位置检测装置

第四章 位置检测装置 §4.2 旋转变压器
V1 = Vm sin ωt V1 = Vm sin ωt V1 = Vm sin ωt
V2 = KV sinθ 1 = KVm sinωt sinθ
式中 K—变压比 （即绕组匝数比）； Vm—励磁信号的幅值； ω—励磁信号角频率； ᶿ—旋转变压器转角。
θ
第四章 位置检测装置
U2 定尺
滑尺 正弦绕组 Us Uc 余弦绕组
直线感应同步器结构
第四章 位置检测装置
直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压 器，其结构如图下图所示，定尺和滑尺的基板采用与 机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结 剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。 长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装 于移动部件上，两者平行放置，保持0.25~0.05mm间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，是 衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定 尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、 均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正 弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对 齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。
= KVm cos( − θ ) sinωt α
= KVm sinωt(sinα sinθ + cosα cosθ )
第四章 位置检测装置
同理，如果转子逆向转动，可得
V2 = KVm cos(α + θ ) sin ωt
由上两式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转 角而变化，测量出幅值即可求得转角。 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当 角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个 导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过 的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算 成位移总长度。
第四章 位置检测装置 §4.2 旋转变压器
旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子 绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变 压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电 压大小与转子位置有关。 旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工 作台的位移。 旋转变压器分为单极和多极形式。
通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测 量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应 输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60， 当节距为2mm情况下，表明滑尺移动了0.02mm。
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滑尺 定尺 机床
Vs
基准信号发生器 激磁 供电 线路
Vc
放大 滤波
+x
脉 冲 调
鉴 相 相 器 器 器 大
第四章 位置检测装置
假如，转子逆向转动，可得
V2 = KVm cos(ωt + θ )
(4-2)
由式(4-1)和(4-2)可见，转子输出电压的相 位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系， 这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就 可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和 被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就 知道了。
V2 V2
V2
旋转变压器工作原理
第四章 位置检测装置 §4.2 旋转变压器
VS
实际使用时通常采用多极形式，如正 余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个 匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如 图4-2所示。一个转子绕组接高阻抗作为 补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠 加原理，其磁通为
VC ɵ
定子
Φ 2＝Φ s sin θ + Φ c cos θ
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第四章 位置检测装置 §4.1 位置检测装置概述
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半 闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发 出反馈信号，构成闭环或Байду номын сангаас闭环控制。
（1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； （4） 成本低。
第四章 位置检测装置
2. 鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、 幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即
Vs = Vm sin α sin ωt Vc = Vm cosα sin ωt
式中 α —激磁绕组中的电气角。 则转子上的叠加电压为
V2 = KVs sinθ + KVc cosθ
第四章 位置检测装置 §4.1 位置检测装置概述
（一） 直接测量和间接测量 1. 直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台 的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。 其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以 在大型数控机床上受到一定限制。 2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转 动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位 置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动 转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。
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感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦 曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个 位移点，如图2中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺 上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样， 若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出 定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们 之间为正弦函数关系(图2中OP)。若滑尺上的正、余弦 绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯 一确定的位移。 二、应用 感应同步器作为位置测量装置安装在数控机床上， 它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。
第四章 位置检测装置
2. 鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频 率相同、相位相同但幅值不同。 U s = U m sin θ 1 sin ωt U c = U m cos θ 1 sin ωt 式中θ1—给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为
U 2 = KU m sin θ1 sin ωt cos θ − KVm cos θ1 sin ωt sin θ
第四章 位置检测装置
定尺 V2 滑 A
1 尺 B 2τ 4 1 位 C 2τ 2 3 置 D 2τ 4
E 2τ
A M O B C 余弦绕组 N D
E 正弦绕组 P θ
感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系
第四章 位置检测装置
若设定尺绕组节距为2τ，它对应的感应电压以余 弦函数变化，当滑尺移动距离为x时，则对应感应电压 以余弦函数变化相位角。由比例关系 θ x = 2π 2τ 可得 2πx πx = θ= 2τ τ ω 设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 U s = U m sin ωt 则定尺绕组感应电压为 U 2 = KU s cos θ = KU m cos θ sin ωt 式中 K—耦合系数； V —激磁电压的幅值； m ω —激磁电压的角频率； θ —与位移对应的角度。
放
电机
-x
图3 感应同步器鉴相测量系统框图
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鉴相式伺服系统利用相位比较原理进行工作。当 数控装置要求工作台沿一个方向位移时，产生一列进 给脉冲，经脉冲调相器的调相分频通道转化为相位变 化信号∆θ1′，它作为指令信号送入鉴相器；测量装置及 信号处理电路的作用是将工作台的位移量检测出来， 并表达成与基准信号之间的相位差∆θ2′，也被送入鉴相 器。这两路信号都用它们与基准信号之间的相位差表 示，且同频率、同周期。因此，它们两者之间的相位 差为δ′＝∆θ1′－∆θ2′ 。鉴相器的作用就是鉴别出这两个 信号的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信 号输出。如果相位差不为零，说明工作台实际移动的 距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，鉴相器 检测出的相位差，经放大后，送入速度控制单元，驱 动电机带动工作台向减少误差的方向移动。若相位差 为零，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置 相同，鉴相器输出电压为零，工作台停止移动。
第四章 位置检测装置 §4.1 位置检测装置概述
（三）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它 送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。 2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号 处理的方法相对来说比较复杂。
第四章 位置检测装置
当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用， 在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的 相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与 定、滑尺的相对位置关系如下图所示。如果滑尺处于A位置，即滑尺 绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多， 则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定 尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置， 与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距 处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大， 但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为 零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相 同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函 数变化了一个周期，如图中ABCDE。
s m
Vc = Vm cosωt
这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，根据线性叠加原理，转 子中的感应电压应为这两个电压的代数和：
V2 = KVs sin θ + KVc cosθ = KVm sin ωt sin θ + KVm cos ωt cos θ
（4-1）
= KVm cos(ωt − θ )
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