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 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。

(5)感应组件：是将标准式的定、滑尺封装在匣里的感应组件(定尺经调整接长而成组合式定尺)，而且将励磁变压器和前置放大器也装在里面，便于安装与使用。

2感应同步器的特点
(1)精度高：感应同步器的极对数多，平均效应所产牛的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。

(2)测量长度不受限制：当测量长度大于250ram时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔呵用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最火偏差。

(3)对环境的适应性较强：因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时还能获得较高的重复精度．另外它是利用电磁感应产生信号．对尺面防护要求较低。

使用时还需要注意下列影响。

1 。

同步回路阻抗不对称列同步精度的影响(如励磁变压器的阻抗和同步器的正弦、余弦阻抗)。

2)励磁电压对称性和失真度对精度的影响：
对鉴相系统而言，所谓励磁电压的对称是指励磁电流幅值相等，相位差为90°；对鉴幅系统而言，其列称性是指Umcosθ和Umsinθ的精确性，调整系统时要加以注意．
感应旧步器对励磁电流的失真度要求比较高，一般在1％以下，若在2％以上，则感应同步器输出电动势失真就显得很严重，影响测量精度。

3)感应同步器感应电动势低，阻抗低，所以对抗干扰问题必须引起重视加强屏蔽。

感应同步器与旋转变压器的工作方式相似，根据滑尺中励磁绕组供电方式同，感应同步器可分为相位工作方式和幅值工作方式。

二、相位工作方式
给滑尺正弦绕组和余弦绕组通以同频、同幅而相位差为π／2的交流励磁电压即
当滑尺移动x距离时，ua定尺绕组中感应出的电压为kUscosθm,Uc感应出的电压为KUccos(θm+π／2)=-KUcsinm。

二个励磁电压在定尺绕组中感应的合成电压，电线性叠加得出
式中，K为定尺与滑尺间的电磁耦合系数；um为励磁电压幅值；2τ为节距；x为滑尺移动距离；θm为与机械空间位移相对应的机械角，即与之对应的时间电气相角。

由此可见，定尺的感应电压相位与滑尺的机械位移量间有严格的对应关系。

只要能检出定尺绕组中的感应电压的相位移角，就能够测得所要知道的机械位移量。

三幅值工作方式
给滑尺的正、余弦绕组分别通以同相位、同频率，但幅值不同得励磁电压，即
其中，幅值Usm、Ucm 分别为
式中，θ1为励磁电压的给定相位角。

当滑尺移动时，定尺上的感应电压为
令△θ=θ1－θm，上式可以写成
且
则△θ很小时，有
此时，定尺的感应电压ud实际上是一个微量的误差电压，记为ue，并且误差电压的幅值与滑尺的位移增量△x成正比。

这样，通过测量U的幅值来测定△θ也就是△x的大小了。

在实际应用中，由于不断修
正励磁信号θ1，使其紧紧跟踪θm的变化，因此△θ与△x一定是一个很小的量，才有sin△θ≈△θ成立。

也就是说，只有在位移增量△x很小时，感应电压的幅值才与△x具有正比关系，通过测量ue的幅值来测定位移量的大小。

四感应同步器鉴相系统
在相位检测系统中，表示位移量的指令是以相位差角度值给定的，因此，如果以作为基准相位的参考信号给感应同步器的滑尺两个绕组供电，则从定尺绕组取得的感应电压的相位，将反映出两者的相对位置。

把给定的指令相位(相对于参考信号而言)与感应同步器输出信号相位作比较，当两者相位一致时，表示感应同步器滑尺的实际位置和给定的指令位置一致，反之，有相位差存在，表明两者的位置不一致。

利用它们的相位差作用到测量系统，使得两者变为一致。

感应同步器相位检测系统的基本环节应包括：脉冲一相位变换器，励磁供电线路，误差信号放大器和鉴相器等，其系统的结构框图如图3—16所示。

在闭环轮廓控制的数控装置中，从其框图(图3—16)知，误差信号被用以控制伺服驱动电动机，驱动机床的滚珠丝杠向消除位移误差的方向运动，构成位置反馈。

指令信号是由数控装置(插补器)发出的，经脉冲一相位变换器变成相位信号，作用于测量系统上。

下面简单地介绍一下脉冲一相位变换器等结构原理。

1_脉冲相位变换器的基本原理
这是一种将脉冲数变换成相位位移的数字模拟变换器，其逻辑框图如图3一17所示。

时钟脉冲发生器发出的脉冲列分成两路：一路经基准通道分频器I进行N分频后作为基准相位的参考信号方波：另一路加到加减器，按指令脉冲的性质对时钟脉冲进行加减。

再经指令通道分频器Ⅱ的N分频后产生指令信号方波，当没有进给脉冲加入的情况下，两个分频器系数Ⅳ相同，在接收到N个脉冲后，同时输出一个矩形方波，其频率和相位相同：
当加入表示工作台正向进给的脉冲时，加减器将它们加入时脉冲列中去不允许和时钟脉冲重合)，这样分频器I仍以每接收到Ⅳ个脉冲，输出一个矩形波，而分频器Ⅱ则在同一时间内对(N+n)个脉冲分频，因而输出(1+n／N)个矩形波(n为这个时问内加入的正向给脉冲数)即后者比前者在相位上超前了(n／N)°
反之，加入反向进给脉冲，现在分频器l输出一个矩形波后在分频器Ⅱ中输出(1一n／N)个矩形波，这表示后者比前者在相位上落后(n／N)°
由此可见，分频器Ⅱ输出的指令信号矩形波相对于分频器I输出的矩形波参考信号有相位变化，其相移的数值正比于加八的进给脉冲数n，而相位移动的方向取决于进给脉冲的符号。

如果感应同步器的节距2r=2ram，脉冲当量(δ)选定为0.01mm，即相当于
的相位移。

因此需要把一个节距2mm划分成200等分，所以分频系数N=200，每一个指令脉冲产生l.8°的相位移。

2励磁供电线路
脉冲一相位变换器输出的参考信号，作为棚位基准给感应同步器的绕组励磁。

励磁信号通常采用幅度相同、相位相差90°的两个正弦电压，也有采用方波或梯形波励磁的。

图3 18为正弦波供电线路。

基准通道分频器从末级触发器输出两个相位相差90°的方波，经选频滤波网络变成正弦波。

由功放级给感应同步器动尺的两个绕组励磁。

3鉴相器
鉴相器又叫相位比较器，其作用是鉴别指令信号与反馈信号之间的相位，并判别相位差的大小和相位的超前或滞后。

鉴相器的线路有多种，近来较多采用一种扩展工作范围的鉴相器，或称宽域鉴相器。

这种鉴相器在理论上说，鉴相范围不受限制，可以任意扩展。

即可以在任意个周期之内单值鉴相。

鉴相器的逻辑原理如图3一19所示，它由用D触发器组成的分频器cl、c3和相位比较触发器
c2、c4和三个与非门组成。

当没有c1、c3 时，鉴相范围为±180°。

若c1、c3由一级触发器组
成，鉴相范围为2×(±180。

)。

若c1、c3是由分频系数为n的分频器构成，则鉴相范围是nx(±180°)。

说明鉴相器工作原理的各种波形图如图3一20所示。

当指令信号θ1，和反馈信号θ2相位相同时，鉴相器输出(即M3输出)为恒定的低电平，如图3—20a 所示。

当指令信号θ1的相位超前于反馈信号θ2的相位时，鉴相器输出保持恒定的高电平，而M1和M3有脉冲输出，其脉冲宽度为△θ=θl一θ2，如图3—20b所示
当指令信号θ1的相位滞后于反馈信号θ2的相位时，鉴相器M1输出保持恒定高电平，而M2及M3有脉冲输出，其脉冲宽度为一△θ=θl一θ2如图3一2所示。

在闭环数控机床的伺服系统中，利用滤波网络将鉴相器M1、M2输出的脉夏相位差△θ而变化的脉冲信号变成和△θ成正比的直流电流(带正负号)，去驱动伺服机构，向着消除误差的方向运动。

感应同步器的鉴幅测量系统：
在幅值工作状态下，供给感应同步器滑尺正弦绕组和余弦绕组的励磁信号，是频率和相位相同而幅值不同的两个交流电压。

通过鉴别定尺绕组输出的误差信号的幅值，进行位移测量。

因此在鉴幅测量系统中，作为比较器的是鉴幅器，或称门槛电路。

系统的基本逻辑原理如图3—21所示。

从鉴幅测量的原理看，加给滑尺两个绕组的励磁电压的幅值应满足
起始位置时感应电压e=0，当两尺相对移动后，若励磁仍保持原来的数值则误差信号将增大，当超过门槛值时，产生输出脉冲，让这些脉冲作用到数字一横拟变换器E(D／A变换器)，自动地改变励磁电压的幅值，使其满足上面公式，从而使误差信号总是在门槛电平的上下变动。

门槛电平的整定，是根据脉冲位移(相位)当量来进行的，例如，当脉冲-位移当量为O．01mm／脉冲，那么门槛值应整定在O．0017mm 的数值上，亦即位移7μm产生的误差信号经放大正好达到门槛电平。

另外对2r=2mm的感应同步来说，一个门槛脉冲应当对应于使数字一模拟变换器修改1．8°的sin日、cosθ的励磁值。

怎样产生sinθ、cosθ的励磁电压呢?它由数字一模拟变换器产生的，而数字一
模拟变换器则由多抽头的计数变压器、开关线路和变换计数器组成，计算变压器的抽头必须精确地按照正弦、余弦函数抽出。

变换器中的开关在点位系统中可以是继电器触点，在数字显示系统中，则由运用在对称开关状态下的晶体管构成。

晶体管的接通和断开完全由交换计数器的数字控制，因而随着计数器状态的改变而切换晶体管交流开关的位置。

有些数控机床使用鉴幅工作方式的感应同步器作为位置检测装置，用电压一频率变换电路将定尺的感应电压变换成表示位移的脉冲数，作为位置反馈信号，并与指令位移信号在脉冲比较器中相比较，构成位置闭环控制系统，如图3—22所示：
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