的，并且轴3、4的旋转速度为零时，两个选定的同步电机1、2的Φsi、Φsz比值为常数。因此，在实际的旋转角和作用力的远距离传输系统中，在公式(4)中磁场振幅的比值可以用起动转矩的比值来代替。根据公式(4)来选取这样的同步电机1、2，在转子与定子磁场互相为垂直时，电机应当能进行工作。这时，转换器27将方位传感器9的输出端同磁场方向确定方块13的输入端11或12相连接，并相应地接到磁场振幅确定装置16的输入端15或14上，与此同时，方位传感器10的输出端同磁场方向确定方块13的输入端12或11相连接，并相应地接到磁场振幅确定装置16的输入端14或15上。
借助图5所示矢量图的帮助来说明在同步电机1、2的定子绕组为反向连接时的图2所示旋转角和作用力远距离传输系统的工作原理。假定给定的作用力比例系数是这样的，当αi＝αo时，满足公式(2)的关系式(图5a)。在这种情况下，相角(
Φrz
、
Φsz)等于90°(满足公式(4)中第一关系式)。这时，公式(3)可以改写为下列形式n′= (K2ΦriΦsi)/(K1ΦrzΦsz) Sin(
Φri
、
Φsi)(5)忽略阻力并假定n′＝n，当n′＝n时，转子与定子的磁场
Φri、
Φsi之间的相角α可由公式(5)得到α=arcSin( (nK1ΦriΦsz)/(K2ΦriΦsi) )，(6)相应地一定的失调量△αo等于(90°-α)，实际的失调量等于(αz-αi)，而在比较方块18(图2)的输出端上得到的信号差值等于(90°-α-αz+αi)。
Φri的方向对于控制n′＝n是不可少的保证，并用αo作标记。因此，在振幅校正方块24存在的情况下，磁场Φsz、Φsi的振幅将一直增大，直至相角(
Φri
、
Φsi)根据公式(1)不发生减小为止，当(
Φri
、
Φsi)＝α时，建立一种新的平衡状态。在这种情况下，假定M1是常数，在执行同步电机2定子磁场Φ′si为较大的数值(Φ′si＞Φsi)以及根据公式(1)M1也为较大值时，将达到平衡M2＝Mi。最初图5a所示被破坏了的关系式n′＞n，经过一定时间又达到等式n′＝n(在这种情况下，操作者控制主控轴5(图2)在不动的位置上，不得不增大正增长的转矩Mo)。
现在，假定执行同步电机2磁场
Φ′ri、
Φ′si开始的方向如图5a用虚线所示的那样。在增加执行轴6上的负载时，即增大M2，执行同步电机2的轴4按逆时针方向旋转，且磁场
Φri的方向如同一图中实线画出的那样，即执行同步电机2的转子与定子磁场之间的相角由α增大到αi。因此，根据公式(1)Mi也增大。当比较方块18的输出端出现相应于非零失调的信号时，在进行了上述转移之后，导致形成的相角(
Φri
、
Φsi)等于α，而在较大振幅的
Φsi情况下，由于同步电机1、2的定子绕组在电气上的连接，因此，
Φsz也有较大的振幅。因此，增大Mi，导致M1及Mo也增大，也就是发生了在执行轴6上形成的作用力传输到主控轴5上。
如果改变M1作用的方向，在转移过程之后，磁场的方位成为如图5b所示的类似方位。认为，执行同步电机2的转子和定子磁场的最初方位用虚线(矢量
Φ′ri、
Φ′si)表示。假定，M1减小，由于Φsi保持最初的常数，则得到M2＞Mi，因此，
Φ′ri以逆时针方向旋转，转移到
Φri的位置。根据上述理由，比较方块18的输出端出现失调信号，由于校正方块24的存在，该信号导致Φsz、Φsi减小，也就是根据公式(1)减小M1和M2，在Mi的作用下，执行同步电机2的轴4按顺时针方向旋转一直到使(
Φri
、
Φsi)＝α。假定，操作者增大作用力的比例系数n，并完成公式(4)中的第一关系式。那时转换器27用上述方法接入方位传感器9、10的输出端，由于改变了作用力比例系数n，因而，在失调信号极性鉴别电路29的输出端上信号改变了，在这种情况下的各种不同工作状态的磁场方向，如图5(c、d、e、f)所示。
在图5c上示出当减小转矩Mo时，同步电机1、2磁场方位的变化，转矩Mo可由操作者或主控轴5的旋转来施加。假设在图5c上用虚线示出了同步电机1、2磁场
Φ′rz、
Φ′sz、
Φ′ri、
Φ′rz的最初方位。假设，主控轴是按逆时针方向旋转，即主控同步电机1转子磁场由
Φ′ri的位置转向
Φri的位置(实线)，此时，相角(
Φrz
、
Φsz)减小，这是因为开始时方向不发生变化，并且比较方块18输出端上的失调信号改变，这就导致主控和执行同步电机1、2定子磁场的减小。由于，在这种情况下负载的转矩M1没有改变，而M2减小，在M1的作用下执行轴6按逆时针旋转，同时由
Φ′ri转移到
Φri的位置(实线)，与其方向有联系的
Φ′si、
Φ′sz相应地过渡到
Φsi、
Φsz。如果经过这些之后，例如，固定执行轴6，在其转移过程之后，该过程类似于上述的图5a、b所示，以同步电机1、2磁场的下列方向
Φ′rz、
Φ′sz、
Φri、
Φsi建立平衡状态。用这种方式保证从主控轴5向执行轴6进行旋转角和作用力的远距离传输。显然，如果磁场的初始位置用虚线表示，并认为执行轴6按逆时针方向旋转(例如，由于增大Mi)，经过类似上述的转移过程之后，主控轴5也按逆时针方向旋转一个相同的角度。因为，由执行轴6向主控轴5的旋转角远距离传输的实现，所以，所有的转移过程均可实现，其特征是，由主控电机1轴3上的方位传感器9来控制同步电机1、2定子磁场的方向，以及由方位传感器10来控制同步电机1、2定子磁场的方向的情况也可以，但这些都须考虑轴5、6假定名称的相应变化。其中，显然在改变作用力的比例系数的情况下，将产生同上述过程类似的一些过程，只是在比较方块18的输出端上失调信号的出现或发生变化，就会改变系数n，因而也改变相角α。请注意，对于图5(c、d、e、f)来说，只要(
Φri
、
Φsi)＝90°，比例系数n将同对于比例所必须的
Φrz、
Φsz之间的相角α有联系，其关系式如下
α=arcSin( (K2ΦriΦsi)/(nK1ΦrzΦsz) )，(7)现在来看看在图5d上所示的当改变M1方向时在旋转角和作用力的远距离传输系统中的转移过程。认为在图5c所示的磁场方位上，改变Mi的作用方向，即改变它的方向同M2的作用方向一样。由于
Φri和
Φsi、
Φsz开始具有高速度，该速度是由按顺时针方向旋转的M2和Mi的总和所决定的，并且，如果操作者固定主控轴5，经过一定时间
Φri占有的位置即为图5所示
Φrz的位置。经过这些变化之后，相应于(αz-αi)相角差值的信号极性改变了。只要失调信号极性改变，磁场方向确定方块13(图2)使定子的磁场倒相，用虚线表示的位置(
Φ′sz、
Φ′si)转移到
Φsz、
Φsi的位置，也就是改变M1、M2的作用方向。因此，操作者感觉到Mi作用方向的改变，而且以后为了控制主控轴5为静止状态，不得不改变增大中的转矩Mo作用的方向。此外，在改变失调信号(αz-αi)的极性时，失调量测定方块17改变角度α′o(图5d)的位置，在这种情况下，以前已达到平衡和相等关系n′＝n，其位置是相对于
Φrz与αo的位置成对称。以后，所有的过程都按类似上述的方法进行，并建立新的平衡状态，在这种情况下，比较方块18(图2)的输出信号等于零。
相应于这种状态的磁场方位示于图5e中。如果Mo增大，则磁场的方位转变为图5f所示的方位，以后用完全类似的上述方法，重复转移过程。
如果同步电机1、2的定子绕组是同向连接，其定子磁场的方向可以有条件地认为是相同的，如图6(a、b、c、d、e、f)和图7(a、b、c、d、e、f)所示。为了保证M1和M2反向的情况，而必须使
Φsz、
Φsi的位置与同步电机1、2转子磁场
Φrs、
Φri之间的位置相同。如果由于以前指出的原因，给定
Φrz和
Φsz之间的相角等于90°，在这种情况下，给定的作用力的比例系数确定了，可用表示
Φri、
Φsi之间相角α的公式(6)来确定，作用力和旋转角远距离传输系统的工作方案之一的磁场方向
Φ图6a所示。我们标示，在开始瞬间的同步电机1、2的磁场方向为
Φrz、
Φsz、
Φ′ri、
Φsi。假定，主控轴5定位，由于减小负载转矩Mi，
Φ′ri按逆时针方向旋转，校正到像
Φri那样，这时M2减小。当在比较方块18的输出端出现相应于
Φri方向与现有的相角αi彼此之间相角的失调信号时，导致
Φsr、
Φsi减小，因而导致M1减小和相角(
Φri、
Φsi)增大一直到尚未恢复开始的磁场方向为止，这是在同步电机1、2定子磁场
Φ′sz、
Φ′si的振幅比开始磁场
Φsz、
Φsi的振幅较小时进行的。在增加M1时，将产生类似的过程，当
Φri向相角(
Φri
、
Φsi)增大的方向旋转时，如图6b所示(在这种情况下认为，Mo、M1)作用方向与图6b所示的方向相反)。因此，为了恢复被破坏了的平衡，
Φsz、
Φsi将增大，在M2＞M1的作用之下，执行同步电机2轴4向减小(
Φri、
Φsi)的方向旋转，因此，M2也同样。这时在较大值
Φsz、
Φsi的条件下，将达到新的平衡位置，并将保证主控轴作用力的传输。
如果操作者增大作用力的比例系数n，将完成公式(4)中第二关系式，那么，磁场方向确定方块13借助绕组电流形成方块22，保证
Φsz、
Φsi与
Φri方向成垂直。在该系统中它们的磁场方位如图6(c、d、e、f)所示，将进行一些类似以前所述图5(c、d、e、f)的工作过程，对于图6来说，有些非本质的差别，其中包括以下情况在固定
Φrz的位置时，
Φri旋转一个较小的角度之后，较小角度是指比为了由图5c所示状态向图5d所示状态过渡所必须的角度小，
Φrz、
Φri的方向发生重合。
所建议的旋转角和作用力远距离传输系统能够保证同步电机1、2之一的电机转子与定子磁场之间相角永远等于公式(6)或(7)中的α，它还能保证同步电机2、1中另一个电机转子与定子磁场之间相角保证90°，这是依赖于进入校正方块24的比较方块18输出信号的改变。对于这种情况来说，图7(a、b、c、d、e、f)上示出同步电机1、2转子和定子磁场矢量图，这种情况的作用力和旋转角远距离传输系统的工作和从一个磁场方位向另一个磁场方位的转移过程的次序，与对图6(a、b、c、d、e、f)所示的相似。无条件地认为，在利用与图6、7同样的同步电机1、2的情况下，比例系数将等于相反的值，这是由于
Φrz、
Φsz和
Φri、
Φsi之间相角在平衡状态下同图6相比较其位置要改变。
用在图5(a、b、c、d、e、f)上表示的矢量图描述旋转角和作用力远距离传输系统的工作原理，图3表示了其中一种实施例，被指出的实施例的系统以如下方式进行工作。失调信号极性鉴别电路31的输出端上产生信号，在信号比较元件32的输出端上有正极性信号的条件下，该信号相应于“-1”;而有负极性信号的条件下，该信号相应于“+1”。与此相应，从乘法器34的输出端出来的相应于相角为-90°或+90°的信号与转换器27的输出信号一同接到加法器35上。对于图5(a、b)在加法器35的输入端上加入一个从方位传感器9来的信号，而对图5(c、d、e、f)来说，加入一个从方位传感器10来的信号，信号的转换用转换器27来实现，如上所述，按照极性鉴别电路29进行比较的结果，作用力比例系数值为Mpi/Mpz之比值。加法器35输出信号指出同步电机1、2定子磁场的方向。如果它是相角码型式或者由模拟型式变为码型，那么，利用电流形成方块22，其结构如图3所示。把上述信号送到永久存储装置42的通讯地址输入端上，为了同步电机1、2的三个绕组供给的脉冲宽度和极性的编码写入该存储装置中，以便保证其定子磁场方向沿着在永久存储装置42通讯地址输入端上相角码所给定的方向。来自永久存储装置42的宽度码沿着把码变为脉冲宽度的变换器44输入端43记入可读计算器45(图上仅指出一个计算器)。这些码的记入频率不变，其记入是根据分频器67输出端的脉冲来实现的，分频器是对振荡器66的频率进行分频，这些码进入到变换器44的输入端上，在写入码之后，在计算器45接板转换输出端上出现逻辑“1”，它主控供给绕组脉冲的开始。此时，而在逻辑“与”电路46的输出端上也出现逻辑“1”，同样允许脉冲通过从可读计算器63接板输出端到达计算器45的可读输入端47。这些脉冲的频率与控制信号的码因数成反比，该控制信号从码因数测定电路61加到可读计算器63的调节输入端62上。脉冲出现的周期等于振荡器66的脉冲出现周期，乘以控制信号的码因数，因而，该码与计算器的接板输出端上的脉冲宽度成正比例，当计算器45中的数字等于零时，在接板输出端上脉冲结束，这时计算器45接板输出端上出现逻辑“0”的信号，该信号阻止脉冲由可读计算器63的接板输出端经过逻辑“与”电路46到达计算器45的可读输出端47。从极性鉴别电路60输入端加到转换器50的确定输入端59上的控制信号，允许脉冲信号从变换器44的输出端出来经过逻辑“与”电路51或逻辑“与”电路52。这时，借助于开关55或56，绕组根据进入输入端58上的信号极性接到鉴别电路60输出端上的信号，实现供给绕组脉冲极性的转换。
控制信号在校正方块24的输出端上形成，校正方块的构成可以是各种各样的。该校正方块24对来自比较方块18输出端的失调信号进行加工，例如，向比较方块18的输入端送入一个与转换器27的状态相应的来自方位传感器9或10的信号。请注意，把转换器27的不同输出端上的信号加到加法器35的输入端和比较方块18的输入端。
根据被电路38鉴别出的失调信号的极性，失调量测定方块17的鉴别电路38借助于加法器39的帮助，把相应于相角为+(90°-α)或-(90°-α)的信号同方位传感器9、10之一出来又加到磁场振幅确定装置16的信息输入端14上的信号相加起来。相应于相角为α的信号用乘法器与失调信号极性有关的相应于“+1”或“-1”的信号相乘，这里α是根据n值和公式(6)或(7)由变换器36算出的。然后把它加到加法器39的其中一个输入端，用这种方法来完成同步电机1、2定子磁场的形成，其矢量图a、b、c、d、e、f表示于图5。
为了实现旋转角和作用力的远距离传输系统，其磁场的矢量图表示于图6、7，必须与接入同步电机1、2的定子绕组相符合。在这种情况下，失调量测定方块17插入了加法器69(图4)，该加法器使用同步电机1、2之一的转子与定子磁场之间的相角α增加一个90°。为了保证在平衡状态下
Φrz、
Φri之间的相角等于(90°α)，而不是(90°-α)，正如图3中所示的一个实施例。把作用力比例系数变换器36输出端的信号加到加法器34的输入端，这就保证得到图7(a、b、c、d、e、f)所示的磁场方向。为了实现图6所示的矢量图a、b、c、d、e、f，必须给乘法器34的输入端送入相应于90°的信号，如图3所示(在图4中未示出该实施例)。
图4所示的实施例的区别特征是使用了失调信号鉴别电路70，该电路为磁场方向确定方块13和失调量测定电路17所共同使用。
假定，在开始的瞬间积分器71的输出端上信号等于零，比较方块18的输出信号也为零，这时在绕组电流形成方块22的控制输入端上加入等于零的信号。当比较方块18的输出端出现信号时，该信号的编码因数经因数测定电路61(图3)加到可读计算器63上，如图3所示的绕组电流形成方块22的构成没有考虑极性。与此同时，积分器71(图4)的输出信号值增大，而在比较方块18的输出端信号极性变化的情况下输出信号值减小。在转移过程结束之后，比较方块的输出信号开始等于零，同步电机1、2的定子磁场的振幅将仅由积分器71输出信号的因数来确定。如果如图5a所示的同步电机2转子与定子磁场之间的相角，由于M1的增大而增大，则乘法器73输出端上的信号也将有那样的极性，与主控和执行轴5、6的失调信号的相同，也就是在比较电路74输出端上的信号增大，则导致M2增大，同步电机1、2的轴转向这样的方位上，即在该方位上比较方块18的输出信号为零。如果反之，M1减小，那么乘法器73输出信号的极性保持不变，而比较方块18输出的信号极性将与上述的极性相反。因此，校正方块24的输出信号数值减小，导致M1、M2减小，而且用比较方块18的零输出信号表征平衡状态的恢复。
权利要求
1.主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统包括主控和执行同步电机(1、2)，它们的轴(3、4)相应地与主控轴和执行轴(5、6)相连接，並在轴(3、4)上安装有方位传感器(9、10)，传感器电气上与主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)的输入端(11、12)及主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)的信息输入端(15、14)相连接，确定装置(16)的输出端电气上与主控和执行同步电机绕组电流形成方块(22)的控制输入端(21)连接，主控和执行同步电机定子磁块方向确定方块(13)的输出端接到绕组电流形成方块(22)的主控输入端(23)，而绕组电流形成方块(22)的输出端接到主控和执行同步电机(1、2)相应绕组的互相电气连接点上，其特征是主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)包括主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)和比较方块(18)，向测定方块(17)的输入端(20)送入信号，该信号相应于主控同步电机(1)轴(3)传输作用力的比例系数(n)，测定方块(17)的信息输入端作为主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)的信息输入端(14、15)，比较方块(18)的信息输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的信息输入端，比较方块(18)的主控输入端(19)接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的输出端，而比较方块(18)的输出端作为主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)的输出端。
2.按照权利要求
1所述的远距离传输系统，其特征是包括一个校正方块(24)，它的输入端接到主控和执行同步电机定子磁场振幅确定方块(16)的输出端，而它的输出端接到主控和执行同步电机绕组电流形成方块(22)的控制输入端(21)。
3.按照权利要求
1或2所述的远距离传输系统，其特征是包括转换器(27)和失调信号极性鉴别电路(29)，转换器(27)的信息输入端(25、26)接到主控和执行同步电机的轴方位传感器(9、10)，鉴别电路(29)的一个输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的输入端(20)，向鉴别电路(29)的另一输入端(30)送入信号，该信号相应于执行和主控同步电机(2、1)起动转矩比(Mpi/Mpz)，而它的输出端接到转换器(27)的控制输入端(28)，转换器(27)的输出端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)的输入端(11、12)及主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)的信息输入端(15、14)。
4.按照权利要求
1至3所述的远距离传输系统，其特征是主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)包括串联连接的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路(31)、乘法器(34)和加法器(35)，鉴别电路(31)的输入端作为磁场方向确定方块(13)的输入端，向乘法器的确定输入端送入信号，该信号相应于主控(1)或执行(2)同步电机转子与定子磁场之间的相角，加法器(35)的一个输入端接到乘法器(34)的输出端，另一输入端接到主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路(31)的其中一个输入端，而它的输出端作为主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)的输出端。
5.按照权利要求
1至4之一所述的远距离传输系统，其特征是主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)包括变换器(36)、乘法器(37)、加法器(39)及主控和执行同步电机的轴失调信号极性鉴别电路(38)，变换器(36)是把作用力比例系数变换为主控或执行同步电机转子与定子磁场之间的相角，乘法器(37)的第一输入端与变换器(36)的输出端电气连接，鉴别电路(38)的输出端接到乘法器(37)的第二输入端，加法器(39)的一个输入端接到乘法器(37)的输出端，另一输入端接到主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路(38)的其中一个输入端，鉴别电路(38)的输入端作为主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的信息输入端，而加法器(39)的输出端作为主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的输出端。
6.按照权利要求
5所述的远距离传输系统，其特征是主控和执行同步电机轴失调量测量方块(17)增加了一个加法器(69)，它的一个输入端接到转换器(36)的输出端，转换器(36)是把作用力的比例系数转换为主控或执行同步电机转子与定子磁场之间的相角，向加法器(69)的另一个输入端送入信号，该信号相应于主控(1)或执行(2)同步电机定子磁场旋转角为90°，而它的输出端接到乘法器(37)的第一输入端。
7.按照权利要求
2至6所述的远距离传输系统，其特征是校正方块(24)包括积分器(71)、信号因数测定电路(72)，乘法器(73)和比较电路(74)，测定电路(72)的输入端接到积分器(71)的输出端，乘法器(73)的第一输入端接到信号因数测定电路(72)的输出端，而向其第二输入端送入信号，该信号相应于主控和执行同步电机(1、2)的轴(3、4)失调信号极性，比较电路(74)的第一输入端接到乘法器(73)的输出端，它的第二输入端接到积分器(71)的输入端，并且其连接点作为校正方块(24)的输入端，而比较电路(74)的输出端作为校正方块(24)的输出端。
8.按照权利要求
4和7所述的远距离传输系统，其特征是校正方块(24)的乘法器(73)的第二输入端接到主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)的主控和执行同步电机轴失调信号极性鉴别电路(31)的输出端。
9.按照权利要求
5和7所述的远距离传输系统，其特征是校正方块(24)的乘法器(73)第二输入端接到主控和执行同步电机轴失调量测定方块(17)的主控和执行同步电机轴失调信号鉴别电路(38)的输出端。
专利摘要
主控轴与执行轴之间旋转角和作用力的远距离传输系统有主控和执行同步电机(1、2)，它们的轴方位传感器(9、10)电气上与主控和执行同步电机定子磁场方向确定方块(13)的输入端(11、12)及主控和执行同步电机定子磁场振幅确定装置(16)的信息输入端(15、14)相连接，确定装置(16)的输出端电气上与主控和执行同步电机绕组电流形成方块(22)的控制输入端(21)相连接，磁场方向确定方块(13)的输出端接到绕组电流形成方块(22)的主控输入端(23)。
文档编号B25J3/04GK87104305SQ87104305
公开日1988年12月7日 申请日期1987年5月18日
发明者迪米特尔·特·迪米特洛夫, 勒朱德米拉·伊·马, 阿历山大·塞尔吉维士·米, 伊格尔·米·朱斯亨科夫 申请人:弗·依·列宁白俄罗斯国家大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan