CN1039337A - 给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置 - Google Patents

Abstract

给定轴和执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置，其中定子磁场峰值主振部分(11)连接在存储元件(12)的输出端，还连接在绕组电流形成部分(15)的控制输入端(14)，该电流形成部分的给定输入端(16)至少与传感器(9、10)之一电性相耦合。存储元件(12)的控制输入端(18)与控制部分(17)连接，该部分的信息输入端(19、20)连接在存储元件(12)的信息输入端(13)和它的输出端，而信息输入端(21)连接在传感器(10)上。

Description

本发明涉及电动机，更确切地说是涉及给定轴和执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置。

本发明可以有成效地应用于机械手技术及随动操纵器中。

目前已知的随动操纵器主要是用在对操作人员的生命有危险的实验条件下。因此对于与随动操纵器给定机构和执行机构的相应环节动态耦合的和能保证其空间位置符合要求的给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置提出了这样一些要求，如像高可靠性、耐久性和同具有相当大的适应性能的操作员参量的一致性。其中也允许存在作用于给定轴上的角传动的静态误差和相对来说不太高的作用力传动准确度。

通常操作人员除了控制随动操纵器之外，还要解决其它一些问题，他还必须休息，而在许多情况下，所完成的操作特性要求随动操纵器的执行机构长时间地保持在固定位置。因此为了提高操作员-操纵器系统的动作效率，扩大由该系统所能解决的问题的范围，必须保证随动操纵器的给定机构和执行机构的位置在给定时间内有可能固定住，从而旋转角和作用力的远距离传动装置的给定轴和执行轴的位置也固定住。此外，为了防止事故情况的发生，在大多数情况下，随动操纵器的起动应该是平稳的、无急跳，也就是说当操作员将作用力增加到等于克服传递到给定轴上的载荷力矩所必需的力矩大小时再起动。但在某些情况下，在固定住之后必须向相反的方向运动，而且允许跳跃式起动。

譬如已知的给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置包括：与给定轴和执行轴动态耦合的给定和执行整流直流电动机，这些电动机的绕组与控制给定和执行整流电动机的信号放大器的输出端相连接;整流电动机的轴位传感器，这些传感器与执行整流电动机的电枢磁场峰值主振部分的输入端相连接;以及载荷力矩传感器，这些传感器与给定和执行整流电动机的轴相耦合，並且它们的输出端连接在给定整流电动机的电枢磁场峰值主振部分的输入端。后者的输出端经过非线性校正部分连接到控制给定整流电动机的信号放大器的输入端，该非线性校正部分用来保证给定轴和执行轴的位置的固定，以及保证只将反作用力传递到给定轴上（И、M、EFOPOB等“双向动作的随动系统的设计”，1980，机械制造，（莫斯科），第71～74页）

在上述的装置中，执行整流电动机的电枢磁场峰值的主振部分、位置传感器和带有它的控制信号放大器的执行整流电动机保证着角的远距离传动，而给定整流电动机的电枢磁场峰值的主振部分、载荷力矩传感器、非线性校正部分和带有它的控制信号放大器的给定整流电动机保证着作用于给定轴上的反作用力的传动。有两个独立的旋转角和作用力的远距离传输电路的装置的这种结构是由整流直流电动机的特性决定的，这种结构能保证当由操作员施加的传递到给定轴上的力矩小于载荷力矩时，使给定轴和执行轴的位置固定住。如果上述的两个力矩的方向一致时，则作用力不会被传递到给定轴上。因此在符号变化的载荷情况下，操作员並不总能感觉到作用力，这就会导致工作中的错误。使用整流电动机会降低所述装置的可靠性和耐久性，因为整流电动机包括电刷-整流子部件，该部件损坏得很快，在恶劣的条件下，损坏得就更快。此外，可靠性降低的原因还在于存在两个独立的旋转角和作用力的远距离传输电路，在这两个电路中有两套功能部件，以及两个力矩传感器。

还有一种已知的给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置，它包括：给定和执行同步电动机，它们的轴分别与给定轴和执行轴及位置传感器动态耦合，其中一个位置传感器的输出端连接在给定和执行同步电动机绕组电流形成部分的给定输入端，该电流形成部分的控制输入端与给定和执行同步电动机的定子磁场峰值的主振部分的输出端电性相耦合，该主振部分用比较元件作成，其各输入端与各位置传感器的输出端相连接，而给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分的各输出端连接在相对应的给定和执行同步电动机的彼此之间电性相耦合的绕组上（SU，A，1176425）。

该装置的特点是：与前面所述的装置相比，具有较高的可靠性和耐久性，这是由于使用同步电动机的缘故，同步电动机中没有电刷-整流子部件，因此在极端的工作条件下更加可靠。这种装置的结构是这样的，即它有一个传输旋转角和作用力的公共电路，而没有力矩传感器。但是，该装置不能实现轴位的固定，这就缩小了它的功能，此外还导致操作人员的疲劳度的增大。

还有一种已知的给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置，它包括：给定和执行同步电动机，它们的轴分别与给定轴和执行轴及位置传感器动态耦合，其中一个位置传感器与执行同步电动机的轴耦合，其输出端连接在给定同步电动机和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分的第一输入端，该主振部分的第二输入端与位置传感器电性耦合，该位置传感器则与给定同步电动机的轴耦合，而该主振部分的输出端连接在给定同步电动机和执行同步电动机的绕组电流形成部分的控制输入端，该电流形成部分的给定输入端至少与一个位置传感器的输出端电性耦合，而该电流形成部分的各输出端则连接在相对应的给定同步电动机和执行同步电动机的彼此电性耦合的绕组上（SU，A，1257690）。

在上述的装置中，给定同步电动机和执行同步电动机的定子磁场峰值的主振部分被作成比较元件，该比较元件的各输入端连接在各位置传感器的输出端，而给定同步电动机和执行同步电动机的绕组电流的形成则是根据到达电流形成部分的控制输入端的信号的绝对值来实现的，这是因为给定同步电动机和执行同步电动机的定子磁场方向的主振部分被作成加法器，其输出端连接在二分法除法部分的输入端。

上述的装置能保证给定轴和执行轴之间的作用力的远距离传动更加准确，以及由于动态耦合中存在内阻力矩，所以在该装置中，只有当载荷力矩较小时轴的位置才能固定。但是不可能在中等的和较大的载荷力矩的情况下使给定轴和执行轴的位置固定住，这就限制了以这种装置为基础的随动操纵器的应用范围及其功能。

此外，操作人员面对这种结构的操纵器进行工作时，由于要经常将载荷保持在固定位置，这会使操作人员很快就感到疲劳。

本发明的任务是创造出这样一种给定轴和执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置，该装置的给定同步电动机和执行同步电动机的转子和定子磁场的方向可以使给定轴和执行轴的定位在载荷力矩的全部变化范围内都能实现，並且除了跳跃式的转变外，这可以在给定同步电动机和执行同步电动机的绕组之间存在电耦合的情况下，能平稳地从固定状态转变到远距离传输旋转角和作用力的状态。

这样解决所提出来的任务，即给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置包括给定同步电动机和执行同步电动机，它们的轴分别与给定轴和执行轴动态耦合，並且带有位置传感器，其中的一个位置传感器与执行电动机的轴耦合，其输出端连接在给定同步电动机和执行同步电动机的定子磁场峰值的主振部分的第一输入端，该主振部分的第二输入端与位置传感器电性耦合，该位置传感器与给定同步电动机的轴耦合，而该主振部分的输出端则连接在给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分的控制输入端，该绕组电流形成部分的给定输入端至少与一个位置传感器的输出端电性耦合，而该绕组电流形成部分的各输出端连接在相应的给定和执行同步电动机的彼此之间有着电耦合的绕组上，根据本发明，该装置还包括存储元件，它的信息输入端连接在与给定同步电动机的轴耦合的位置传感器的输出端，而输出端则连接在给定和执行同步电动机的定子磁场峰值的主振部分的第二输入端，还有控制存储元件部分，该部分的输出端连接在存储元件的控制输入端，第一和第二信息输入端连接在存储元件的信息输入端及其输出端，第三信息输入端连接在与执行同步电动机的轴耦合的位置传感器的输出端，而外部信号到达存储元件的控制输入端，根据这些外部信号形成一个控制信号，根据该控制信号实现给定同步电动机的轴在固定时刻的旋转角的存储，以及当给定同步电动机轴的旋转角的现时值等于存贮在存储元件中的数值时、或者等于执行同步电动机轴的旋转角的现时值时，形成另一个控制信号，根据该控制信号由存储元件来实现给定同步电动机轴的旋转角的现时值的传输。

适宜的作法是远距离传动装置包括给定和执行同步电动机的定子磁场方向主振部分，该主振部分的输入端连接在位置传感器的输出端，该位置传感器与执行同步电动机轴相耦合，上述主振部分的输入端还与存储元件的输出端连接，而其输出端则连接在给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分的给定输入端。

下述的作法也是适宜的，即远距离传动装置中的存储元件控制部分包括第一和第二比较元件，它们的一部分输入端连接在一起;逻辑“与非”元件，它的一个输入端连接在第一比较元件的输出端，而另一个输入端则连接在第二比较元件的输出端;触发器，它的调定输入端连接在逻辑“与非”元件的输出端;以及开关，它的一条引线连接在触发器的消除输入端和同步输入端，而控制触发器的信号则到达开关的另一条引线上。而且第一和第二比较元件的相连接的各输入端用作控制存储元件部分的第一信息输入端，第一和第二比较元件的其它一些输入端分别用作该部件的第二和第三信息输入端，开关的控制输入端用作该部分的控制输入端，而触发器的输出端则用作控制存储元件部分的输出端。

给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置利用给定和执行同步电动机的定子磁场方向的不变性，保证给定轴和执行轴在给定的时间及在载荷力矩全部变化范围内都能固安，以及在固定之后，除了跳跃式的以外，还能将随动操纵器平稳地接入工作状态。这会扩大随动操纵器的应用范围，且能减少操作人员的疲劳程度，这是因为该装置能保证工作条件更加适-在固定时间内可以休息。其结果是提高了操作员-操作器这一生物技术系统所完成的操作质量。

下面将通过本发明的具体实施方案和附图来说明本发明。

图1所示为给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置的方框图，符合本发明;

图2所示与图1相同，图中带有给定和执行同步电动机的定子磁场方向主振部分及给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分同两者的位置传感器的输出端之间的电耦合，符合本发明;

图3所示与图2同，图中带有给定和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分和方向主振部分的方框图，以及给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分的方框图;

图4（a、b、c、d、e、f）所示为图1所示装置的实施方案中的同步电机绕组匹配连接时的转子和定子磁场的矢量图;

图5（a、b、c、d）所示为图2所示装置的实施方案中的同步电动机绕组匹配连接时的转子和定子磁场的矢量图。

给定轴和执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置包括：给定同步电动机和执行同步电动机1、2（图1），它们的轴3、4在所述的方案中通过联轴器7、8分别与给定轴和执行轴5、6动态耦合。为了降低给定轴和执行轴5、6的转速，它们与给定和执行同步电动机1、2的轴3、4之间的耦合是通过减速器（图中未示出）来实现的。

同步电动机1、2补充安装了各自的轴位传感器9、10。位置传感器10的输出端连接在给定和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分11的第一输入端，该主振部分的第二输入端连接在存储元件12的输出端。存储元件12的信息输入端13连接在位置传感器9的输出端。磁场峰值主振部分11的输出端连接在给定各执行同步电动机的绕组电流形成部分15的控制输入端14，该绕组电流形成部分的给定输入端16至少与位置传感器9、10中的一个传感器的输出端电性耦合，在所述方案中是连接在存储元件12的输出端。

绕组电流形成部分15的输出端的个数等于同步电动机1、2的绕组数，电流形成部分15连接在同步电动机1、2的彼此有着电耦合的相应的绕组上。由于同步电动机1的绕组数等于同步电动机2的绕组数，而不同型号的同步电动机的绕组数可能不同，因此在图1中绕组本身未示出，而电流形成部分15与绕组的耦合、以及各绕组之间的电耦合，都象征性地以一条线的形式表示之。

该装置还包括控制存储元件部分17，该部分的输出端连接在存储元件12的控制输入端18，信息输入端19、20分别连接在存储元件12的信息输入端13和它的输出端，信息输入端21连接在位置传感器10的输出端，而外部信号分别在给定和执行同步电动机1、2的轴3、4固定时和固定结束时到达该部分17的控制输入端22，根据这些外部信号形成一个控制信号，并根据这个控制信号来存储给定同步电动机1的轴3固定时的旋转角，以及当给定同步电动机1的轴3的旋转角的现时值等于存储元件12中存储的数值时，或者等于执行同步电动机2的轴4的旋转角的现时值时，形成另一个控制信号，並根据这个控制信号，通过存储元件12来传输给定同步电动机1的轴3的旋转角的现时值。

为了提高作用力传递到给定轴5上的准确度，位置传感器10的输出端和存储元件12的输出端都连接在给定和执行同步电动机的定子磁场方向主振部分23的输入端（图2），该方向主振部分的输出端连接在绕组电流形成部分15的给定输入端16。

控制存储元件部分17包括比较元件24，25（图3），这两个比较元件的一部分输入端连接在一起，而它们的输出端分别连接在逻辑“与非”元件28的输入端26、27，该“与非”元件的输出端连接在触发器29的J一调定输入端。触发器29的K-消除输入端和C-同步输入端都与开关30的一条引线连接，控制触发器29的信号到达该开关的另一条引线，在所述的方案中，该控制信号为逻辑“1”。而且比较元件24、25的连接在一起的输入端用作控制存储元件部分17的信息输入端19，比较元件24、25的另外一些输入端分别用作该部分的信息输入端20、21，开关30的控制输入端用作该部分的控制输入端22，而触发器29的输出端用作控制存储元件部分17的输出端。存储元件12按照已知电路制成，例如作成D-触发器中的寄存器的形式。

在所述的方案中，同步电动机1、2的对应的定子绕组匹配连接，而且这种连接即可以串联，也可以並联。此外，如图3所示，装置中采用三相同步电动机1、2，也就是说有三个绕组。而且绕组电流形成部分15的结构如图3所示，它是这样形成的，即有关同步电动机1、2的定子磁场的峰值和方向的信息以码的形式到达它的控制输入端14和给定输入端16。绕组电流形成部分15的给定输入端16用作永久存储器31的地址输入端，在该永久存储器中存储着同步电动机1、2的绕组的供电脉冲宽度码和极性码。永久存储器31的输出汇流条连接在码-脉冲宽度变换器33的控制输入端32，该变换器的个数等于每一个同步电动机1、2的绕组数。在所述的方案中，每一个变换器33都包括读出计数器34，它的调定输入端用作变换器33的控制输入端32，还有双输入端逻辑“与”元件35，它的输出端连接在读出计数器34的读出输入端36。读出计数器34的借位信息输出端连接在逻辑“与”元件35的输入端37，並用作变换器33的输出端。为了简化绕组电流形成部分15的结构，图3中只画出了一个变换器33的原理图。

所有的变换器33的输出端都分别连接在各换接器39的脉冲宽度定值输入端38，换接器的个数等于每一个同步电动机1、2的绕组数。在所述的方案中，每一个换接器39都包括两个双输入端逻辑“与”元件40、41，它们的第一输入端连接在一起，並用作换接器39的输入端38。逻辑“与”元件40的第二输入端连接在反相器42的输入端，用作换接器39的脉冲极性定值输入端43，並连接在永久存储器31的对应的输出端。反相器42的输出端连接在逻辑“与”元件41的第二输入端。逻辑“与”元件40、41的各输出端分别连接在开关44、45的控制输入端，开关44、45的动力输入端连接在电压电源46上，而开关44、45的输出端连接在一起，並用作换接器39的输出端，以及相应地用作电流形成部分15的输出端，如上所述，该输出端连接在给定和执行同步电动机1、2的对应的绕组上。

绕组电流形成部分15的控制输入端14用作控制信号幅值测定电路47的输入端，该电路的输出端连接在读出计数器49的调定输入端48，该读出计数器的借位输出端连接在该计数器49的记录输入端和码-脉冲宽度变换器33的脉冲频率定值输入端50。输入端50用作逻辑“与”元件35的第二输入端。读出计数器49的读出输入端51连接在主控振荡器52的输出端，该主控振荡器还连接在分频器53的输入端。分频器53的输出端连接在码-脉冲宽度变换器33的记录输入端54。每一个变换器33的记录输入端54都用作读出计数器34的输入端。

在所述的方案中，给定和执行同步电动机的给定磁场方向主振部分23包括加法器55，它的各输入端用作方向主振部分23的各输入端，这些输入端连接在定子磁场峰值主振部分11的输入端，该主振部分用比较元件作成。加法器55的输出端连接在二分法除法部件56的输入端，该除法部件的输出端用作方向主振部分的输出端。

为了更好地理解给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置的工作情况，在图4（a、b、c、d、e、f）和图5（a、b、c、d）中给出了远距离传动装置在不同工作状态下的对应于给定和执行同步电动机1、2的转子磁场

rz、

ri的矢量图和对应于给定和执行同步电动机1、2的定子磁场

sz、 si的矢量图。

给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置的工作原理如下。与给定同步电动机1的轴3相耦合的位置传感器（图1）给出的给定和执行同步电动机1、2的定子磁场

si、

sz的方向，应使给定同步电动机1的转子磁场

rz或执行同步电动机2的转子磁场

ri与对应的同步电动机1、2的定子磁场 sz、

si之间的夹角恒定（或者在由同步电动机1、2的电磁时间常数所决定的限度内变化）。在所述的装置的实施方案中，角（ rz，

sz）是恒定的。这可通过下述的作法得以保证，例如在同步电动机1、2的定子绕组上施加这样的电压，使它们的矢量和与

rz或

ri构成数值恒定的角。在特殊情况下，为了提高效率，使这个角等于90°有利。给定和执行同步电动机1、2的转矩分别用M₁、M₂表示，则可写成：

式中K₁、K₂-由同步电动机1、2的结构为转子和定子的形式、它们之间的空气间隙的大小和同步电动机的尺寸等决定的系数。增强或减弱给定和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分11的输出信号将相应地导致定子磁场 sz、

si的峰值的增大或减小。

为了提高作用力的远距离传动准确度，在旋转角和作用力远距离传动装置中装入了给定和执行同步电动机的定子磁场方向主振部分23（图2）。同步电动机1、2的定子磁场方向码从方向主振部分23的输出端到达永久存储器31的地址输入端（图3），在该永久存储器中存储着同步电动机1、2的三个绕组的供电脉冲宽度码和脉冲极性码。对于其原理图如图1所示的装置来说，这些码保证同步电动机1、2的定子磁场方向垂直于 rz的方向，而对于其原理图如图2所示的装置来说，则保证上述磁场方向沿着由磁场方向主振部分23的输出端输出的码所给定的方向。由永久存储器31出来的宽度码通过码-脉冲宽度变换器33的控制输入端32被载送到各读出计数器34中（图中只示出了一个计数器34）。这些码的载送频率是恒定的，而载送是通过来自分频器53的输出端的脉冲来实现的，该分频器对主控振荡器52的频率进行划分，脉冲由分频器53的输出端到达变换器33的记录输入端54。在记录了非零码之后，在读出计数器34的反相借位输出端出现逻辑“1”，这些逻辑“1”给定同步电动机1、2的定子绕组的供电脉冲起点。同时，逻辑“1”还出现在各逻辑“与”元件35的输入端37上，因此允许脉冲从读出计数器49的借位输出端经过逻辑“与”元件35传输到计数器34的读出输入端36。脉冲跟踪周期等于乘以控制信号幅值码以后的振荡器52的脉冲跟踪周期，上述控制信号是从控制信号幅值测定电路47的输出端到达读出计数器49的调定输入端48的，因而该码也就正比于读出计数器34的借位输出端上的脉冲宽度。当读出计数器34中的数值等于零时，在上述的借位输出端上的脉冲也就消逝了，同时在借位输出端上出现逻辑“0”信号，于是脉冲从读出计数器49的借位输出端经过逻辑“与”元件35到达读出计数器34的读出输入端36的传输也就停止了。

根据从永久存储器31的输出端到达换接器39的脉冲极性定值输入端43的极性码，借助于分别由逻辑“与”元件40、41控制的开关44或45，绕组便会与电压电源46的这个极或那个极接通。因此，保证了作用于同步电动机1、2的定子绕组上的电压值与绕组电流形成部分15的控制输入端14上的码的数值成比例。依靠加法器55和二分法除法部件56的共同工作，保证在永久存储器31的输入端这样形成地址，以便使给定和执行同步电动机1、2的转子和定子磁场之间的夹角的绝对值相等，而符号相反。

控制存储元件部分17的工作原理如下。在旋转角和作用力远距离传动状态下，在触发器29的输出端保持着逻辑“1”信号-第一控制信号。同时因为开关30断开，在所述的方案中，在所使用的JK-触发器29的转换的C-同步输入端和K-消除输入端上出现逻辑“0”信号。而且存储元件12以输入信号的重发器的方式进行工作，也就是说它的输出端上的信号就等于它的信息输入端13上的信号。如果必须使给定轴5和执行轴6固定，例如通过操作人员的操作，则信号到达控制存储元件的部分17的控制输入端22，根据这个信号，开关30接通，因此在触发器29的转换的C-输入端和K-消除输入端上出现逻辑“1”信号，导致其状态的过渡，这时输出端上出现逻辑“0”信号，而且由于JK-触发器的工作特性（当在各输入端上存在两个逻辑“1”时，它便转换前一个状态），任何信号出现在J-输入端时，上述的转接都会发生。可是当C-输入端上出现逻辑“1”信号时，在开关30接通的全部时间内，都禁止触发器29的继续转接。同时存储元件12由于在它的控制输入端18上出现第二控制信号-逻辑“0”信号，则在开关30接通时间的有关给定轴5的转角的信号将被存储起来，当断开开关30的信号到达控制存储元件部分17的控制输入端22时，在触发器29的K-消除输入端和转换的C-输入端上出现逻辑“0”信号，这样在逻辑“与非”元件28的输出端上无逻辑“1”信号时，触发器29的状态不变，但允许它转接。即使在逻辑“与非”元件28的输入端之一上出现逻辑“0”信号时，而在该“与非”元件28的输出端出现逻辑“1”信号，这将导致触发器29的转接，且在存储元件12的控制输入端18出现逻辑“1”信号，根据这个信号它将转入重复输入信号的状态。当出现以下两种情况之一时，在逻辑“与非”元件28的各输入端之一上将出现逻辑“0”信号：当存储元件12的输出信号αo等于它的信息输入端13上的信号αz时，或者当αz等于位置传感器10的输出信号αi时。在第一种情况下，装置将平稳地接入工作状态，而无跳跃，即然要保证αo和αz相等，操作人员就必须加大力矩，该力矩是在固定时施加的。在第二种情况下，当固定之后必须使执行同步电动机2的轴4向相反的方向旋转时，触发器29将在αz和αi相等时转接，但将不是平稳地接入工作状态。控制部分17的存在保证了装置在任意旋转方向的情况下都能过渡到旋转角和作用力远距离传动状态，这会提高随动操作器的可靠性。在所述的装置的实施方案中，逻辑“与非”元件28把接近零值的信号作为逻辑“0”信号来接收，因为它的各输入端分别连接在比较元件24、25的输出端。

下面利用图4所示的有关同步电动机1、2（图1）的定子绕组匹配连接的矢量图来说明，图1所示的给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置的工作情况。

假设同步电动机1、2的转子和定子的磁场方向在初始时刻如图4a中的实线所示。位置传感器9给出由磁场

sz的方向决定的信号即αs。这时给定和执行同步电动机1、2各自的转矩M₁、M₂可以根据式（1）写成：

M₁＝K₁′ rz（αs-αi）

M₂＝K₂′

ri Sin（αs-αi）｜αs-αi｜ （2）

式中K₁′、K₂′通过K₁、K₂由（1）确定，另外考虑到 sz、

si同（αs-αi）失调的关系：

$K_1\mathrm{\text{'}=}\frac{{\mathrm{\phi sz\; K}}_1}{\mathrm{｜\; \alpha s\; -\alpha \; i\; ｜}}{\mathrm{,\; K}}_2\mathrm{\text{'}=}\frac{{\mathrm{\phi si\; K}}_2}{\mathrm{｜\; \alpha \; s-a\; i\; ｜}}\mathrm{(3)}$

如果载荷力矩Mi增大，则导致（αs-αi）值的增大，因此根据（2）、（3）将导致 sz、 si及M₁、M₂的增大。在完成了过渡过程之后，当给定轴5固定时，给定和执行同步电动机1、2的定子磁场 _sz、

′si分别达到一个新的数值，以及执行同步电动机2的磁场

′ri形成新的方向，如图4a中的虚线所示。

如果操作人员必须改变给定轴5和执行轴6的方向的话，例如使它们沿逆时针方向旋转某一角度Δα，那么它就得把给定轴5转过这一角度Δα。同时 sz、

si也转过同样的角度，因此根据（1）、（2），M₂增大，于是当载荷力矩Mi的值恒定时，导致执行轴6同

ri一起转过角度Δα。而且给定和执行同步电动机1、2的磁场方向如图4b中的实线所示。

如果载荷力矩Mi的值不大时，则磁场的矢量图取图4C中的实线所示的形式。在Mi的作用方向变化的情况下，角（

si，

ri）等于（αs-αi），由于M₂和Mi的迭加而减小到零，（αs-αi）的符号也变成了相反的符号。因此，

sz、 si的方向变为相反的方向（图4C中虚线所示的 ′sz、

′si）。因此，M₁、M₂的作用方向将与初始方向相反，这会导致执行轴6减速，並且能使操作人员准确地感觉到Mi的作用方向。同时在完成了过渡过程之后，转子和定子所形成的磁场方向如图4C中的虚线所示。

当接通开关30（图3）的信号到达控制存储元件的部分17的控制输入端22时，由于前面所述的转接的缘故，在存储元件12的控制输入端18出现第二信号（逻辑“0”信号）， sz、

si的方向将保持不变。同时如果操作人员使增大的力矩Mz＝0，则由（1）、（2）可以看出

rz的取向也将沿着

sz的方向，而

si和

ri之间的夹角不变，见图4d。当必须使定位状态结束、並断开开关30时，操作人员开始使给定轴5沿一定方向旋转，沿该方向它一直运动到固定为止（在这种运动情况下，在某一时刻磁场的方向如图4e中的实线所示）。当到达以前的 rz方向（如图4e中的虚线所示）时，也就是当αo和αz相等（当比较元件24的输出端出现零信号）时，由于上述的转接，在存储元件的控制输入端18重新出现第一控制信号-逻辑“1”信号，根据这个信号，存储元件12转变为重复到达信号输入端13的信号的状态。这样一来，由于操作人员向给定轴5施加了一个大小等于开关30接通时的该轴的力矩值的力矩Mz，所以装置被平稳地接入工作状态。

如果在固定之后必须向相反的方向运动，那么同步电动机1、2的磁场方向在某一时刻取图4f中的实线所示的形式。当给定同步电动机1的转子磁场

rz的方向达到图4f中的虚线所示的方向时，即αz和αi相等时，装置被接入工作状态。

用来说明图2所示的装置的工作原理的矢量图示于图5（a、b、c、d）。而且图5a对应于Mi的一个作用方向，图5d对应于与Mi的作用相反的方向，而图5c、d表示装置过渡到轴5、6的旋转角固定的状态的过程，以及过渡到旋转角和作用力远距离传动状态的过程。

假设给定和执行同步电动机1、2的磁场方向在初始时刻如图5a中的实线所示。而且由于定子磁场方向主振部分23（图2）的作用， rz、

ri分别同 sz、

si构成的角的大小相同，而方向相反。给定和执行同步电动机1、2的转矩M₁、M₂根据（1）、（3）可以写成：

由（4）可见，M₁与M₂之比是一个恒量，不同于（2），即当有定子磁场方向主振部分23时，力的远距离传动准确度提高了。

如果给定轴5转过某一角度Δα，则 sz、

si向同一方向转过角度 (Δα)/2 ，根据（4）导致M₁、M₂的增大。因为Mi不变，则M₂的增大导致执行轴6沿M₂的作用方向旋转，从而导致

sz、

si旋转，以及（αz-αi）减小。在完成了上述的过渡过程之后，建立起一个新的平衡状态，在这种状态下，磁场的方向如图5a中的虚线所示。

当开关30接通时，（图3），

sz、 si的方向固定，而当Mz等于零时，在M₁的作用下，

rz旋转到与 sz重合的方向，如图5C中的实线所示。固定结束时，如果必须继续进行已中止的运动，那么就要在

rz返回到αo的位置之后将装置接入旋转角和作用力远距离传动状态，其方向如图5C中的虚线所示（αo＝αz′）。

如果在固定之后，必须从图5d中的实线所示的初始方向开始向相反的方向运动，那么要在

rz（如图5d中的虚线所示）的方向与

ri的方向重合时，利用比较元件25的作用，才能将装置接入旋转角和作用力远距离传动状态。接着装置便以前面所述的方式进行工作，即实现给定轴和执行轴5、6之间的旋转角和作用力的远距离传动。

因此，在给定时间、在载荷力矩变化的全部范围内保证给定轴和执行轴的固定，能降低操作人员的疲劳，並且由于在固定期间可以休息，而创造了更加适的工作条件。在固定之后能平稳地接入工作状态，这能保证操纵器的工作不出故障。结果将扩大随动操纵器的应用范围和提高完成操作的质量。

Claims (3)

1、一种给定轴与执行轴之间的旋转角和作用力远距离传动装置包括给定和执行同步电动机(1、2)，它们的轴(3、4)分别与给定轴和执行轴(5、6)及位置传感器(9、10)动态耦合，其中一个传感器与执行同步电动机(2)的轴(4)耦合，它的输出端连接在给定和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分(11)的第一输入端，该主振部分的第二输入端与位置传感器(9)电性耦合，该位置传感器与给定同步电动机(1)的轴(3)耦合，而该主振部分的输出端连接在给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分(15)的控制输入端(14)，该电流形成部分的给定输入端(16)至少与位置传感器(9、10)中的一个传感器的输出端电性耦合，而该电流形成部分的各输出端连接在给定和执行同步电动机(1、2)的彼此之间有着电耦合的相对应的绕组上，该装置的特征为：包括存储元件(12)，它的信息输入端(13)连接在位置传感器(9)的输出端，该传感器与给定同步电动机(1)的轴(3)耦合，而该存储元件的输出端则连接在给定和执行同步电动机的定子磁场峰值主振部分(11)的第二输入端；以及控制存储元件部分(17)；它的输出端连接在存储元件(12)的控制输入端(18)，第一和第二信息输入端(19、20)分别连接在存储元件(12)的信息输入端(13)和它的输出端，第三信息输入端(21)连接在位置传感器(10)的输出端，该传感器与执行电动机(2)的轴(4)耦合，当给定和执行同步电动机(1、2)的轴(3、4)固定时和固定结束时，外部信号分别到达该部分(17)的控制输入端(22)，根据这些外部信号形成一个控制信号，根据这个控制信号实现给定同步电动机(1)的轴(3)固定时的旋转角的存储，以及当给定同步电动机(1)的轴(3)的旋转角的现时值等于存储元件(12)中存储的数值时，或者等于执行同步电动机(2)的轴(4)的旋转角的现时值时，形成另一个控制信号，根据这个控制信号，通过存储元件(12)来实现给定同步电动机(1)的轴(3)的旋转角的现时值的传输。

2、按照权利要求1项所述的远距离传动装置，其特征为：包括给定和执行同步电动机的定子磁场方向主振部分（23），它的输入端连接在位置传感器（10）的输出端和存储元件（12）的输出端，该传感器与执行同步电动机（2）的轴（4）耦合，主振部分（23）的输出端连接在给定和执行同步电动机的绕组电流形成部分（15）的给定输入端（16）。

3、按照权利要求第1项或第2项所述的远距离传动装置，其特征为：控制存储元件部分（17）包括第一和第二比较元件（24、25），它们各自的一个输入端连接在一起;逻辑“与非”元件（28），它的一个输入端（26）连接在第一比较元件（24）的输出端，而另一个输入端（27）则连接在第二比较元件（25）的输出端;触发器（29），它的调定输入端连接在逻辑“与非”元件（28）的输出端;以及开关（30），它的一条引线连接在触发器（29）的消除输入端和同步输入端，而控制触发器（29）的信号到达另一条引线，同时第一和第二比较元件（24、25）的连接在一起的输入端用作控制存储元件部分（17）的第一信息输入端（19），第一和第二比较元件（24、25）的其它输入端分别用作第三和第三信息输入端（20、21），开关（30）的控制输入端用作控制输入端（22），而触发器（29）的输出端则用作控制存储元件部分（17）的输出端。

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