感應(yīng)同步器的組成和原理

1、感應(yīng)同步器的組成和原理2009年10月22日  感應(yīng)同步器分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類，直線型由定子和滑尺組成，用于檢測直線位移，旋轉(zhuǎn)型由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于檢測旋轉(zhuǎn)角度。本節(jié)僅介紹直線型感應(yīng)同步器的組成和原理：  如圖3 15所示，直線型感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。其定尺是單向均勻感應(yīng)繞組，繞組節(jié)距2 通常為2mm。滑尺上有兩組勵(lì)磁繞組，一組稱為正弦繞組，另一組為余弦繞組，兩個(gè)繞組的節(jié)距與定子相同，在空間上相互錯(cuò)開14節(jié)距，于是兩個(gè)勵(lì)磁繞組之間相差90°電角度?；甙惭b在被測的移動(dòng)部件上，滑尺與定尺相互平行，并保持一定的距離，約0.20.3mm向滑尺通以交流勵(lì)磁電壓

2、，在滑尺中產(chǎn)生勛磁電流，繞組周圍便產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場。由電磁感應(yīng)在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺和定尺間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁磁耦合強(qiáng)度的變化，就使定尺上的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化。一、感應(yīng)同步器種類和特點(diǎn)  l感應(yīng)同步器的種類  感應(yīng)同步器有測量長度用的直線式和測量旋轉(zhuǎn)角度用的旋轉(zhuǎn)式兩種。下面著重介紹直線式  (1)標(biāo)準(zhǔn)式：是直線式中精度最高的一種，使用最廣，在數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)顯裝置中大量應(yīng)用：常用型號(hào)為GZD一1和GZH一1型。  (2)窄長式：其定尺的寬度比標(biāo)準(zhǔn)式窄，用于精度較低或機(jī)床上安裝位置窄小且安裝面難以加工的情況。 

3、0;  (3)三重式：它的滑尺和定尺上均有粗、中、細(xì)：套繞組定尺上粗中繞組相對(duì)位移垂直方向傾斜不同角度，細(xì)繞組和標(biāo)準(zhǔn)式的一樣?；呱系拇帧⒅?、細(xì)三套繞組組成：個(gè)獨(dú)立的電氣通道，粗、中、細(xì)的極距分別是4000、100和2mm三通道同時(shí)使用即可組成一套絕對(duì)坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量范圍為00022000mm在此測量范圍內(nèi)測量系統(tǒng)只有一個(gè)絕對(duì)零點(diǎn)。單塊定尺的長度有200和300mm兩種，它特別適用于大型機(jī)床、。    (4)帶子式：它的定尺繞組是印制在I.8m長的不銹鋼帶上，其兩端固定在機(jī)床床身上(一端用彈性固定)滑尺像計(jì)算尺的游框那樣跨在帶狀定尺上，可以簡化安裝，減

4、少安裝面，而且能使定尺隨機(jī)床床身熱變形而變形。    (5)感應(yīng)組件：是將標(biāo)準(zhǔn)式的定、滑尺封裝在匣里的感應(yīng)組件(定尺經(jīng)調(diào)整接長而成組合式定尺)，而且將勵(lì)磁變壓器和前置放大器也裝在里面，便于安裝與使用。    2感應(yīng)同步器的特點(diǎn)    (1)精度高：感應(yīng)同步器的極對(duì)數(shù)多，平均效應(yīng)所產(chǎn)牛的測量精度要比制造精度高，且輸出信號(hào)是由滑尺和定尺之間相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的中間無機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以測量結(jié)果只受本身精度的影響。    (2)測量長度不受限制：當(dāng)測量長度大于250ram時(shí)，可以采用多塊定

5、尺接長，相鄰定尺間隔呵用塊規(guī)或激光測長儀進(jìn)行調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最火偏差。    (3)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)：因?yàn)楦袘?yīng)同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，當(dāng)溫度變化時(shí)還能獲得較高的重復(fù)精度另外它是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)對(duì)尺面防護(hù)要求較低。    使用時(shí)還需要注意下列影響。    1 。 同步回路阻抗不對(duì)稱列同步精度的影響(如勵(lì)磁變壓器的阻抗和同步器的正弦、余弦阻抗)。    2)勵(lì)磁電壓對(duì)稱性和失真度對(duì)精度的影響：    對(duì)

6、鑒相系統(tǒng)而言，所謂勵(lì)磁電壓的對(duì)稱是指勵(lì)磁電流幅值相等，相位差為90°；對(duì)鑒幅系統(tǒng)而言，其列稱性是指Umcos和Umsin的精確性，調(diào)整系統(tǒng)時(shí)要加以注意    感應(yīng)舊步器對(duì)勵(lì)磁電流的失真度要求比較高，一般在1以下，若在2以上，則感應(yīng)同步器輸出電動(dòng)勢失真就顯得很嚴(yán)重，影響測量精度。    3)感應(yīng)同步器感應(yīng)電動(dòng)勢低，阻抗低，所以對(duì)抗干擾問題必須引起重視加強(qiáng)屏蔽。    感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式相似，根據(jù)滑尺中勵(lì)磁繞組供電方式同，感應(yīng)同步器可分為相位工作方式和幅值工作方式。二、相位工作方式&#

7、160;   給滑尺正弦繞組和余弦繞組通以同頻、同幅而相位差為2的交流勵(lì)磁電壓即 當(dāng)滑尺移動(dòng)x距離時(shí)，ua定尺繞組中感應(yīng)出的電壓為kUscosm,Uc感應(yīng)出的電壓為KUccos(m+2)=-KUcsinm。二個(gè)勵(lì)磁電壓在定尺繞組中感應(yīng)的合成電壓，電線性疊加得出式中，K為定尺與滑尺間的電磁耦合系數(shù)；um為勵(lì)磁電壓幅值；2為節(jié)距；x為滑尺移動(dòng)距離；m為與機(jī)械空間位移相對(duì)應(yīng)的機(jī)械角，即與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間電氣相角。    由此可見，定尺的感應(yīng)電壓相位與滑尺的機(jī)械位移量間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要能檢出定尺繞組中的感應(yīng)電壓的相位移角，就能夠測得所要知道

8、的機(jī)械位移量。三幅值工作方式    給滑尺的正、余弦繞組分別通以同相位、同頻率，但幅值不同得勵(lì)磁電壓，即其中，幅值Usm、Ucm 分別為式中，1為勵(lì)磁電壓的給定相位角。 當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，定尺上的感應(yīng)電壓為  令=1m，上式可以寫成且則很小時(shí)，有此時(shí)，定尺的感應(yīng)電壓ud實(shí)際上是一個(gè)微量的誤差電壓，記為ue，并且誤差電壓的幅值與滑尺的位移增量x成正比。這樣，通過測量U的幅值來測定也就是x的大小了。在實(shí)際應(yīng)用中，由于不斷修正勵(lì)磁信號(hào)1，使其緊緊跟蹤m的變化，因此與x一定是一個(gè)很小的量，才有sin成立。也就是說，只有在位移增量x很小時(shí)，感應(yīng)電壓的幅值才與

9、x具有正比關(guān)系，通過測量ue的幅值來測定位移量的大小。四    感應(yīng)同步器鑒相系統(tǒng)    在相位檢測系統(tǒng)中，表示位移量的指令是以相位差角度值給定的，因此，如果以作為基準(zhǔn)相位的參考信號(hào)給感應(yīng)同步器的滑尺兩個(gè)繞組供電，則從定尺繞組取得的感應(yīng)電壓的相位，將反映出兩者的相對(duì)位置。把給定的指令相位(相對(duì)于參考信號(hào)而言)與感應(yīng)同步器輸出信號(hào)相位作比較，當(dāng)兩者相位一致時(shí)，表示感應(yīng)同步器滑尺的實(shí)際位置和給定的指令位置一致，反之，有相位差存在，表明兩者的位置不一致。利用它們的相位差作用到測量系統(tǒng)，使得兩者變?yōu)橐恢隆?#160;  

10、感應(yīng)同步器相位檢測系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)應(yīng)包括：脈沖一相位變換器，勵(lì)磁供電線路，誤差信號(hào)放大器和鑒相器等，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖316所示。    在閉環(huán)輪廓控制的數(shù)控裝置中，從其框圖(圖316)知，誤差信號(hào)被用以控制伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的滾珠絲杠向消除位移誤差的方向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成位置反饋。指令信號(hào)是由數(shù)控裝置(插補(bǔ)器)發(fā)出的，經(jīng)脈沖一相位變換器變成相位信號(hào)，作用于測量系統(tǒng)上。    下面簡單地介紹一下脈沖一相位變換器等結(jié)構(gòu)原理。 1_脈沖相位變換器的基本原理  這是一種將脈沖數(shù)變換成相位位移的數(shù)字模擬變換器，其邏輯框圖如圖

11、3一17所示。  時(shí)鐘脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖列分成兩路：一路經(jīng)基準(zhǔn)通道分頻器I進(jìn)行N分頻后作為基準(zhǔn)相位的參考信號(hào)方波：另一路加到加減器，按指令脈沖的性質(zhì)對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行加減。再經(jīng)指令通道分頻器的N分頻后產(chǎn)生指令信號(hào)方波，當(dāng)沒有進(jìn)給脈沖加入的情況下，兩個(gè)分頻器系數(shù)相同，在接收到N個(gè)脈沖后，同時(shí)輸出一個(gè)矩形方波，其頻率和相位相同：  當(dāng)加入表示工作臺(tái)正向進(jìn)給的脈沖時(shí)，加減器將它們加入時(shí)脈沖列中去不允許和時(shí)鐘脈沖重合)，這樣分頻器I仍以每接收到個(gè)脈沖，輸出一個(gè)矩形波，而分頻器則在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)(N+n)個(gè)脈沖分頻，因而輸出(1+nN)個(gè)矩形波(n為這個(gè)時(shí)問內(nèi)加入的正向給脈沖數(shù))即后者比

12、前者在相位上超前了(nN)°    反之，加入反向進(jìn)給脈沖，現(xiàn)在分頻器l輸出一個(gè)矩形波后在分頻器中輸出(1一nN)個(gè)矩形波，這表示后者比前者在相位上落后(nN)° 由此可見，分頻器輸出的指令信號(hào)矩形波相對(duì)于分頻器I輸出的矩形波參考信號(hào)有相位變化，其相移的數(shù)值正比于加八的進(jìn)給脈沖數(shù)n，而相位移動(dòng)的方向取決于進(jìn)給脈沖的符號(hào)。  如果感應(yīng)同步器的節(jié)距2r=2ram，脈沖當(dāng)量()選定為0.01mm，即相當(dāng)于   的相位移。因此需要把一個(gè)節(jié)距2mm劃分成200等分，所以分頻系數(shù)N=200，每一個(gè)指令脈沖產(chǎn)生l.8&

13、#176;的相位移。  2勵(lì)磁供電線路  脈沖一相位變換器輸出的參考信號(hào)，作為棚位基準(zhǔn)給感應(yīng)同步器的繞組勵(lì)磁。勵(lì)磁信號(hào)通常采用幅度相同、相位相差90°的兩個(gè)正弦電壓，也有采用方波或梯形波勵(lì)磁的。圖3 18為正弦波供電線路。  基準(zhǔn)通道分頻器從末級(jí)觸發(fā)器輸出兩個(gè)相位相差90°的方波，經(jīng)選頻濾波網(wǎng)絡(luò)變成正弦波。由功放級(jí)給感應(yīng)同步器動(dòng)尺的兩個(gè)繞組勵(lì)磁。 3鑒相器  鑒相器又叫相位比較器，其作用是鑒別指令信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位，并判別相位差的大小和相位的超前或滯后。  鑒相器的線路有多種，近來較多采用一種擴(kuò)展工作范圍的鑒

14、相器，或稱寬域鑒相器。這種鑒相器在理論上說，鑒相范圍不受限制，可以任意擴(kuò)展。即可以在任意個(gè)周期之內(nèi)單值鑒相。    鑒相器的邏輯原理如圖3一19所示，它由用D觸發(fā)器組成的分頻器cl、c3和相位比較觸發(fā)器c2、c4和三個(gè)與非門組成。當(dāng)沒有c1、c3 時(shí)，鑒相范圍為±180°。若c1、c3由一級(jí)觸發(fā)器組成，鑒相范圍為2×(±180。)。若c1、c3是由分頻系數(shù)為n的分頻器構(gòu)成，則鑒相范圍是nx(±180°)。    說明鑒相器工作原理的各種波形圖如圖3一20所示。 &#

15、160;  當(dāng)指令信號(hào)1，和反饋信號(hào)2相位相同時(shí)，鑒相器輸出(即M3輸出)為恒定的低電平，如圖320a所示。    當(dāng)指令信號(hào)1的相位超前于反饋信號(hào)2的相位時(shí)，鑒相器輸出保持恒定的高電平，而M1和M3有脈沖輸出，其脈沖寬度為=l一2，如圖320b所示    當(dāng)指令信號(hào)1的相位滯后于反饋信號(hào)2的相位時(shí)，鑒相器M1輸出保持恒定高電平，而M2及M3有脈沖輸出，其脈沖寬度為一=l一2如圖3一2所示。    在閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，利用濾波網(wǎng)絡(luò)將鑒相器M1、M2輸出的脈夏相位差而變化的脈沖信號(hào)變成和成

16、正比的直流電流(帶正負(fù)號(hào))，去驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，向著消除誤差的方向運(yùn)動(dòng)。 感應(yīng)同步器的鑒幅測量系統(tǒng)：  在幅值工作狀態(tài)下，供給感應(yīng)同步器滑尺正弦繞組和余弦繞組的勵(lì)磁信號(hào)，是頻率和相位相同而幅值不同的兩個(gè)交流電壓。通過鑒別定尺繞組輸出的誤差信號(hào)的幅值，進(jìn)行位移測量。因此在鑒幅測量系統(tǒng)中，作為比較器的是鑒幅器，或稱門檻電路。系統(tǒng)的基本邏輯原理如圖321所示。 從鑒幅測量的原理看，加給滑尺兩個(gè)繞組的勵(lì)磁電壓的幅值應(yīng)滿足 起始位置時(shí)感應(yīng)電壓e=0，當(dāng)兩尺相對(duì)移動(dòng)后，若勵(lì)磁仍保持原來的數(shù)值則誤差信號(hào)將增大，當(dāng)超過門檻值時(shí)，產(chǎn)生輸出脈沖，讓這些脈沖作用到數(shù)字一橫擬變換器E(DA變換器)，自

17、動(dòng)地改變勵(lì)磁電壓的幅值，使其滿足上面公式，從而使誤差信號(hào)總是在門檻電平的上下變動(dòng)。 門檻電平的整定，是根據(jù)脈沖位移(相位)當(dāng)量來進(jìn)行的，例如，當(dāng)脈沖-位移當(dāng)量為O01mm脈沖，那么門檻值應(yīng)整定在O0017mm的數(shù)值上，亦即位移7m產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)放大正好達(dá)到門檻電平。另外對(duì)2r=2mm的感應(yīng)同步來說，一個(gè)門檻脈沖應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于使數(shù)字一模擬變換器修改18°的sin日、cos的勵(lì)磁值。怎樣產(chǎn)生sin、cos的勵(lì)磁電壓呢?它由數(shù)字一模擬變換器產(chǎn)生的，而數(shù)字一模擬變換器則由多抽頭的計(jì)數(shù)變壓器、開關(guān)線路和變換計(jì)數(shù)器組成，計(jì)算變壓器的 抽頭必須精確地按照正弦、余弦函數(shù)抽出。