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 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 Umcos 和 Umsin 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 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 kUscos m Uc 感应出的电压为 KUccos m 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 2 为节距 x 为滑尺移动距离 m 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 1 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 1 m 上式可以写成 且 则 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 也就是 x 的大小了 在实际应用中 由于不断修 正励磁信号 1 使其紧紧跟踪 m 的变化 因此 与 x 一定是一个很小的量 才有 sin 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 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 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 个脉冲 输出一个矩形波 而分频器 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 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 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 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 1 和反馈信号 2 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 1 的相位超前于反馈信号 2 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 l 一 2 如图 3 20b 所示 当指令信号 1 的相位滞后于反馈信号 2 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 l 一 2 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 而变化的脉冲 信号变成和 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 7 m 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 cos 的励磁值 怎样产生 sin cos 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