1、 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器4.4.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 旋转变压器是基于互感原理工作的，当旋转变压器的一次侧施加一定的交流电压励磁时，其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系，一般用于精度要求不高的机床。其特点是坚固、耐热和耐冲击，抗振性好。它在结构上与绕线转子异步电动机相似，由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及 5000Hz。1结构组成结构组成 从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分为有刷和无刷两种类型。在有刷结构中，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出
2、。目前数控机床常用的是无刷旋转变压器，其结构如图 4-18所示。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器图图4-18 无刷旋转变压器结构无刷旋转变压器结构1-壳体壳体 2-转子轴转子轴 3-旋转变压器定子旋转变压器定子 4-旋转变压器转子旋转变压器转子 5-变压器定子变压器定子 6-变压器转子变压器转子 7-变压器一次绕组变压器一次绕组 8-变压器二次绕组变压器二次绕组无刷旋转变压器由两部分组成：一部分称为分解器，由旋转变压器的定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环，其一次绕组与分解器的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转。分解器中的转子输出信号接在变压器的一
3、次绕组上，变压器的二次绕组与分解器中的定子一样固定在旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相关的感应电压，此信号接在变压器的一次绕组上，经耦合由变压器的二次绕组输出。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器2工作原理工作原理 实际应用的旋转变压器为正、余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两个绕组，如图4-19所示为正、余弦旋转变压器原理图。定子上的两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组，励磁电压用Us和Uc表示，转子绕组中一个绕组为输出电压U2，另一个绕组短接。定子绕组通入不同的励磁电压，可得到鉴相型 和鉴幅型两种工作方式。图图4
4、-19 正、余弦旋转变压器原理图正、余弦旋转变压器原理图 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器1)鉴相型工作方式定子的正、余弦绕组分别通入同幅、同频，但相位差为/2的交流励磁电压，即 Us=Um sint Uc=Umsin(t+/2)=Um cost当转子正转时这两个励磁电压在转子绕组中产生了感应电压，经叠加，在转子中的感应电压为 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器cossin2csUUUcoscossinsin2tKUtKUUmm)cos(2tKUUm (4-6)式中：Um励磁电压幅值；k电磁耦合系数，k1；相位角(转子偏转角)。同理，当转子
5、反转时，可得)cos(2tKUUm (4-7)(4-7)由式(4-6)、(4-7)式可以看出，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，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的偏转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一起的，故被测轴的角位移也就得到了。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器2)鉴幅型工作方式给定子的正、余弦绕组分别通以同频率、同相位，但幅值分别按正弦、余弦规律变化的交流励磁电压，即 Us=Um sinsintUc=Um cossint Um sin、Um cos分别为励磁电压的幅值 式中：给定电气转角。当转子正转时，由于Us、Uc
6、的共同作用，经叠加，在转子上的感应电压为U2=KUmcos(-)sint (4-8)同理，转子反转时，可得U2=KUmcos(+)sint (4-9)式(4-8)、(4-9)中，kUmcos(-)、kUmcos(+)为感应电压的幅值。由式式(4-8)、(4-9)可以看出，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偏转角，从而获得被测轴的角位移。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器4.4.2 感应同步器的结构和工作原理感应同步器的结构和工作原理1结构组成结构组成 感应同步器也是一种电磁式位置检测传感器，按结构组成可分为旋转式和直线式两种。主要部件由定尺和滑
7、尺组成，它广泛应用于数控机床中。旋转式用来测量转角位移，直线式用来测量直线位移。图4-20所示为直线式感应同步器结构示意图。标准的直线式感应同步器定尺长度为250mm，宽度为40mm，尺上是单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组，其电压的Us，另一组为余弦励磁绕组，其电压为Uc。感应绕组和励磁绕组节距相同，均为2mm，用表示。当正弦励磁绕组与感应绕组对齐时，余弦励磁绕组与感应绕组相差1/4节距。也就是滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1/4节距。在数控机床实际检测中，感应同步器常采用多块定尺连接，相邻定尺间隔通过调整，以使总长度上的累积误差不大于单块
8、定尺的最大偏差。定尺和滑尺分别装在机床床身和移动部件上，两者平行放置，保持0.2mm0.3mm间隙，以保证定尺和滑尺的正常工作。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器A-正弦励磁绕组正弦励磁绕组 B-余弦励磁绕组余弦励磁绕组图图4-20 直线式感应同步器结构示意图直线式感应同步器结构示意图 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器2工作原理工作原理 感应同步器的工作原理与旋转变压器相似。当励磁绕组和感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压
9、器变化的是定子和转子的角位移，而直线式感应同步器变化的是滑尺和定子的直线位移。4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器图图4-21 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器 图4-21说明了定尺感应电压与定尺、滑尺绕组的相对位置的关系。若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压，则在定子绕组中产生励磁电流，因而绕组周围产生了旋转磁场。这时，如果滑尺处于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置，即与定尺绕组刚好错开1/4
10、节距时，感应电压为零。再继续移至1/2节距处，即图中C点位置时，为最大的负值电压（即感应电压的幅值与A点相同但极性相反）。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态，即与A点情况相同。显然，在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了个余弦周期。根据励磁绕组中励磁方式的不同，感应同步器也有鉴相型和鉴幅型两种工作方式 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器sincoscossin0tKUtKUUmm)(sin0tKUUm1)鉴相型工作方式 给滑尺的正弦励
11、磁绕组和余弦励磁绕组分别通以频率相同、幅值相同，但相位差为/2的励磁电压，即 Us=Um sintUc=Umsin(t+/2)=Um cost 励磁信号将在空间产生一个以为频率移动的行波。磁场切割定尺绕组，并在定尺绕组中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差。按照叠加原理可以直接求出感应电势(4-10)4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器X2)2(sin0XtKUUm由定尺与滑尺相对位置关系可得:所以从式(4-11)可以看出，定尺的感应电压与滑尺的位移量有严格对应关系。通过测量定尺感应电压的相位，即可测得滑尺的位移量。(4-11)4.4
12、4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器2)鉴幅型工作方式将滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组分别通以相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压，即tUUmssinsintUUmcsincos式中:电气给定角。当滑尺移动时，定尺绕组中的感应电压为)sin(sin0tKUUmsinsin0tKUUm(4-12)当很小时，定尺绕组中的感应电压可近似表示为 tKUUmsin0 4.4 4.4 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器又因为所以 (4-13)式中：X滑尺位移增量。从式(4-13)可以看出，当位移增量X很小时，感应电压的幅值和X成正比，因此，可通过测量U0的幅值来测定位移X的大小。X2tXKUUmsin20
