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1、第5章 数控机床的位置传感器件（下）,5.4 感应同步器,感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。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；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。,一、工作原理,感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组励磁绕组
2、，一组为正弦励磁绕组A，另一组为余弦励磁绕组B，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开1/4节距排列。当正弦励磁绕组A的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差/2的距离，即二者相差/2的电角度。,图3-11,图3-12 同步感应器工作原理,当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化而变化。图3-12给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置时，定尺绕组中感应电势的
3、变化情况。图中A点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从A点逐渐向左(或右)平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开14节距的位置B点，感应电势减为零；若再继续移动，移到12节距的C点，感应电势值与A点相同，但极性相反；到达34节距的D点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达E点，情况就又与A点相同了，相当于又回到了A点。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用这个感应电势的变化来进行位置检测的。,二、感应同步器的工作方式,根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应
4、同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。,给滑尺绕组A和绕组B分别通以幅值、频率相同，而相位差为90的交流励磁电压，即,1、鉴相工作方式,（3-11）,若起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺移动时，滑尺的正弦绕组与定尺绕组不重合，当滑尺移动X距离时，则在定尺上的感应电势为,VBs= KVsCOS,= KVm COSsint,式中：K电耦合系数；Vm 励磁电压幅值； 滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相 对移动的距离X，可用下式表示：,=(22,)X=(,)X,（312）,滑尺的正弦绕组A与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组B与定尺绕组相差1/4节距，它在定尺上的感应
5、电势为,VB K = KVKCOS（+/2）,=KVmCOStsin,应用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为,VB =VBs+VB K,=- KVmsin(t-) (3-13),从式（3-13）中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数K、励磁电压幅值Vm以及频率t均是常数，所以定尺的感应电势VB只随空间相位角的变化而变化，因此，可以通过鉴别定尺感应电势的相位，即可测得滑尺与定尺间的相对位移。,给滑尺绕组A和绕组B分别通以相位、频率相同，但幅值不同的励磁交流电压,2、鉴幅工作方式,（3-14）,式中 Vm sin、Vm COS为两励磁交流电压的幅值，则定尺上的叠加感应电势为,VB = KVm
6、sinsintCOS+KVm COSsintCOS（+/2）,=KVm sint sin（-） （3-15）,= KVmsinsintCOS-KVm COSsintsin,=KVm sint（sinCOS- COSsin）,5.5 旋转变压器,旋转变压器是一种常用的角位移检测装置，由于它结构简单、动作灵敏、工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在半闭环控制的数控机床上。,一、 旋转变压器的结构,旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定
7、在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。,图3-7是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。,图38是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接
8、地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。,图3-8无刷式旋转变压器,二、 旋转变压器的工作原理,旋转变压器根据互感原理工作，由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间气隙内磁通分布符合正/余弦规律，因此，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图39为单极旋转变压器电气工作原理图。设加在定子绕组S1S2的励磁电压为,（33）,图 3-9 单极旋转变压器,根据电磁学原理，转子绕组B1B2中的感应电势则为,（34）,式中：K旋转变压器的变压比，K=N1/ N2 （N1 为原
9、边绕组匝数；N2为 副边绕组匝数）；,Vm 励磁电压幅值；,转子偏转角。,由式(34)可知，转子绕组输出的感应电势VB为以角速度随时间t变化的交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直时,=0，不产生感应电势，VB=0；当两磁轴垂直时，=90，感应电势VB为最大，即,VB=K Vm sint,因此，只要测量出转子绕组中的感应电势VB的大小，就可间接地得到转子相对于定子的位置，即角的大小。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则角代表的是丝杠（被测轴）转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。,正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组
10、均由两个匝数相等且互相垂直的绕组组成，如图3-10所示。图中S1S2为定子主绕组，K1K2为定子辅助绕组。转子绕组B1B2输出感应电压VB，另一绕组A1A2接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。,图 3-10 正弦余弦旋转变压器工作原理,如果用两个相位差为90的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电压的公式为,（35）,（36）,则VS和VK在转子绕组B1B2上产生的感应电压分别为,由于感应电压是关于转子偏转角的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。,VB S = KVm sintsin,VB k= KVm costcos,三、旋转变压器工作方式,当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种
11、不同的工作方式：鉴相式和鉴幅式。,给定子的两个绕组S1S2、 K1K2分别通入同幅、同频率但相位差为90的励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组B1B2的感应电势VB的值为感应电压VBS和VBK之和，即,1鉴相工作方式,VB = VB S + VB k,= KVm sintsin+ KVm costcos,= KVmcos(t-),（37）,当转子逆时针旋转时，则,VB = KVmcos(t+),由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的偏转角。在实际应用中，常把定子余弦绕组K1K2励磁电压的相位作为基
12、准相位，与转子绕组B1B2输出电压的相位作比较，用以确定转子偏转角的大小，可得知被测轴的角位移。,2鉴幅式工作方式,给定子的两个绕组S1S2、K1K2分别通以频率、相位都相同，但幅值不同的交流励磁电压，则有,（38）,（39）,式中,和,分别为交流励磁电压VS和VK的幅值。,为旋转变压器电气角。,感应电势VB的值为VBS和VBK之和，即,转子顺时针旋转时，绕组,（310）,当转子逆时针旋转时，则,VB = KVmcos(+)sint,由式(3-10)可知，转子感应电势VB的幅值为KVmcos(-)交变电压信号，随转子的偏转角而变化，所以，只要检测出转子输出电压的幅值即可知道转子的偏转角。在实际
13、应用中，可不断修改角，使其跟综转子偏转角的变化，从而得到被测轴的角位移。,三、 旋转变压器的应用,测量旋转变压器的感应电压VB的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的变化。如果将其安装在数控机床的丝杠上，当角从0变化到360时，表示丝杠旋转了一周，与丝杠相配合的螺母移动了一个导程，这样可间接地测量丝杠的直线位移（导程）的大小。由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，无法测量工作台的整个行程，若要测量工作台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的若干次小角度之和，即,需加一台绝对位置计数器，累计工作台所走的导程数，折算成位移的总长度。另外还需一只相敏检波器来辨别不同的转向。,5.6 感应同步器,感应同步器是
14、一种电磁式高精度位置检测装置。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；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。,一、工作原理,感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组A，另一组为余弦励磁绕组B，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开1/4节距排列。当正弦励磁绕组A的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差/2的距离，即二者相差/2的电角度。,图3-11,