电机控制下的指南车设计

　　指南车是中国古代交通领域里一项伟大发明，其在齿轮传动方面取得的杰出成就，被认为是现代控制机械的鼻祖。多年来，人们在对指南车的研究中获得不少成果，这些研究大多是在纯机械领域中机构的创新，产生了很多不同功能的新的机构，促进了机械研究的发展。上述这些研究，主要是根据史书记载，对指南车进行的复原，利用的都是齿轮差动装置，属于纯机械的设计，由于这些设计齿轮数目很多，一般都在 10 个以上，对齿轮精度要求很高，如果制造误差大的话，传动精度受到影响，指南车的指向功能也随之受影响。

　　1 指南车及其结构简介[1]

　　古代指南车结构的一种原理图如图 1 所示，其中使用了一个差动轮系传动结构和齿轮系传动结构，以差动轮系为中心两边齿轮系是对称的，齿轮大小相等，具有相同的传动比，指标固定在差动轮系行星轮的转臂轴线上。该结构要具备指南车的功能，车轮之间的距离、车轮的直径和齿轮系的传动比，三者之间要满足具体的尺寸关系要求。首先车左右两边齿轮系的传动比要求相等，设：

　　车轮之间的距离为L ,

　　车轮的直径为D ,

　　齿轮系的传动比为i ,

　　且 L = n D。

　　假设指南车左转，左车轮不转，右车轮绕其转动。

　　根据几何关系得：当右车轮绕自身旋转一周时，右车轮绕左车轮旋转了 180 / n(°),也就是车子转过了180 / n(°)，根据差动轮系的传动关系式：

　　要使车上的指标方向保持不变，则要求差动轮系上边齿轮旋转360 / n (°)，则齿轮系的传动比i为1/ n 于是三者之间的关系为 Li / D = 1 。

　　该结构的指南车，对车轮的旋转次序没有严格的要求，即不必以一个车轮为中心，另一个车轮为半径就地旋转，可以自由旋转。

　　2基于自动控制的指南车原理

　　由于电机转速不同时，速度快的一侧定子绕组会有电压信号输出，利用极化继电器的吸合作用，使得相应的齿轮啮合，带动指针转动。其内部原理图如图2 所示：两个轮子两侧同轴安装两个相同电机，电机与极化继电器相连。其工作过程如下：

　　(1)在起始位置，使车上的指针调于指南方向。

　　(2)当车子向左转动时，右侧定子绕组有电压信号输出，B 点电位高于 A 点电位，此时极化继电器向一侧吸合，电磁吸包 A1 得电吸合，此时组合齿轮 G2与斜齿轮 M 啮合，带动 G3 转动，与 G3 同轴相连的指针也随之转动。

　　(3)当车子向右转动时，左侧定子绕组有电压信号输出，A点电位高于B点电位，此时极化继电器向另一侧吸合，电磁吸包 B1 得电吸合，此时组合齿轮G1与斜齿轮 S 啮合，带动 G3 向相反的方向转动，与G3同轴相连的指针也随之转动(两个弹簧的作用是保证G1、G2、M、S 的位置准确)。