旋转变压器原理

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标准的感应同步器定尺 长250mm，尺上是单 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， 一组叫余弦励磁绕组， 定尺和滑尺绕组的节距 相同。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l／4节距。
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2.6.1 光电脉冲编码器的结构和工作原理
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2.6.2 光电脉冲编码器的应用
正走时，A脉冲超前B脉冲，D门在A信号控制下，将 B脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输出，为负脉 冲。该脉冲经与非门3变为正向计数脉冲输出。D门 输出的负脉冲同时又将触发器置为“0”状态，Q端输 出“0”，作为正走方向控制信号。 反走时，B脉冲超前A脉冲。这时，由C门输出反走时 的负计数脉冲，该负脉冲也由3门反问输出作为反走 时计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都为计数脉 冲输出门。反走时，C门输出的负脉冲使触发器置 “1”，作为反走时方向控制信号。
2.6 光电脉冲编码器 （Photoelectricity Pulse Encoder）
2.6.1 光电脉冲编码器的结构和工作原理
光电脉冲编码器的结构如图2.11所示。在一个圆 盘的圆周上刻有相等间距线纹，分为透明和不透 明的部分，称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋 转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄 片，称为指示光栅，上面刻有相差1／4节距的两 个狭缝(在同一圆周上，称为辨向狭缝)。此外还 有一个零位狭缝(一转发出一个脉冲)。脉冲编码 器通过十字连接头或键与伺服电机相连，它的法 兰盘固定在电机端面上，罩上防护罩，构成一个 完整的检测装置。
′ U sc = U sc1 + U sc2 2πd 2πd + U m sin ωt cos P P 2πd = U m sin(ωt + ) P = U m cos ωt sin
从上式可以看出这和旋转变压器、感应同步器的鉴 相方式应用一样，调制相位就可以得到位移d的大 小。
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数控技术
Numerical Control Technology
机械电子工程系
课程章节安排
绪论 第1章 计算机数控（CNC）装置 第2 数控检测装置 第3章 数控伺服系统 第4章 数控机床的机械结构 第5章 数控加工编程 第6章 数控技术的发展趋势
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第2章 数控检测装置 NC Measuring Devices
2.5.1 磁栅的结构和工作原理
如图2.10所示为磁栅结构框图，它由磁性标尺， 拾磁磁头和检测电路组成。
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2.5.1 磁栅的结构和工作原理
励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。 对应的磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间 内，输出线圈中交链磁通量Φ0→0；磁路由断到通 的时间内，输出线圈中交链磁通量由0→Φ0。Φ0 是由磁性标尺中磁信号决定，由此可见输出线圈中 输出的是一个调幅信号
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2.1.2 检测装置的分类 增量式测量和绝对式测量 增量式测量的特点是只测量位移增量，即 工作台每移动一个测量单位，测量装置便 发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形 式。绝对式测量的特点是被测的任一点的 位置都由一个固定的零点算起，每一测量 点都有一对应的测量值。
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2.3 感应同步器 （Inductosyn）
2.3.1 感应同步器的结构和工作原理
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2.4所示。
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2.4.1 光栅的结构和工作原理
白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光 束，照射在光栅尺上。光敏元件是—种将光强信号转 换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光 强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。
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2.4.1 光栅的结构和工作原理
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2.1 概述 2.2 旋转变压器 2.3 感应同步器 2.4 光栅 2.5 磁栅 2.6 光电脉冲编码器
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2.1 概述 ( Introduction )
2.1.1 对位置检测装置的要求 数控机床对位置检测装置的要求 受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长 期保持精度，抗干扰能力强； 在机床执行部件移动范围内，能满足精度 和速度的要求； 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。
2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
旋转变压器是一种旋转式的小型交流电 机，它由定子和转子组成。如图2.1所示 是一种无刷旋转变压器的结构，左边为 分解器，右边为变压器。
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2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
图2.1 旋转变压器的结构图 1—电机轴 2—外壳 3—分解器定子 4—变压器定子绕组 5—变压器转 子绕组 6—变压器转子 7—变压器定子 8—分解器转子 9—分解器定 子绕组 10—分解器转子绕组
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2.4.2 光栅位移-数字变换电路
光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然 后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向 脉冲或者形成反时针方向的反向脉冲，通过可逆 计数器接受。
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2.4.2 光栅位移-数字变换电路
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2.5 磁栅 （Magnetic Grating）
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2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造 保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正（余） 弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压（为交变电压，频 率为2～4kHz）时，通过互感在转子绕组中产生感应电动 势，如图2.2所示。
图2.2 两级旋转变压器的工作原理
U s = U m sin ωt
U c = U m cos ωt
U 2 = U s sin θ + U c cos θ
U 2 = KU m sin ωt ⋅ sin θ + KU m cos ωt ⋅ cos θ KU m cos(ωt − θ ) =
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2.2.2 旋转变压器的应用
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2.3.2感应同步器的应用
鉴相方式 将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、 频率相同、相位相差90°的交流电压
U s = U m sin ωt
U c = U m cos ωt
U o = KU m sin ωt cos θ − KU m cos ωt sin θ KU m sin(ωt − θ ) =
2.3.2感应同步器的应用
鉴幅方式 将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、 相位相同，但幅值不同的交流电压
U s = U m sin α 1 sin ωt
U c = U m cos α 1 sin ωt
U o = KU m sin α 1 sin ωt cos α 2 − KU m cos α 1 sin ωt sin α 2 KU m sin ωt sin(α 1 − α 2 ) =
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2.3.1 感应同步器的结构和工作原理
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。
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2.3.1 感应同步器的结构和工作原理
若电气角α1已知，则只要测出Uo的幅值KUmsin(α1α2)，便可间接地求出α2。
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2.4 光栅 （Optical Grating )
2.4.1 光栅的结构和工作原理
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电 检测元件，它主要由光栅尺(包括标尺光栅 和指示光栅)和光栅读数头两部分组成，如 图2.6所示。
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2.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴 线在空间的相对位置θ角。两者平行时互感最 大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感 为零，感应电动势也为零。感应电势随着转子偏 转的角度呈正（余）弦变化，故有
U 2 = KU 1 cosθ = KU m sin ωt cosθ
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2.1.2 检测装置的分类 数字式测量和模拟式测量 数字式测量以量化后的数字形式表示被 测的量。数字式测量的特点是测量装置 简单，信号抗干扰能力强，且便于显示 处理。模拟式测量是将被测的量用连续 的变量表示。如用电压变化、相位变化 来表示。
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2.2 旋转变压器 ( Resolver )
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2.1.2 检测装置的分类
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2.1.2 检测装置的分类 直接测量和间接测量 直线型传感器测量直线位移，回转型传 感器测量角位移，则该测量方式为直接 测量。若回转型传感器测量的角位移只 是中间量，由它再推算出与之对应的工 作台直线位移，那么该测量方式为间接 测量，其测量精度取决于测量装置和机 床传动链两者的精度。
U sc1 = U m cos( 2πd ) sin ωt P
则第二组磁头输出的信号必是
U sc2 = U m sin( 2πd ) sin ωt P
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2.5.2 磁栅的应用
相位检测时，在二组磁头A、B的励磁绕组中通以同 频率、同相位、同幅值的励磁电流
i a = ib = I 0 sin ω t 2
U sc = U m cos( 2πd ) sin ωt P
式中，Usc——输出线圈中输出感应电势；Um——输出感应电 势的峰值；P——磁性标尺的节距；d——磁头对磁性标尺 的位移量；ω——输出线圈感应电势的频率。
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2.5.1 磁栅的结构和工作原理
为了辨别磁头移动方向，通常采用间距为(n十1／ 4)P的两组磁头(n＝1，2，3…正整数)，并使两组 磁头的励磁电流相位相差45°，这样两组磁头输出 电势信号相位相差90°。第一组磁头输出信号如果 是
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2.6.2 光电脉冲编码器的应用
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在一个节距内，与滑尺移动距离是一一对应的， 通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑 尺的位移。
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U o = KU m sin α 1 sin ωt cos α 2 − KU m cos α 1 sin ωt sin α 2 KU m sin ωt sin(α 1 − α 2 ) =
鉴幅型应用
定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而 幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即
U s = U m sin θ sin ωt
U c = U m cosθ sin ωt
U 2 = KU m sin(θ − θ m ) sin ωt
在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子激 磁信号的θ(即激磁幅值)，使其跟踪θm的变化。当感应电动 势U2的幅值KUmsin(θ-θm)为零时，说明θ角的大小就是被 测角位移θm的大小。
(2.1)
式中，U2——转子绕组感应电势； U1——定子的激磁电压； Um——定子激磁电压的幅值； θ——两绕组轴线之间的夹角； K——变压比，即两个绕组匝数比N1／N2。
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2.2.2 旋转变压器的应用
鉴相型应用
旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组S和余 弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相 差90°的正弦交流电压，如图2.3所示，即
取磁尺上某N极点为起点，若A磁头离开该N极点的 距离为d，则A、B磁头上拾磁绕组输出的感应电势 分别为
U sc1 = (U m sin ωt ) sin
U sc2 = (U m sin ωt ) cos
2πd P
2πd P
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2.5.2 磁栅的应用
把磁头A输出的感应电势Usc1中的信号Umsinωt移相 π/2，得到U′sc1=(Umcosωt)sin(2πd/P)，如果在求和 电路中，即将U′sc1和Usc2相加，得到总的输出