1、1.感應同步器結(jié)構(gòu),二、感應同步器,sin,cos,節(jié)距2（2mm）,節(jié)距（0.5mm）,滑尺,定尺,直線感應同步器結(jié)構(gòu),直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-14所示,定尺和滑尺上的電路繞組都是用印刷電路工藝制成的矩形繞組，定尺繞組為單相連續(xù)繞組，節(jié)距為W2，一般取W2=2mm?；呱嫌袃山M分開的繞組，兩個繞組間的距離L1應滿足關(guān)系：L1= (n/2+1/4)W2，其中n為正整數(shù)。因為兩繞組相差90相位角，故分別稱為正弦繞組和余弦繞組。兩相繞組節(jié)距相同，均為W1，通常取W1 = W2= W。,感應同步器,直線感應同步器結(jié)構(gòu),圖5-15是直線感應同步器繞組結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上部為定

2、尺繞組，下部為W型滑尺繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不平行或氣隙不均勻帶來的誤差，各正弦和余弦繞組交替排列。,感應同步器,具有較高的精度與分辨力。 測量長度范圍不受限制。 抗干擾能力強。 使用壽命長，維護簡單。 工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。 輸出信號較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器。,(4) 感應同步器的特點,感應同步器,感應同步器,結(jié)構(gòu)與工作原理 感應同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。 感應同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 直線式感應同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。 旋轉(zhuǎn)式感應

3、同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。,以直線式感應同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。,直線感應同步器相當于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖5-16所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.250.05mm間隙。,直線感應同步器結(jié)構(gòu),感應同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應同步器精度的主要參數(shù)。標準感應同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應繞組，滑

4、尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。,2,當滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應電壓，該感應電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。當只給滑尺上正弦繞組加勵磁電壓時，定尺感應電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系如圖所示。,如果滑尺處于A位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應重合，定尺繞組線圈中穿入的磁通最多，則定尺上的感應電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應電壓逐漸減小。當滑尺移到圖中B點位置，與定尺繞組剛好錯開1/4節(jié)距時，感應電壓為零。再移動至1/2節(jié)距處，即圖中C點位置

5、時，定尺線圈中穿出的磁通最多，感應電壓最大，但極性相反。再移至3/4節(jié)距，即圖中D點位置時，感應電壓又變?yōu)榱?，當移動一個節(jié)距位置如圖中E點，又恢復到初始狀態(tài)，與A點相同。顯然，在定尺移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖5-17中ABCDE。,若設(shè)定尺繞組節(jié)距為2，它對應的感應電壓以余弦函數(shù)變化了，當滑尺移動距離為時，則對應感應電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系,可得,設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓,則定尺繞組感應電壓為,式中 K耦合系數(shù)； Vm激磁電壓的幅值； 激磁電壓的角頻率； 與位移對應的角度。 Vmcos 為感應電壓的幅值,感應電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期

6、性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應電壓的某一幅值對應兩個位移點，如圖5-4中M、N兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開1/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系(圖5-4中OP)。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應電壓值所對應的唯一確定的位移。,E,A,V,2,M,N,正弦繞組,余弦繞組,B,D,C,O,P,1. 鑒相型系統(tǒng) 供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差900的交流勵磁電壓,根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應電壓為,通過鑒別定尺感應輸出電壓的相位，

7、即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。例如定尺感應輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相位差為3.60，當節(jié)距的情況下，表明滑尺移動了0.02mm。,(5-7),有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。,應用,圖5-18 感應同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖,基準信號發(fā)生器輸出一系列一定頻率的基準脈沖信號（載波信號），為伺服系統(tǒng)提供一個相位比較基準。,脈沖調(diào)相器的作用是將來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化的信號。圖5-19為其原理組成框圖，在脈沖調(diào)相器中，由基準信號發(fā)生器產(chǎn)生的基準脈沖信號分成兩路，一路直接輸入分頻器1，它為1/N分頻的二進制計數(shù)器，稱為基準分頻通道。為適應感應同步器滑尺的兩勵磁繞組供電的要求，該通道

8、輸出兩路幅值相等、頻率相同、相位相差900的脈沖信號，經(jīng)激磁供電線路變成正、余弦信號給滑尺正弦、余弦繞組勵磁。另一路先經(jīng)過脈沖加減器，再進入分頻器2，該分頻器也為1/N分頻二進制計數(shù)器，稱為調(diào)相分頻通道。調(diào)相分頻通道的任務是將指令脈沖信號調(diào)制成與基準脈沖有一定關(guān)系的輸出脈沖信號，其相位差大小和極性與指令脈沖有關(guān)。上述兩個分頻器均為1/N分頻，即當輸入N個計數(shù)脈沖后產(chǎn)生一個溢出脈沖。,為說明指令移相情況，設(shè)兩個分頻器均由四個二進制計數(shù)觸發(fā)器C0C3組成，每輸入16個脈沖產(chǎn)生一個溢出脈沖信號。對應無指令脈沖和有指令脈沖兩種情況，可用圖5-20和圖5-21兩個波形圖來描述,C0,C1,C2,C3,F

9、,圖5-7 無指令脈沖時序波形圖,圖5-21所示，有一正向指令脈沖通過脈沖加減器，使得輸入到調(diào)相分頻通道的脈沖個數(shù)增加一個，結(jié)果該分頻器產(chǎn)生溢出脈沖的時刻提前產(chǎn)生。因此，在指令脈沖作用下，調(diào)相分頻通道輸出脈沖與基準脈沖有一個相位差1，且110，0為基準信號發(fā)生器的基準相位；1為指令信號相位；1的大小取決于指令脈沖數(shù)，其隨時間變化的快慢取決于指令脈沖頻率，而其相對于0的超前與滯后，則取決于指令脈沖進給方向。,圖5-21 有指令脈沖時序波形,F,C1,C2,C0,C3,F1,分頻器2輸出,分頻器1輸出,1,當用同一脈沖源的輸出時鐘脈沖去觸發(fā)容量相同的兩個分頻器1和2時（見圖5-7），結(jié)果在兩個分頻

10、器最后一級的輸出是頻率大大降低的兩個同頻率信號。假設(shè)時鐘脈沖頻率為F，當分頻器的容量為N，即N個時鐘脈沖使分頻器的輸出變化一個周期，則分頻器輸出端的脈沖頻率f為：f=F/N（N為最大計數(shù)容量，n為觸發(fā)器個數(shù)）。如果在時鐘脈沖觸發(fā)兩個分頻器的過程中，通過脈沖加減器加入一個指令脈沖，分頻器2的最后一級輸出提前翻轉(zhuǎn)，從而相對于分頻器1產(chǎn)生了一個正的相移1（見圖5-21）。脈沖調(diào)相器每接受一個脈沖便產(chǎn)生一個指令相位增量 1， 1應符合下式,或,如果感應同步器的 節(jié)距為2mm，脈沖當量選定為=0.001mm，一個脈沖對應的相移角1為,數(shù)控裝置每發(fā)一個進給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器變?yōu)槌盎鶞市盘栆粋€0.180相

11、移角的信號，即1=1-0=0.180。此時因工作臺未動，反饋信號相對于基準信號的相位差2=2-0=0（2為定尺繞組上作為反饋信號所取的感應電壓U2的相位）。鑒相器將12 =0.180的相位差檢測出來，經(jīng)放大后控制伺服電動機帶動工作臺移動。隨著工作臺的移動，2逐漸增大，相位差逐漸減少，直至0。,鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較原理進行工作。當數(shù)控裝置要求工作臺沿一個方向位移時，產(chǎn)生一列進給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器的調(diào)相分頻通道轉(zhuǎn)化為相位變化信號1，它作為指令信號送入鑒相器；測量裝置及信號處理電路的作用是將工作臺的位移量檢測出來，并表達成與基準信號之間的相位差2，也被送入鑒相器。這兩路信號都用它們與基準信號之

12、間的相位差表示，且同頻率、同周期。因此，它們兩者之間的相位差為12。鑒相器的作用就是鑒別出這兩個信號的相位差，并以與此相位差信號成正比的電壓信號輸出。如果相位差不為零，說明工作臺實際移動的距離不等于指令信號要求工作臺移動的距離，鑒相器檢測出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，驅(qū)動電機帶動工作臺向減少誤差的方向移動。若相位差為零，則表示感應同步器的實際位置與給定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺停止移動。,2. 鑒幅式系統(tǒng),供給滑尺上正、余弦繞組的勵磁電壓的頻率相同、相位相同但幅值不同。,式中 給定的電氣角。 則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應電壓為,(5-8),式中 與位移對應的角度。,鑒幅式伺

13、服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 由式5-8可知，若電氣角 已知，只要測出U2的幅值，便能求出與位移對應的角度 。實際測量時，不斷調(diào)整 ，讓幅值為零。設(shè)初始位置時， = ，U20，當滑尺相對定尺移動后，隨著不斷增加， ， U2 0 。若逐漸改變值，直至 = ，U20，此時的變化量就代表了對應的位移量，就可測得機械位移。,式5-8,圖5-22 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖,鑒幅式系統(tǒng)的工作原理：進入比較器的信號有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺移動的位移量。另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形式

14、出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，數(shù)控裝置和測量元件的信號處理電路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，工作臺不移動。出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大后，由伺服電機帶動工作臺移動。同時，工作在鑒幅狀態(tài)的感應同步器的定尺感應出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器輸出為零，工作臺不動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求移動的距離，伺服電機繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。,圖5-23 測量元件及信

15、號處理電路,圖5-23,表明測量及信號處理線路是如何將工作臺的機械位移檢測出來并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號。感應同步器根據(jù)工作臺的位移量，輸出正弦電壓信號，該電壓信號的幅值代表工作臺的位移。此正弦信號經(jīng)濾波、放大、檢波、整流以后，變成方向與工作臺移動方向相對應，幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號，這個過程稱解調(diào)，由解調(diào)線路也稱鑒幅器來完成。解調(diào)后的信號經(jīng)電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器變成計數(shù)脈沖，脈沖的個數(shù)與電壓幅值成正比，并用符號觸發(fā)器表示方向。一方面，該計數(shù)脈沖及符號送比較器與進給脈沖比較；另一方面，經(jīng)正余弦(sin/cos)信號發(fā)生器，產(chǎn)生驅(qū)動測量元件的兩路信號sin和cos，使角與此相對應發(fā)生改變

16、。并根據(jù)產(chǎn)生正弦和余弦矩形波，使總是跟隨角的變化而變化。,再一次經(jīng)解調(diào)線路，電壓頻率轉(zhuǎn)換器、sin/cos信號發(fā)生器，產(chǎn)生下一個激磁信號，該激磁信號將使測量元件的輸出進一步接近于零，這個過程不斷重復，直到測量元件的輸出為零時為止。,若感應同步器滑尺沒有新的位移，因激磁信號電氣角由變?yōu)? ，它所輸出的幅值信號也隨之變化，而且逐步趨近于零。 若輸出的新的幅值信號,1. 結(jié)構(gòu)如圖所示 旋轉(zhuǎn)變壓器一般做 成兩極電機的形式。 在定子上有激磁繞組 和輔助繞組，它們的 軸線相互成90。在 轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組 正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。,

17、一、旋轉(zhuǎn)變壓器,2. 原理 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,3. 測量方式 當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應電勢之和，即,

18、一、旋轉(zhuǎn)變壓器,式中: k =w1/w2旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比 w1、w2轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù),線性旋轉(zhuǎn)變壓器實際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為60），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。此時輸出電壓為,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,如圖5-14所示，單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，假設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為，則轉(zhuǎn)子通過電磁耦合，產(chǎn)生感應電壓。,圖5-14 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,式中 K變壓比（即繞組匝數(shù)比）；Vm勵磁信號的幅值； 勵磁信號角頻率； 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。,轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應電壓為,兩磁軸平行，此時轉(zhuǎn)子繞組

19、中感應電壓最大，即,實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，,轉(zhuǎn)子輸出電壓則為,如圖所示。一個轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補償，另一個轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應用疊加原理，其磁通為,圖5-15 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,應用 兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。,1 . 鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即,這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應電壓，電壓的代數(shù)和：,(5-2),由式(5-2)和(5-3)可見，轉(zhuǎn)子

20、輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應關(guān)系，這樣，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。,(5-3),假如，轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得,2. 鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即,式中 激磁繞組中的電氣角。 Umsin , Umcos 為定子兩繞組激磁信號的幅值 則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為,(5-3),同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得,(5-4),由式(5-3)和(5-4)可見，轉(zhuǎn)子感應電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。 如果將旋轉(zhuǎn)變壓

21、器裝在數(shù)控機床的滾珠絲杠上，當角從00到3600時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長度。,雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是將兩種不同極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器合為一體的組合電機，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周中，副端輸出周期數(shù)不同的兩種正旋波電壓信號，構(gòu)成粗、精雙通道系統(tǒng)。主要用于高精度同步隨動系統(tǒng)和軸角編碼系統(tǒng)作為角度傳感元件。,如圖5-14所示，單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，假設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為，則轉(zhuǎn)子通過電磁耦合，產(chǎn)生感應電壓。,圖5-14 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,式中 K變壓比（即繞組匝數(shù)比）；Vm勵磁信號

22、的幅值； 勵磁信號角頻率； 旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。,轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應電壓為,兩磁軸平行，此時轉(zhuǎn)子繞組中感應電壓最大，即,實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，,轉(zhuǎn)子輸出電壓則為,如圖所示。一個轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補償，另一個轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應用疊加原理，其磁通為,圖5-15 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理,應用 兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。,1 . 鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即,這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應電壓，電壓的代數(shù)和：,(5-2),由式(5-2)和(5-3)可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴格的對應關(guān)系，這樣，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。,(5-3),假如，轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得,2. 鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即,式中 激磁繞組中的電氣角。 Umsin , Umcos 為定子兩繞組激磁信號的幅值 則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為,(5-3),同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得,(5-4),由式(