感应同步器
第十二章 感应同步器及应用
第十二章感应同步器及应用§1感应同步器的结构和特点一、结构感应同步器是一种将直线位移或转角位移转化成电信号的传感器。
从原理上看，它与我们前面讲到的旋转变压器并无实质的区别，但是从结构上看，则与旋转变压器（及一般的其他控制电机）大不相同。
无论哪一种感应同步器，其结构都包括固定和运动两部分。
它的可动部分与不动部分上的绕组不是安装在圆筒形和圆柱形的铁心槽内，而是用绝缘粘合剂把铜铂粘牢在称为基板的金属或玻璃平面的薄板上，利用印刷、腐蚀等方法制成曲折形状的平面绕组，其工艺过程与电子工业中的印刷电路相同，故称为印刷绕组。
感应同步器按其运动方式和结构形式的不同，可分为圆盘式（或称旋转式）和直线式两种，前者用来检测角位移，后者用来检测直线位移。
但无论是哪种感应同步器，其工作原理都是相同的。
二、特1.具有较高的精度和分辨力①感应同步器可以不经任何机械传动直接测量仪器或机床的线位移或角位移，所以其测量精度首先取决于感应同步器本身的加工精度，这可由加工精度来保证。
②长感应同步器的基板与安装部件材料相近，热膨胀系数相近，圆感应同步器的基板受热后各方向的膨胀对应于圆心，所以温度变化对其影响不大。
③感应同步器的极对数很多，不是几十，而是几百上千，这样多的极对数同时参加工作，误差的平均效应减小了局部误差的影响。
④感应同步器的分辨率取决于原始信号质量与电子细分电路的信噪比及电子比较器的分辨率，前者可通过控制印刷电路绕组的加工精度、稳定激磁电压、限制气隙变化等措施来解决，后者可通过线路的精心设计和采取严密的抗干扰措施来解决。
目前长感应同步器的精度可达到±1郭m，分辨率0.05p m，重复性0.2p m，直径为300mm（12英寸）的圆感应同步器的精度可达±1〃，分辨率0.05 〃，重复性0.1〃。
这些性能，旋转变压器是达不到的。
2.抗干扰能力强感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置量相对应的单值电压信号，因而不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响。
感应同步器的组成和原理
感应同步器的组成和原理2009年10月22日感应同步器分为直线型和旋转型两大类，直线型由定子和滑尺组成，用于检测直线位移，旋转型由定子和转子组成，用于检测旋转角度。
本节仅介绍直线型感应同步器的组成和原理：如图3 15所示，直线型感应同步器由定尺和滑尺组成。
其定尺是单向均匀感应绕组，绕组节距2 τ通常为2mm。
滑尺上有两组励磁绕组，一组称为正弦绕组，另一组为余弦绕组，两个绕组的节距与定子相同，在空间上相互错开1／4节距，于是两个励磁绕组之间相差90°电角度。
滑尺安装在被测的移动部件上，滑尺与定尺相互平行，并保持一定的距离，约0.2~0.3mm向滑尺通以交流励磁电压，在滑尺中产生勋磁电流，绕组周围便产生按正弦规律变化的磁场。
由电磁感应在定尺绕组上产生感应电压，当滑尺和定尺间产生相对位移时，由于电磁磁耦合强度的变化，就使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。
一、感应同步器种类和特点l感应同步器的种类感应同步器有测量长度用的直线式和测量旋转角度用的旋转式两种。
下面着重介绍直线式．．(1)标准式：是直线式中精度最高的一种，使用最广，在数控系统和数显装置中大量应用：常用型号为GZD一1和GZH一1型。
(2)窄长式：其定尺的宽度比标准式窄，用于精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难以加工的情况。
(3)三重式：它的滑尺和定尺上均有粗、中、细：套绕组．定尺上粗中绕组相对位移垂直方向倾斜不同角度，细绕组和标准式的一样。
滑尺上的粗、中、细三套绕组组成：个独立的电气通道，粗、中、细的极距分别是4000、100和2mm三通道同时使用即可组成一套绝对坐标测量系统，测量范围为0．002～2000mm在此测量范围内测量系统只有一个绝对零点。
单块定尺的长度有200和300mm两种，它特别适用于大型机床、。
(4)带子式：它的定尺绕组是印制在I.8m长的不锈钢带上，其两端固定在机床床身上(一端用弹性固定)滑尺像计算尺的游框那样跨在带状定尺上，可以简化安装，减少安装面，而且能使定尺随机床床身热变形而变形。
什么是感应同步器-感应同步器的结构与安装
什么是感应同步器?感应同步器的结构与安装感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位移或角位移而转变。
感应同步器依据用途和结构特点分为直线式、旋转式两类。
直线式由定尺和滑尺组成，用以测量直线位移，用于全闭环伺服系统；旋转式由定子和转子组成，用以测量旋转角度，用于半闭环伺服系统。
1、感应同步器的结构1）直线感应同步器1-基板；2-绝缘层；3-绕组；4-屏蔽层直线感应同步器由定尺和滑尺组成。
定尺和滑尺的基体通常采纳厚度为10mm、与机床床身材料的热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成，以减小与机床的温度误差。
平面绕组为铜箔，通常采纳厚度为0.05mm或0.07mm的纯铜箔，用绝缘粘结剂将铜箔热压粘结在基体上，经精密的照相腐蚀工艺制成所需印刷绕组形式。
在定尺绕组表面上涂上一层耐切削液的清漆涂层作为爱护层，以防止切削液的飞溅影响。
在滑尺绕组表面上贴一层带塑料薄膜的绝缘铝箔，以防止在感应绕组中因静电感应产生附加的容性电势。
“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。
当需要增加测量范围时，可将定尺接长。
依据详细的使用状况，根据肯定的步骤和要求拼接定尺，全部定尺接好后，采纳激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，对超差处进行重新调整，使得总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。
2）圆感应同步器1-转子基板；2-转子绕组；3-定子绕组；4-定子基板；5-绝缘层；6-屏蔽层（a）定子绕组（b）转子绕组转子绕组——连续绕组；定子绕组——分段式、两相正交（相差90°电角度）sin绕组、cos 绕组2、感应同步器的安装定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。
为防止切屑和油污浸入，一般在感应同步器上安装防护罩。
必需保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为0.25±0.05mm。
保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，削减测量误差。
感应同步器的工作原理
感应同步器的工作原理
感应同步器是一种电力传动装置，用于控制电力机械的旋转速度和方向。
其工作原理基于磁场感应和电动机的运动学原理。
感应同步器由两个电动机组成，一个称为感应电动机，另一个称为同步电动机。
感应电动机的转子由铜圆环和铁心构成，电感为整圆筒形；同步电动机的转子为大功率电动机，由多极磁铁和铁心构成。
当感应同步器的感应电动机运转时，电流在铜圆环中形成旋转磁场。
该旋转磁场引起在同步电动机的磁铁中产生磁场，在同步电动机中也产生旋转磁场。
由于同步电动机的转子具有多极磁铁，所以它的旋转速度是固定的，称为同步速度。
感应电动机的转速可能高于或低于同步速度，当它的转速低于同步速度时，它的旋转磁场和同步电动机的旋转磁场产生相互作用，从而产生转矩，使感应电动机逐渐加速。
一旦感应电动机达到同步速度，旋转磁场和同步电动机的旋转磁场就同步了。
感应同步器的转矩与铜圆环所产生磁场的强度成正比，因此，如果减小铜圆环内的电流强度，就可以减小感应同步器产生的转矩。
这种方法可用于控制电机的速度和方向。
总之，感应同步器的工作原理基于磁场感应和电动机的旋转速度的同步原理。
当
感应电动机的转速低于同步速度时，感应同步器会产生转矩，使电动机逐渐加速，直至达到同步速度。
使用感应同步器可以控制电动机的速度和方向，广泛用于工业和交通领域。
感应同步器的组成和原理
感应同步器的组成和原理感应同步器的组成和原理2009年10月22日感应同步器分为直线型和旋转型两大类，直线型由定子和滑尺组成，用于检测直线位移，旋转型由定子和转子组成，用于检测旋转角度。
本节仅介绍直线型感应同步器的组成和原理：如图3 15所示，直线型感应同步器由定尺和滑尺组成。
其定尺是单向均匀感应绕组，绕组节距 2 T通常为2mm。
滑尺上有两组励磁绕组，一组称为正弦绕组，另一组为余弦绕组，两个绕组的节距与定子相同，在空间上相互错开 1 /4节距，于是两个励磁绕组之间相差90°电角度。
滑尺安装在被测的移动部件上，滑尺与定尺相互平行，并保持一定的距离，约0.2〜0.3mm 向滑尺通以交流励磁电压，在滑尺中产生勋磁电流，绕组周围便产生按正弦规律变化的磁场。
由电磁感应在定尺绕组上产生感应电压，当滑尺和定尺间产生相对位移时，由于电磁磁耦合强度的变化，就使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。
定尺图3 -15直线型感应同步器1 -正弦励磁绕组2—余眩励建绕组、感应同步器种类和特点l感应同步器的种类感应同步器有测量长度用的直线式和测量旋转角度用的旋转式两种。
下面着重介绍直线式••(1) 标准式：是直线式中精度最高的一种，使用最广，在数控系统和数显装置中大量应用：常用型号为GZD —1 和GZH —1 型。
(2) 窄长式：其定尺的宽度比标准式窄，用于精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难以加工的情况。
(3) 三重式：它的滑尺和定尺上均有粗、中、细：套绕组.定尺上粗中绕组相对位移垂直方向倾斜不同角度，细绕组和标准式的一样。
滑尺上的粗、中、细三套绕组组成：个独立的电气通道，粗、中、细的极距分别是4000、100和2mm 三通道同时使用即可组成一套绝对坐标测量系统，测量范围为0 .002〜2000mm 在此测量范围内测量系统只有一个绝对零点。
单块定尺的长度有200和300mm 两种，它特别适用于大型机床、。
(4) 带子式：它的定尺绕组是印制在 1.8m 长的不锈钢带上，其两端固定在机床床身上(一端用弹性固定)滑尺像计算尺的游框那样跨在带状定尺上，可以简化安装，减少安装面，而且能使定尺随机床床身热变形而变形。
感应同步器
p N / 2 2 L
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9.3.2 感应同步器的工作原理—旋转
• 感应电势的瞬时值 领先激磁电压90°。 若激磁电压为
u 2U sin t U m sin t
es 2 E0 m sin
2 cos t L
L/2
ec 2 E m cos
9.3.2 感应同步器的工作原理—直线
定尺 V2 滑 尺 位 置 A 1 L B 4 1 C L 2 3 D L 4 E L A M O C B C D N E 正弦绕组 P x
余弦绕组
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9.3.2 感应同步器的工作原理—直线
V2
A M O B 余弦绕组 C N D
•定尺绕组通1-10kHz交流 电激磁 ， 产生一个多极 的脉振磁场， •磁极之间的距离是τ， 磁场分布周期是节距L。 •脉振磁场在滑尺绕组上 产生感应电势， 有效值 随滑尺位移作周期性变 化，周期为节距L。
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9.3.2 直线感应同步器的工作原理
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9.3.3 感应同步器的信号处理方式
鉴幅型处理方式—根据信号的幅值鉴别电角 1）两相激磁式
给Hale Waihona Puke 激磁电压幅值如下感应 绕组
激磁 绕组
1为指令位移角，是已知的。单相连续绕组的总感应电势为
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9.3.3 感应同步器的信号处理方式
2）单相激磁式
给定激磁电压 在正弦绕组和余弦绕组的 感应电势分别为 送入函数变压器或 其他装置中处理 送入加法器相加后作为输出信号输出
第8课 感应同步器教案
I、示标II、复习1、旋转变压器的结构和工作原理2、旋转变压器的应用III、新授第二节感应同步器一、感应同步器的结构和工作原理感应同步器是从旋转变压器发展而来的，也是一种电磁式的检测传感器，按其结构可分为直线式和旋转式两种。
这里着重介绍直线式感应同步器。
直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器。
它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。
两者平行放置，保持0.2~0.3mm的间隙，如图3.4所示。
A-正弦励磁绕组；B-余弦励磁绕组图3.4 感应同步器结构示意图标准的感应同步器定尺长250mm，尺上有单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，如图3.4中A所示，一组叫余弦励磁绕组，如图3.4中B所示。
定尺和滑尺绕组的节距相同，用2τ表示。
当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差1/4节距。
由于定尺绕组是均匀的，故表示滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1/4节距，即π/2相位角。
定尺和滑尺的基板采用与机床床身材料的热膨胀系数相近的低碳钢，上面有用光学腐蚀方法制成的铜箔锯齿形的印刷电路绕组，铜箔与基板之间有一层极薄的绝缘层。
在定尺的铜绕组上面涂一层耐腐蚀的绝缘层，以保持尺面。
在滑尺的绕组上面用绝缘的粘接剂粘贴一层铝箔，以防静电感应。
感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。
当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。
所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺间的直线位移。
图3.5说明了定尺感应电压与定尺、滑尺绕组的相对位置的关系。
若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压，则在定子绕组中产生励磁电流，因而绕组周围产生了旋转磁场。
这时，如果滑尺处于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。
感应同步器与磁栅尺
8
二
感应同步器的应用
• 感应同步器具有测量精度高，测量位移大，工作 可靠、抗干扰能力强，使用寿命长的优点。目前 直线式感应同步器的测量精度可达1.5μm，分 辨率可达0.05μm。直线感应同步器广泛应用于 数控坐标镗床、坐标铣床及其它数控机床的定位、 控制和数显等。旋转式感应同步器常用于雷达天 线定位跟踪、精密机床或测量仪器分度装置等。
机电一体化技术
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同步感应器与磁栅尺
2
一
感应同步器的结构与工作原理
感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁感应原理制成的位移测量装置。按结构 和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，前者用于测量直线位移， 后者用于测量角位移。
直线感应同步器
圆盘旋转式感应同步器
• 另外，在感应同步器使用时，定尺和滑尺相互平 行安装，其间有大约0.25±0.05 mm的间隙， 间隙的大小会影响电磁耦合度。
直线感应同步器数显装置系统示意图
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二
感应同步器的应用
• 目前直线式感应同步器的测量精度可达1．5μm ，分辨率可达0.05μm，并可测量 较大位移。感应同步器广泛应用于数控坐标镗床、坐标铣床及其它数控机床的定位、 控制和数显等。旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器 分度装置等。
3
一
感应同步器的结构与工作原理
1.感应同步器的结构
直线感应同步器由定尺和滑尺 组成。
直线感应同步器结构示意图 1—固定部件 2—运动部件 3—定尺绕组引线 4—定尺座 5—防护罩
6-滑尺 7—滑尺座 8—滑尺绕组引线 9—调整垫 10—定尺
4
一
感应同步器的结构与工作原理
感应同步器发展综述
感 应 同 步 器最 早 是 由美 国空军 提 出 ， 由纽 约 州法 兰 德 光学 公 司 承 接 的一 个 研 究 项 目 ，经 过 四年 研 制 于 五 十
年 代初 期 研 制 成 直 径 为 ５ 寸 ，精 度 为 ５角 秒 、精 度 为 英
工作 。 其简单 的测量工作原理框图如 图 １ 所示 。
感 应 闻 步 嚣
ห้องสมุดไป่ตู้
应同步器 。 三重式感应 同步器是为 了在一特定长度 内， 随 时准确地决定运动体相对位移 的绝对位置 ，建立一绝对 座标测量系统而设计的。 定尺尺寸为 ２０× ６ ９３ｍ ０ ８． ２× － ｍ 和３ ０×８ ．×９３ ｍ 滑 尺 尺 寸 为 ９ ×９ ９３ｍ 重 复 ６２ ． ｍ ； ４ ７× － ｍ， 周期 长度 ： 绕组为 ２ｍ 中绕组 为 １０ｍ 粗绕组 为 精 ｍ， ０ ｍ， ４ ０ｍ 带 式 感 应 同步 器 。 装 式 感 应 同步 器 。 ０ ｍ。 组 多层 式 感
摘 要 ： 应 同 步 器 于二 十世 纪 ５ 感 ０年 代 研 制 成 功 ， 要 用 来 测 量 直 线位 移 和 角 位 移 ， 广 泛 的应 用 于 宇 宙 航 主 被
行 、 海 军 事 等 各 个领 域 。 着科 学技 术 的 飞 速 发展 ， 航 随 出现 了很 多其 他 的 测 量 位移 和 角度 的 方 法 ， 是 ， 于感 但 由
弦绕 组 。感 应 同步 器 的 分段 绕 组 和 连 续 绕 组 相 当 于变 压 器 的一 次 侧 和二 次 侧 线 圈 ，利 用 交 变 电磁 场 和互 感 原 理 专 门设 计 的 。 尺 尺寸 为 ２ ０ ２ ． ９３ ｍ 滑 尺尺 寸 为 定 ５×７ ９× －ｍ ； １１ ×３ ． ９８ｍ 重 复 周 期 长 度 为 ２ｍ 三 重 式 感 ０． ５ ６ ３× ． ｍ， ｍ。
旋转变压器和感应同步器
图4-19 正、余弦旋转变压器原理图
1) 鉴相型工作方式 定子的正、余弦绕组分别通入同幅、同频，但相位差为π/2的交流励 磁电压，即
Us=Um sinωt
Uc= Umsin(ωt+ π/2)=Um cosωt 当转子正转时这两个励磁电压在转子绕组中产生了感应电压，经叠 加，在转子中的感应电压为
U 2 U s sin U c cos U 2 KU m sin t sin KU m cost cos
2) 鉴幅型工作方式 给定子的正、余弦绕组分别通以同频率、同相位，但幅值分别按正 弦、余弦规律变化的交流励磁电压，即
Us= Um sinαsinωt Uc= Um cosαsinωt Um sinα、Um cosα分别为励磁电压的幅值 式中：α－给定电气转角。
当转子正转时，由于Us、Uc 的共同作用，经叠加，在转子上的感应电压为
根据励磁绕组中励磁方式的不 鉴相型工作方式 给滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组分别通以频率相同、幅值
相同，但相位差为π/2的励磁电压，即
Us= Um sinωt Uc= Umsin(ωt+ π/2)=Um cosωt
励磁信号将在空间产生一个以ω为频率移动的行波。磁场切割定尺 绕组，并在定尺绕组中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺相对位置 的不同而产生超前或滞后的相位差θ。按照叠加原理可以直接求出感应 电势
U2= KUmcos(α-θ)sinωt 同理，转子反转时，可得
(4-8)
U2=KUmcos(α+θ)sinωt
(4-9)
式(4-8)、(4-9)中，kUmcos(α-θ)、 kUmcos(α+θ)为感应电压的幅值。
由式式(4-8)、(4-9)可以看出，转子感应电压的幅值随转子的偏转角θ而变化,
第3章 电感式传感器D--感应同步器
14
1. 鉴相型 给滑尺的S和C绕组以等频、 等幅、 相位差为90°的电压 分别激磁，就可根据感应电势的相位来鉴别位移量。若定尺节 距为W（标准为2 mm），机械位移x引起的电相角变化 为θ =
2π 。其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为 x W
2π e = kωU m sin(ωt + θ ) = kωU m sin(ωt + x) （3-3） W
10
图3-6 感应电动势与两相绕组相对位置的关系
11
感应同步器的优点：
①具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电 路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应 同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应 减小了局部误差的影响。目前长感应同步器的精度可达到 ± 1.5µm，分辨力0.05µm ，重复性0.2µm 。 ②抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量 装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压 信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。 平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。 ③使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺、定子和转子互不接 触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰 尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩， 防止铁屑进入其气隙。 ④可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要，将若 干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单 个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床工作台位移的 直线测量，大多采用感应同步器来实现。 ⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。 12
8
3.8.2 感应同步器的工作原理 感应同步器安装时，定尺和滑尺、转子和定子上的平面绕 组面对面地放置。由于其间气隙的变化要影响到电磁耦合度的 变化，因此气隙一般必须保持在（0.25±0.05）mm的范围内。 感应同步器工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励 电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该 电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同呈正弦、 余弦函数变化。也就是说，感应同步器可以看做一个耦合系数 随相对位移变化的变压器，其输出电动势与位移具有正弦、余 弦的关系。利用电路对感应电动势进行适当的处理，就可测量 出直线或转角的位移量。
感应同步器概述
(2) 直线感应同步器可直接固定在机床的运动部分和 静止部分, 不需要经过中间的传动装置而直接测量位移, 因而可以消除由于传动装置带来的齿隙误差。 同时它的 定、 滑尺基片的膨胀系数与机床一样, 温度变化不会造 成附加的测量误差。
(3) 把几个定尺联接起来, 还可以长距离工作, 高速度 移动。
(4) 制造方便, 坚固耐用, 对环境适应性强, 维护简便。
图 6 - 24 直线式感应同步器在机床上的安装简图
图 6 - 25 直线式感应同步器的磁场
图 6 - 26 定、 滑尺相对位置改变时滑尺导片 所匝链磁通的变化
图 6 - 27 滑尺导片电势有效值
滑尺导片电势也可用函数式来表示。 首先将对应 于位移x的电角度表达出来。 已知一对极距离为2τ, 对 应的电角度为360°, 那末对应于位置x(米)的电角度为
(6 - 27)
对于直线感应同步器, 式中, θ为对应滑尺位移x的 电角度, 即θ=(180°/τ)·x。 对于旋式感应同步器, θ为转 子的位移角(电角度)。 由式(6 - 27)可以看出, 感应同步 器把滑尺的直线位移或转轴的转角变换成输出电压的 时间相位移。 只要通过一定的电路鉴别出输出电压时 间相位移, 就可以知道滑尺的位移距离或转轴转过的角 度。 因此这种情况下的感应同步器是处于鉴相工作方 式。
e =kueb cosθ-kuea sinθ
=kuE0(sinθ1cosθ-cosθ1sinθ)sinωt
=kuE0sin(θ1-θ)sinωt
可见感应同步器输出电势的幅值正比于指令位移 角和滑尺(或定子)位移角的差角θ1-θ的正弦函数。 如果 将感应同步器的输出经放大后控制电机转动, 那末, 只 有当θ=θ1或x=θ1τ/180°, 感应同步器的输出电压为0时, 电机才停止转动。 这样一来, 工作台就能严格按照指令 转动或移动。 由于这种系统是用鉴别感应同步器输出 电压幅值是否为0来进行控制的, 所以称为鉴幅工作方 式或鉴零工作方式。
圆感应同步器电磁场仿真
圆感应同步器电磁场仿真
圆感应同步器是一种利用电磁场感应原理实现同步传输的设备。
它由一个圆形线圈组成，线圈中通有交流电流。
当通过线圈的交流电
流改变时，圆感应同步器会产生一个变化的电磁场。
在圆感应同步器周围的空间中，电磁场的强度和方向会随着时间
的变化而改变。
这个变化的电磁场可以被其他设备或线圈所感应到，
并且产生电流。
当一个设备或线圈靠近圆感应同步器时，设备或线圈中的电流会
受到圆感应同步器的电磁场的影响。
如果设备或线圈的频率与圆感应
同步器的频率相同，电磁场可以引起设备或线圈中的电流进行同步运动。
通过这种方式，圆感应同步器可以将电能从一个设备传输到另一
个设备，而无需直接连接电源。
这在一些无线充电设备中得到了广泛
应用。
为了优化圆感应同步器的性能，可以使用电磁场仿真软件进行仿
真分析。
通过仿真，可以预先计算和优化圆感应同步器的电磁场分布、强度和方向。
通过电磁场仿真，可以模拟圆感应同步器中通过的电流的变化，
以及其产生的电磁场变化。
通过分析仿真结果，可以优化圆感应同步
器的结构和参数，以提高其传输效率和稳定性。
总之，圆感应同步器的电磁场仿真是一种重要的工具，可以帮助
设计和优化圆感应同步器的性能，实现高效和稳定的同步传输。
感应同步器 ppt课件
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 化电路为的相作位用变是化将信工号作Δθ台1′，的它位作移为量指检令测信出号来送，入并鉴表相达器成；与测基量准装信置号及之信间号的处相理 位表鉴示相差，器Δθ且的2′，同作也频用被率就送、是入同鉴鉴周别相期 出器。 这。因 两这此 个两， 信路它 号信们 的号两 相都者 位用之 差它间 ，们的 并与相 以基位与准差此信为相号位δ′之＝差间Δ信θ的1号′－相成Δ位θ正2差′。 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。
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。
Us Umsinsint
Uc Umcos sint
式中 α—给定的电气角。
则在定尺绕组产生的总感应电压为
U 2 K m sU s in t i c n o K m s cU s ot i s s n i
＝ Km s U in s itn
频的二进制计数器，称为基准分频通道。为适应感应同步器滑尺的两励 磁绕组供电的要求，该通道输出两路幅值相等、频率相同、相位相差900 的脉冲信号，经激磁供电线路变成正、余弦信号给滑尺正弦、余弦绕组
励磁。另一路先经过脉冲加减器，再进入分频器2，该分频器也为1/N分
频二进制计数器，称为调相分频通道。调相分频通道的任务是将指令脉 冲信号调制成与基准脉冲有一定关系的输出脉冲信号，其相位差大小和
感应同步器
直线式感应同步器由定尺 和滑尺组成，用于直线位移测 量。
旋转式感应同步器由转子 和定子组成，用于角位移测量。
以直线式感应同步器为例，
介绍其结构和工作原理。
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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5-16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。
U2
2τ 定尺
滑尺
正弦绕组
US
Uc
余弦绕组
7
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图所示。
定尺
滑A
尺 B 1 2t 4
位 C 1 2t 2
U2
定尺
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
滑尺
正弦绕组
US
Uc
余弦绕组
6
直线感应同步器结构
感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定 尺的节距均为，这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。
V2
A M
OB
E N 正弦绕组
DP
C 余弦绕组
11
应用
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感应同步器
感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。
可用来测量直线或转角位移。
测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。
长感应同步器由定尺和滑尺组成，如图3-45所示。
圆感应同步器由转子和定子组成，如图3-46所示。
这两类感应同步器是采用同一的工艺方法制造的。
一般情况下。
首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。
这种绕组称为印制电路绕组。
定尺和滑尺，转子和定子上的绕组分布是不相同的。
在定尺和转子上的是连续绕组，在滑
尺和定子上的则是分段绕组。
分段绕组分为两组，布置成在空间相差相角，
又称为正、余弦绕组。
感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。
安装时，定尺和滑尺，转子和定子上的平面绕组面对面地放置。
由于其间气隙的变化要影响到电磁耦合度的变化，因此气隙一般必须保持在
的范围内。
工作时，如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。
再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。
感应同步器的优点是：①具有较高的精度与分辨力。
其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。
感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。
目前长感
应同步器的精度可达到，分辨力，重复性。
直径为
的圆感应同步器的精度可达，分辨力，重复性。
②抗
干扰能力强。
感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。
平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。
③使用寿命长，维护简单。
定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。
它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。
但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。
④可以作长距离位移测量。
可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。
拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度。
目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。
⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加
工中测量装置等。
圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
感应同步器的工作原理如下。
当一个矩形线圈通以电流后，如图3-47a所
示，两根竖直部分的单元导线周围空间将形成环形封闭磁力线（横向段导线暂不考虑），图中号表示磁力线方向由外进入纸面，·号表示磁力线方向由纸面引
出外面。
在任一瞬间（对交流电源的瞬时激励电压而言），如图3-47b所示，由单元导线1所形成的磁场在1～2区间的磁感应强度1由到2逐渐减弱，如近似
斜线所示。
而由单元导线2所形成的磁场在1～2区间的磁感应强度2由到1逐渐减弱，如近似斜线所示。
由于2和1电流方向相反，故在1～2区间产生
的磁力线方向一致。
和合成后使1～2区间形成一个近似均匀磁场。
由此可
见，磁通在任一瞬间的空间分布为近似矩形波，而它的幅值则按激磁电流的瞬时值以正弦规律变化。
这种在空间位置固定、而大小随时间变化的磁场称为脉振磁场。
对上述矩形波采用谐波分析的方法，可获得基波、三次谐波，五次谐波。
图3-47c用虚线画出了方波的基波和三次谐波。
在下面的讨论中将只考虑基波
部分，即把基波的正弦曲线作为的分布曲线，谐波部分将设法消除或减弱。
这
样，磁通密度将按位置作余弦规律分布，而且幅值与电流成正比，即
(3-89)
式中——矩形线圈宽度；
——比例系数。
当把另一个矩形线圈靠近上述通电线圈时，该线圈将产生感应电动势，其感应电动势将随两个线圈的相对位置的不同而不同。
如图3-48所示，设感应线圈的中心从励磁线圈中心右移的距离为，则穿过
线圈的磁通为
（3-90）
把式（3-89）代入可得
（3-91）
由此可得感应线圈的感应电动势为
（3-92）
在实际应用中，设励磁电压为，则感应电动势为
（3-93）
若将励磁线圈的原始位置移动的空间角，则
（3-94）
式中——励磁电压幅值；
——励磁电压角频率；
——比例常数，其值与绕组间的最大互感系数有关，常称为电磁耦合系数，用表示；
——绕组节距，又称感应同步器的周期，；
——励磁绕组与感应绕组的相对位移。
式（3-93）、（3-94）表明，感应同步器可以看做一个耦合系数随相对位移变化的变压器，其输出电动势与位移具有正弦、余弦的关系。
利用电路对感应电动势进行适当的处理，就可以把被测位移显示出来。
由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁方式，并可对输出信号采取不同的处理方式。
从励磁方式来说，可分为两大类：一类是以滑尺（或定子）励磁，由定尺（或转子）取出感应电动势信号；另一类以定尺（或转子）励磁，由滑尺（或定子）取出感应电动势信号。
目前在实用中多数用前一类励磁方式。
从信号处理方式来说，可分为鉴相方式和鉴幅方式两种。
它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。
下面以长感应同步器为例进进叙述。
1.鉴相方式
如图3-45所示，在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位差为的交流电压励磁即
正弦绕组励磁电压
余弦绕组励磁电压
式中——励磁电压幅值。
正余弦绕组空间位置相差，其中为整数，两个励磁绕组分别在定尺绕组上感应出电动势，其值分别为
（3-95）
按叠加原理求得定尺总感应电动势为
式中的称为感应电动势的相位角，它在一个节距之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应关系，每经过一个节距，变化一个周期。
由此可见，通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压比相，即可测出定尺和滑尺之间的相对位移。
感应同步器在鉴相方式下工作，也可以定尺绕组励磁，由滑尺两绕组取出两个感应电动势，再把其中之一移相进行相加，同样可得到上述结果。
2.鉴幅方式
仍如图3-45所示，加到滑尺两相绕组交流励磁电压如下：
它们分别在定尺绕组上感应出电动势为
（3-96）
定尺的总感应电动势为
（3-97）
采用函数变压器使励磁电压幅值为
式中的为励磁电压的电相角，则感应电动势可写成
(3-98）
该式把感应同步器定尺滑尺间的相对位移角与励磁电压的电相角联系了起来。
设在原始状态时，则。
然后滑尺相对定尺有一位移，使，则感应电动势增量为
（3-99）
由此可见，在位移增量较小的情况下，感应电动势增量的幅值与成正比，通过鉴别感应电动势的幅值，就可测出的大小。
实际中设计了一个这样的电路系统，每当位移超过一定值（例如
），就使的幅值超过某一预先调定的门槛电平，发出一个脉冲，并利
用这个脉冲去自动地改变励磁电压幅值和，使新的跟上新的，这样便把位移量转换成数字量，从而实现了对位移的数字显示。
上述鉴幅方式是用正弦波进行励磁。
此外还有使用方波进行励磁，用数字正、余弦函数发生器进行数模转换的另一种鉴幅方式，称之为脉冲调宽鉴幅方式。
具体情况，在《测控电路》课程中介绍。