1、1.感应同步器结构,二、感应同步器,sin,cos,节距2（2mm）,节距（0.5mm）,滑尺,定尺,直线感应同步器结构,直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，其结构如图5-14所示,定尺和滑尺上的电路绕组都是用印刷电路工艺制成的矩形绕组，定尺绕组为单相连续绕组，节距为W2，一般取W2=2mm。滑尺上有两组分开的绕组，两个绕组间的距离L1应满足关系：L1= (n/2+1/4)W2，其中n为正整数。因为两绕组相差90相位角，故分别称为正弦绕组和余弦绕组。两相绕组节距相同，均为W1，通常取W1 = W2= W。,感应同步器,直线感应同步器结构,图5-15是直线感应同步器绕组结构示意图。图中上部为定
2、尺绕组，下部为W型滑尺绕组。为了减小由于定尺和滑尺工作面不平行或气隙不均匀带来的误差，各正弦和余弦绕组交替排列。,感应同步器,具有较高的精度与分辨力。 测量长度范围不受限制。 抗干扰能力强。 使用寿命长，维护简单。 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。输出信号较弱，需要高放大倍数的前置放大器。,(4) 感应同步器的特点,感应同步器,感应同步器,结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种： 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
3、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。,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0.250.05mm间隙。,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
4、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。,2,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。,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
5、，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5-17中ABCDE。,若设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系,可得,设表示滑尺上一相绕组的激磁电压,则定尺绕组感应电压为,式中 K耦合系数； Vm激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。 Vmcos 为感应电压的幅值,感应电压的幅值变化规律就是一个周期性
6、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5-4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5-4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。,E,A,V,2,M,N,正弦绕组,余弦绕组,B,D,C,O,P,1. 鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压,根据叠加原理，定尺上的总感应电压为,通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即
7、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，当节距的情况下，表明滑尺移动了0.02mm。,(5-7),有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。,应用,图5-18 感应同步器鉴相测量系统框图,基准信号发生器输出一系列一定频率的基准脉冲信号（载波信号），为伺服系统提供一个相位比较基准。,脉冲调相器的作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号。图5-19为其原理组成框图，在脉冲调相器中，由基准信号发生器产生的基准脉冲信号分成两路，一路直接输入分频器1，它为1/N分频的二进制计数器，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
8、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，其相位差大小和极性与指令脉冲有关。上述两个分频器均为1/N分频，即当输入N个计数脉冲后产生一个溢出脉冲。,为说明指令移相情况，设两个分频器均由四个二进制计数触发器C0C3组成，每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。对应无指令脉冲和有指令脉冲两种情况，可用图5-20和图5-21两个波形图来描述,C0,C1,C2,C3,F,
9、图5-7 无指令脉冲时序波形图,图5-21所示，有一正向指令脉冲通过脉冲加减器，使得输入到调相分频通道的脉冲个数增加一个，结果该分频器产生溢出脉冲的时刻提前产生。因此，在指令脉冲作用下，调相分频通道输出脉冲与基准脉冲有一个相位差1，且110，0为基准信号发生器的基准相位；1为指令信号相位；1的大小取决于指令脉冲数，其随时间变化的快慢取决于指令脉冲频率，而其相对于0的超前与滞后，则取决于指令脉冲进给方向。,图5-21 有指令脉冲时序波形,F,C1,C2,C0,C3,F1,分频器2输出,分频器1输出,1,当用同一脉冲源的输出时钟脉冲去触发容量相同的两个分频器1和2时（见图5-7），结果在两个分频器
10、最后一级的输出是频率大大降低的两个同频率信号。假设时钟脉冲频率为F，当分频器的容量为N，即N个时钟脉冲使分频器的输出变化一个周期，则分频器输出端的脉冲频率f为：f=F/N（N为最大计数容量，n为触发器个数）。如果在时钟脉冲触发两个分频器的过程中，通过脉冲加减器加入一个指令脉冲，分频器2的最后一级输出提前翻转，从而相对于分频器1产生了一个正的相移1（见图5-21）。脉冲调相器每接受一个脉冲便产生一个指令相位增量 1， 1应符合下式,或,如果感应同步器的 节距为2mm，脉冲当量选定为=0.001mm，一个脉冲对应的相移角1为,数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变为超前基准信号一个0.180相移
11、角的信号，即1=1-0=0.180。此时因工作台未动，反馈信号相对于基准信号的相位差2=2-0=0（2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位）。鉴相器将12 =0.180的相位差检测出来，经放大后控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动，2逐渐增大，相位差逐渐减少，直至0。,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1，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2，也被送入鉴相器。这两路信号都用它们与基准信号之间
12、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12。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。,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。,式中 给定的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为,(5-8),式中 与位移对应的角度。,鉴幅式伺服
13、系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。 由式5-8可知，若电气角 已知，只要测出U2的幅值，便能求出与位移对应的角度 。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零。设初始位置时， = ，U20，当滑尺相对定尺移动后，随着不断增加， ， U2 0 。若逐渐改变值，直至 = ，U20，此时的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。,式5-8,图5-22 鉴幅式伺服系统原理框图,鉴幅式系统的工作原理：进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出
14、现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。,图5-23 测量元件及信号
15、处理电路,图5-23,表明测量及信号处理线路是如何将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲信号。感应同步器根据工作台的位移量，输出正弦电压信号，该电压信号的幅值代表工作台的位移。此正弦信号经滤波、放大、检波、整流以后，变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，这个过程称解调，由解调线路也称鉴幅器来完成。解调后的信号经电压频率（V/F）转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。一方面，该计数脉冲及符号送比较器与进给脉冲比较；另一方面，经正余弦(sin/cos)信号发生器，产生驱动测量元件的两路信号sin和cos，使角与此相对应发生改变。
16、并根据产生正弦和余弦矩形波，使总是跟随角的变化而变化。,再一次经解调线路，电压频率转换器、sin/cos信号发生器，产生下一个激磁信号，该激磁信号将使测量元件的输出进一步接近于零，这个过程不断重复，直到测量元件的输出为零时为止。,若感应同步器滑尺没有新的位移，因激磁信号电气角由变为1 ，它所输出的幅值信号也随之变化，而且逐步趋近于零。 若输出的新的幅值信号,1. 结构如图所示 旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90。在转子上有两个输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。,一、旋转变压器
17、,2. 原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。,一、旋转变压器,3. 测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即,一、旋转变压器,
18、式中: k =w1/w2旋转变压器的变压比 w1、w2转子、定子绕组的匝数,线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为60），其输出电压和转子转角成线性关系。此时输出电压为,一、旋转变压器,如图5-14所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。,图5-14 旋转变压器工作原理,式中 K变压比（即绕组匝数比）；Vm励磁信号的幅值； 励磁信号角频率； 旋转变压器转角。,转子绕组中产生的感应电压为,两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，
19、即,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，,转子输出电压则为,如图所示。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,图5-15 正余弦旋转变压器工作原理,应用两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,1 . 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即,这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，电压的代数和：,(5-2),由式(5-2)和(5-3)可见，转子输出电压的相位角和
20、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。,(5-3),假如，转子逆向转动，可得,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,式中 激磁绕组中的电气角。 Umsin , Umcos 为定子两绕组激磁信号的幅值则转子上的叠加电压为,(5-3),同理，如果转子逆向转动，可得,(5-4),由式(5-3)和(5-4)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
21、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。,双通道旋转变压器是将两种不同极对数的旋转变压器合为一体的组合电机，在转子转动一周中，副端输出周期数不同的两种正旋波电压信号，构成粗、精双通道系统。主要用于高精度同步随动系统和轴角编码系统作为角度传感元件。,如图5-14所示，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。,图5-14 旋转变压器工作原理,式中 K变压比（即绕组匝数比）；Vm励磁信号的幅值； 励磁信号角
22、频率； 旋转变压器转角。,转子绕组中产生的感应电压为,两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即,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，,转子输出电压则为,如图所示。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,图5-15 正余弦旋转变压器工作原理,应用两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。,1 . 鉴相工作方式 给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即,这两个励磁电压在转子绕组中都产生
23、了感应电压，电压的代数和：,(5-2),由式(5-2)和(5-3)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。,(5-3),假如，转子逆向转动，可得,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,式中 激磁绕组中的电气角。 Umsin , Umcos 为定子两绕组激磁信号的幅值则转子上的叠加电压为,(5-3),同理，如果转子逆向转动，可得,(5-4),由式(5-3)和(5-4)可见，转子感
24、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。,双通道旋转变压器是将两种不同极对数的旋转变压器合为一体的组合电机，在转子转动一周中，副端输出周期数不同的两种正旋波电压信号，构成粗、精双通道系统。主要用于高精度同步随动系统和轴角编码系统作为角度传感元件。,天然形成的石英晶体外形（续）,1.磁栅式位移传感器的结构,三、磁栅位移传感器,1磁性膜 2基体 3磁尺 4磁头 5铁芯 6励磁绕
25、组 7拾磁绕组,2.原理： 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：,三、磁栅位移传感器,U0输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。,式中：,在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向,3.测量方式(1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。,三、磁栅位移传感器,2.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为,三、磁栅位移传感器,则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。,
