1、 第四章第四章 本章教学要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识位置伺服控制掌握位置伺服控制分类；了解幅值伺服控制；了解相位伺服控制;幅值比较；相位比较；负反馈。光电编码器掌握增量式编码器；了解绝对式编码器；熟悉编码器的应用。光电编码器；角位移测量；绝对测量与相对测量。光栅尺和磁栅尺掌握光栅尺的结构及工作原理；了解光栅尺位移数字变换系统；了解磁栅尺的结构及工作原理；了解磁栅尺的检测电路。直线位移测量；光电转换；磁电转换。旋转变压器和感应同步器掌握旋转变压器结构原理；了解感应同步器结构原理。电磁感应；位移检测。4.1.1 4.1.1 位置伺服控制分类位置伺服控制分类 4.1 4.1
2、位置伺服控制位置伺服控制 按伺服系统有无反馈位置检测元件，位置检测元件安装位置，机床伺服系统通常可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。1.开环控制系统开环控制系统开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制方式。由功率型步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统。图图4-1 开环控制系统示意图开环控制系统示意图4.1.1 4.1.1 位置伺服控制分类位置伺服控制分类 4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制 按伺服系统有无反馈位置检测元件，位置检测元件安装位置，机床伺服系统通常可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。1.开环控制系统开环控制系统数控装置根据所要求的运动
3、速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数决定。开环控制系统具有结构简单、价格低廉等优点。但通常输出的扭矩较小，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。图4-1所示是开环控制系统的示意图。2.半闭环控制系统半闭环控制系统 4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制图图4-2 4-2 半闭环控制系统示意图半闭环控制系统示意图 图4-2所示是半闭环控制系统示意图。半闭环控制
4、系统是在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位移，反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制随着脉冲编码器的迅速发展，性能的不断完善，作为角位移检测装置，能方便地直接与直流或交流伺服电动机同轴安装。而高分辨率的脉冲编码器，为半闭环控制系统提供了一种高性能价格比的配置方案。由于惯性较大的机床运动部件不包括在闭环之内，控制系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性，可以将脉冲编码器与伺服电动机设计成一个整体，使系统变得更加紧凑。半闭环控制，运动部件的部分机械传动链不包括在闭环之内，机
5、械传动链的误差无法得到校正或消除。但目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构，具有很好的精度和精度保持性，而且具有消除反向运动间隙的结构，可以满足大多数数控机床用户的需要。4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制3.闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置，直接安装直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中，与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。闭环控制的主要优点是将机械传动链的全部环节都包括在闭环之内，从理论上说，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度超
6、过半闭环系统，为高精度数控机床提供了技术保障。但闭环控制系统价格较昂贵，对机床结构及传动链要求高，因为传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性以及机床结构的抗振性等因素都会影响系统调试，甚至使伺服系统产生振荡，降低了数控系统的稳定性。图4-3所示是闭环控制系统示意图。图图4-3 4-3 闭环控制系统示意图闭环控制系统示意图 4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制4.1.2 4.1.2 幅值伺服控制幅值伺服控制 4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制 幅值伺服控制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，构成闭环控制系统,如图4-4所示为鉴幅式
7、伺服系统方框图。图图4-4 鉴幅式伺服系统框图鉴幅式伺服系统框图该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执行元件五部分组成。进入比较器的信号有两路，一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移；4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，它代表了工作台实际移动的距离。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件及信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，执行元件不带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时以鉴幅式工作的测量元件又将工作台
8、的位移检测出来，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，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，工作台不动；若两者不相等，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，执行元件带动工作台移动，直到比较器输出为零时为止。4.1.3 4.1.3 相位伺服控制相位伺服控制 4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制 相位伺服控制系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环）控制的伺服系统，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统。具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。如图4-5所示
9、是鉴相式伺服系统方框图，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等组成。基准信号发生器，输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供一个相位比较基准。脉冲调相器又称数字相位转换器，它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，该相位变化信号可用正弦信号表示，也可用方波信号表示。若数控装置没有进给脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。若数控装置有脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向进给脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号个相应的相位角。若数控装置输出N个正向进给脉冲，则脉冲调
10、相器的输出就超前基准信号一个相位角N。4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制图图4-5 鉴相式伺服系统框图鉴相式伺服系统框图检测元件及信号处理线路，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。此相位差的大小体现了工作台的实际位移量。4.1 4.1 位置伺服控制位置伺服控制 鉴相器，输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号；另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工作台的实际位移量大小。这两路信号都用与基准信号之间的相位差来表示，且同频率、同周期。当工作台实际移动的距离不满足进给要求的距离时，这两个信号之间便存在一个相位差，这个相位差的大小就代表了工作台
11、实际移动距离与进给要求距离的误差，鉴相器就是鉴别这个误差的电路，它的输出是与此相位差成正比的电压信号。驱动线路和执行元件，鉴相器的输出信号一般比较微弱，不能直接驱动执行元件，驱动线路的任务就是将鉴相器的输出进行电压、功率放大，如需要，再进行信号转换，转换成驱动执行元件所需的信号形式。驱动线路的输出与鉴相器的输出成比例。执行元件的作用是实现电信号和机械位移的转换，它将驱动线路输出的代表工作台指令进给量的电信号转换为工作台的实际进给，直接带动工作台移动。编码器是一种旋转式转角位移检测元件，通常装在被检测的轴上随被测轴一起旋转，可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式。编码器根据输出信号
12、的方式不同，可分为脉冲增量式编码器和绝对式编码器。4.2.1 4.2.1 增量式编码器增量式编码器常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，如图4-6所示。光电编码器由带聚光镜的发光二极管(LED)、光栏板、光电码盘、光敏元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在上面制成圆周等距的透光和不透光相间的条纹，光栏板上具有和光电码盘相同的透光条纹。光电码盘也可由不锈钢薄片制成。当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收，光敏元件将光信号转换成电脉冲信号。光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光电码盘圆周的
13、条纹数有关，即分辨角为 4.2 4.2 光电编码器光电编码器z360 (4-1)Z为条纹数 4.2 4.2 光电编码器光电编码器光电编码盘是一种增量式检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的光电编码盘有：2000P/r、2500P/r和3000P/r等；在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的光电编码盘，如20000P/r、25000P/r和300DoP/r等；在内部使用微处理器的编码盘，可达100000 P/r以上。作为速度检测器时，必须使用高分辨率的编码盘。如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相位相差90，通过整形，成为两个方波信号，光电编码盘的输出波形如图
14、4-7所示。根据A和B的先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应转轴正转；若B相超前于A相就对应于轴反转。若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成代表正向位移或反向位移的脉冲序列。除此之外，光电脉冲编码盘每转一转还输出一个零位脉冲的信号，这个信号可用作加工螺纹时的同步信号。4.2 4.2 光电编码器光电编码器图图4-7 增量式脉冲编码盘的输出波形增量式脉冲编码盘的输出波形图图4-6 增量式光电编码器结构示意图增量式光电编码器结构示意图1-转轴转轴 2-发光二极管发光二极管 3-光栏板光栏板 4-零标志零标志 5-光敏元件光敏元件 6-光电码盘光电码盘 7-印制电路板印制电路
15、板 8-电源及信号连接座电源及信号连接座 4.2 4.2 光电编码器光电编码器4.2.2 4.2.2 绝对式编码器绝对式编码器绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电，只要再通电就能读岀被测轴的角度位置，即具有断电记忆力功能。下面以接触式码盘介绍绝对式旋转编码器测量原理。(a)结构简图结构简图 (b)4位位BCD码盘码盘 (c)4位格雷码盘位格雷码盘图图 4-8 接触式码盘接触式码盘 4.2 4.2 光电编码器光电编码器 图4-8所示为接触式码盘示意图。径向分为若干码道，周向分为若干扇形，对每一扇型编码。图4-8(b)为4
16、位BCD码盘。它是在一个不导电基体上作出许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示，其他部分为绝缘区，用“0”表示。这样，在每一个径向上，都有由“1”、“0”组成的二进制代码。最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外，4位BCD码盘的4圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地，电刷布置如图4-8(a)所示。由于码盘与被测轴连在一起，而电刷位置是固定的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区域，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则形不成
17、回路，电阻上无电流流过，为“0”。由此可根据电刷的位置得到由“1”、“0”组成的4位BCD码。4.2 4.2 光电编码器光电编码器 通过图4-8(b)可看到电刷位置与输出代码的对应关系。码盘码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分为2n等分，即共有2n个二进制码来表示码盘的不同位置，所能分辨的角度为：n2360(4-2)4.2 4.2 光电编码器光电编码器 显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。图4-8(c)为4位格雷码盘，其特点是任意两个相邻数码间只有一位是变化的，可消除非单值性误差。由于电刷安装位置引起的
18、误差最多不会超过“1”，使误差大为减小。4.2.3 4.2.3 编码器在数控机床中的应用编码器在数控机床中的应用(1)位移测量。在数控机床中编码器和伺服电动机同轴连接或连接在滚珠丝杠末端用于工作台和刀架的直线位移测量。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的转角位移。(2)主轴控制。当数控车床主轴安装编码器后，则该主轴具有C轴插补功能，可实现主轴旋转与z坐标轴进给的同步控制；恒线速切削控制，即随着刀具的径向进给及切削直径的逐渐减小或增大，通过提高或降低主轴转速，保持切削线速度不变；主轴定向控制等。4.2 4.2 光电编码器光电编码器(3)测速。光电编码器输出脉冲的
19、频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。(4)零标志脉冲用于回参考点控制。采用增量式的位置检测装置，数控机床在接通电源后要回参考点。这是因为机床断电后，系统就失去了对各坐标轴位置的记忆，所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床某一固定点上，这一固定点就是机床坐标系的原点，也称机床参考点。使机床回到这一固定点的操作称为回参考点或回零操作。参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有很大的关系。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺4.3.1 4.3.1 光栅尺的结构及工作原理光栅尺的结构及工作原理1.光栅尺的结构组成光栅尺的结构组成光栅尺(又称光栅
20、)是一种高精度的直线位移传感器，是数控机床闭环控制系统中用得较多的测量装置。由光源、聚光镜、标尺光栅(长光栅)、指示光栅(短光栅)和硅光电池等组成。光栅尺外观示意图如图4-9所示。图图 4-9 光栅尺外观示意光栅尺外观示意光栅尺通常为一长一短两块光栅尺配套使用。其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，安装在机床移动部件上，要求与行程等长，短的一块称为指示光栅，指示光栅和光源、透镜、光敏元件装在扫描头中，安装在机床固定部件上。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅两大类，图4-10为常用的透射光栅组成示意图。在玻璃表面上制成透明与不透明间隔相
21、等的线纹，称透射光栅；透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射，光敏元件可直接接收光信号，因此信号幅度大，扫描头结构简单；光栅的线密度可以做得很高，即每毫米上的线纹数多。图图4-10 透射光栅组成示意图透射光栅组成示意图常见的透射光栅线密度为 50条/毫米、100条/毫米、200条/毫米。其缺点是：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺反射光栅的特点：标尺光栅的膨胀系数易做到与机床材料一致；安装在机床上所需要的面积小，调整也很方便；易于接长或制成整根标尺光栅；不易碰碎；适应
22、于大位移测量的场所。其缺点是：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多。目前常用的反射光栅线密度为 4条/毫米、10条/毫米、25条/毫米、40条/毫米、50条/毫米。.光栅尺的工作原理与特点光栅尺的工作原理与特点光栅尺的工作原理如图4-11，光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距，安装时，要求标尺光栅和指示光栅相互平行，它们之间有 0.05mm0.1mm的间隙，并且其线纹相互偏斜一个很小的角度，两光栅线纹相交，形成透光和不透光的菱形条纹，这种黑白相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹的传播方向与光栅线纹大致垂直。两条莫尔条纹间的距离为p，因偏斜角度很小，所以有近似公式p(4-3
23、)4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺当工作台正向或反向移动一个栅距时，莫尔条纹向上或向下移动一个纹距p，莫尔条纹经狭缝和透镜由光电元件接受，把光信号转变为电信号。图图4-11 光栅尺工作原理光栅尺工作原理光栅尺的莫尔条纹具有以下特性。(1)放大作用。因为角度非常小，因此莫尔条纹的节距p要比栅距大得多，其放大倍数为1/。这样，虽然光栅尺栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺(2)莫尔条纹的移动与栅距成比例。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅尺运动的方向移动，并且光栅尺每移动一个栅距，莫尔条纹就准确地移动一个纹距p，只要测量出莫尔条
24、纹的数目，就可以知道光栅尺移动了多少个栅距，而栅距是制造光栅尺时确定的，因此工作台的移动距离就可以计算出来。(3)误差均化作用。指示光栅覆盖了标尺光栅许多线纹，形成莫尔条纹。对于每毫米100条线纹的光栅，莫尔条纹的节距p为10mm时，就有1000根线纹组成，这样，节距之间所固有的相邻误差就平均化了，因而在很大程度上消除了短周期误差。但不能消除长周期累积误差。所以，光栅尺的刻线栅距误差对测量精度的影响小，具有误差均化作用。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺4.3.2 光栅尺位移数字变换系统光栅尺位移数字变换系统光栅测量系统的组成示意图如图4-12所示。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件
25、接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者反时针方向的反向脉冲，输入可逆计数器。下面将介绍这种四倍频细分电路的工作原理，并给出其波形图。图图4-12 光栅测量系统组成示意图光栅测量系统组成示意图图4-13中的a、b、c、d是四块硅光电池，产生的信号在相位上彼此相差90度，a、b信号是相位相差180度的两个信号，送入差动放大器放大，得到正弦信号。将信号幅度放大到足够大。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺图图4-13 四倍频电路四倍频电路 4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺 同理c、d信号送入另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦信号经整形变成方波A，方波A信号经
26、反相得到方波B，余弦信号经整形变成方波C，方波C信号经反相得到方波D，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A、B、C、D，即在顺时针或反时针每个方波的上升沿产生窄脉冲，如图4-14所示。由与门电路把0、90、180、270四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺图4-13图4-14 4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺4.3.3 磁栅尺的结构及工作原理磁栅尺的结构及工作原理磁栅是一种计算磁波数目的位置检测元件。它由磁性标尺、磁头和检测电路组成。按其结构分为直线形
27、和圆形磁栅，分别用于直线位移和角位移的检测。其优点是精度高，制造简单，安装方便，对使用环境的条件要求较低，对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有好的稳定性。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺1磁性标尺磁性标尺磁性标尺通常采用热膨胀系数与普通钢相同的不导磁材料做基体，镀上一层 10m30m厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜。再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，作为测量基准，信号可为正弦波、方波等。节距通常有 0.05mm、0.1mm、0.2mm，最后在磁尺表面还要涂上一层1m2m厚的保护层，以防止磁头与磁尺频繁接触而引起磁膜磨损。2拾磁磁头拾磁磁头拾磁磁头
28、是一种磁电转换装置，用来把磁性标尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。磁通响应型磁头是一个带有可饱和铁心的磁性调制器。它由铁心、两个串联的励磁绕组和两个串联的拾磁绕组组成，如图4-15所示。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺图图 4-15 磁通响应型磁头磁通响应型磁头其工作原理是将高频励磁电流通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通，当磁头靠近磁性标尺时，磁性标尺上的磁信号产生的磁通通过磁头铁心，并被高频励磁电流产生的磁通调制，从而在拾磁绕组中感应出电压信号输出。其输出电压为 4.3 4.3 光栅尺和
29、磁栅尺光栅尺和磁栅尺XtUU2sinsin0 (4-4)式中：U0感应电压系数；磁性标尺上磁化信号节距；X磁头在磁性标尺上的位移量；励磁电流角频率。为了辨别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用了间距为(m 1/4)的两组磁头(其中m为任意正整数)，如图4-16所示。其输出电压为 XtUU2sinsin01XtUU2cossin02 4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺U1和 U2为相位相差 90的两列信号。根据两个磁头输出信号的超前或滞后，可判别磁头的移动方向。图图4-16 移动方向检测原理图移动方向检测原理图 4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺从式(4-5)可以看出，磁性标尺输
30、出电压随磁头相对于磁性标尺的相对位移量X的变化而变化，根据输出电压的相位变化，可以测量磁栅的位移量。鉴相检测系统如图4-17所示。振荡器送出的信号经分频器、低通滤波器得到较好的正弦波信号，一路经/2 移相后功率放大至磁头II的励磁绕组，另一路经功率放大至磁头I的励磁绕组，将两磁头的输出信号送入求和电路中相加，并经带通滤波、限幅、放大整形得到与位置量有关的信号，送入鉴相内插电路中进行内插细分，得到分辨率为预先设定单位的计数信号。计数信号送入可逆计数器，进行系统控制和数字显示。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺图图4-17 磁栅相位检测系统磁栅相位检测系统磁性标尺制造工艺比较简单，录磁、
31、去磁都比较方便。采用激光录磁，可得到很高的精度。直接在机床上录制磁性标尺，不需要安装、调整工作，避免了安装误差，从而可得到更高的精度。磁性标尺还可以制作得较长，用于大型机床。4.3 4.3 光栅尺和磁栅尺光栅尺和磁栅尺 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
32、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。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
33、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
34、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4-19 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
35、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
36、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 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
37、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
38、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
39、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
40、，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
41、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
42、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 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
