1、感应同步器概述感应同步器概述 感应同步器是一种高精度测位用的机电元件,其基本原理是基于多极双通道旋转变压器之上。它的定、转子(或叫初、次级)绕组均采用了印制绕组,从而使之具有一些独有的特性,它广泛应用于精密机床数字显示系统和数控机床环伺服系统以及高精度随动系统中。感应同步器由几伏的电压励磁,励磁电压的频率为10 kHz,输出电压较小,一般为励磁电压的1/10到几百分之一。感应同步器的结构型式有直线式和圆盘式两大类,现分述如下。1 直线式感应同步器直线式感应同步器 直线式感应同步器示意图如图 6-22所示。它由定尺和滑尺组成,用于检测直线位移。定尺和滑尺的基板通常采用厚度约为10 mm的钢板,基
2、板上敷有约0.1 mm厚的绝缘层,并粘压一层约0.06 mm厚的铜箔,采用与制造印制电路板相同的工艺作出感应同步器的印制绕组。为防止绕组损坏,在绕组表面再喷涂一层绝缘漆。图 6-23仅显示定尺和滑尺的印制绕组。由此图看出,定尺绕组为单相的,它由许多具有一定宽度的导片串联组成。一般导片间的距离定为1 mm,定尺总长分别为136 mm,250 mm,750 mm,1000 mm四种,最常用的是250 mm。滑尺上有许多组绕组,图中S、C分别表示正弦和余弦绕组。由图 6-23 可知,所有各相绕组的导片分别各自串联,滑尺则构成两相绕组。图 6-22 直线式感应同步器 图 6-23 直线式感应同步器定、
3、滑尺的印制绕组 直线感应同步器在机床上安装使用时,如图 6-24所示。将定尺 1 固定在机床的静止部件 3 上,滑尺 2 固定在机床的运动部件5上,两者相互平行,间隙约为0.25 mm。定尺表面已喷涂一层耐热的绝缘漆,用以保护尺面。滑尺上还粘合一层铝箔以防止静电感应。为了工作可靠,还装有保持罩 4,以防铁屑等异物落入而影响正常工作。图 6-24 直线式感应同步器在机床上的安装简图 图 6-25 直线式感应同步器的磁场 图 6-26 定、滑尺相对位置改变时滑尺导片 所匝链磁通的变化 图 6-27 滑尺导片电势有效值 滑尺导片电势也可用函数式来表示。首先将对应于位移x的电角度表达出来。已知一对极距
4、离为2,对应的电角度为360,那末对应于位置x(米)的电角度为xx1802360(电角度)(6-22)然后就可以写出一个导片的感应电势有效值为xEEEmm180coscos1 式中,E1m是一个导片在x=0,2,4,位置时感应电势的有效值,也是导片的最大有效值电势。滑尺上的余弦绕组是由许多导片串联起来的,如果导片数为C1,则余弦绕组总电势为xExCEECEmmC180cos180cos111(6-23)式中,Em为余弦绕组最大的相电势,单位为“V”;x为余弦绕组轴线相对励磁绕组轴线的位移,单位为长度“m”。由图 6-22 可知,正弦绕组s与余弦绕组c两轴线在空间移过半个极距即/2,亦即二者相差
5、90电角度,故正弦绕组的感应电势表达式可以写成xExEEmms180sin90180cos(6-24)由以上两式可以看出,滑尺移动一对极距即2的长度,感应电势变化一个周期。若滑尺移动p对极距,则感应电势就变化p个周期。因此,感应同步器滑尺上正、余弦绕组的输出电势和多极旋转变压器的输出电势是完全相仿的,区别是这里用(180/)x来表示电角度。2 旋转式感应同步器旋转式感应同步器 图 6-28 是旋转式感应同步器定、转子绕组示意图。它又称为盘式感应同步器。与直线感应同步器一样,其定、转子(相当于直线感应同步器的定尺、滑尺)绕组也做成印制绕组。其中,转子绕组由许多辐射状的导片串联而成为单相绕组,定子
6、绕组和直线感应同步器的滑尺绕组相似,是由正弦绕组和余弦绕组组成的两相绕组,每相绕组又分成若干组,正、余弦绕组的每一组是间隔排列并各自串联连接(参考图 6-23),因此相邻两个组均相差90电角度。应注意到,这里旋转感应同步器的转子对应于直线式的定尺,而其定子对应于直线式的滑尺。图 6-28 旋转式感应同步器绕组排列示意图 旋转式感应同步器的工作原理与直线式感应同步器和多极旋变相类似。转子单相绕组通过电刷滑环加励磁电压后,其每一个导片便形成一极,相邻两导片间的距离就等于一个极距,则极对数p等于导片数的1/2,并且经过设计分析,使气隙磁密沿圆周方向作p个周期的正弦分布。设定子上的余弦绕组与转子励磁绕
7、组轴线间的夹角为,相应的电角度为p。则与多极旋变相类似,其定子上的正、余弦绕组的输出电势应该是对应电角度的正、余弦函数。即 Es=Em sinp (6-25)Ec=Em cosp (6-26)式中,Em为最大的感应电势。可见,旋转式感应同步器的转子每转一转,正、余弦绕组的感应电势就变化p个周期。根据实际工作需要,该种感应同步器的极对数可制成501000对极。例如当极对数为180时,其极距为1,其外径制成50300 mm。综上所述,感应同步器有以下一些优点:(1)精度高。感应同步器的极对数很多,各对极下的导片相互串联产生了平均效应,补偿了某一极所存在的局部误差,故大大提高了精度。例如对于极距为1
8、 mm的直线式感应同步器,其精度可达0.25 m;外径为300 mm、极对数为360的旋转式感应同步器的精度可达12,重复精度可达0.10.2。(2)直线感应同步器可直接固定在机床的运动部分和静止部分,不需要经过中间的传动装置而直接测量位移,因而可以消除由于传动装置带来的齿隙误差。同时它的定、滑尺基片的膨胀系数与机床一样,温度变化不会造成附加的测量误差。(3)把几个定尺联接起来,还可以长距离工作,高速度移动。(4)制造方便,坚固耐用,对环境适应性强,维护简便。需要指出,由于感应同步器输出阻抗高,输出电压只有几个毫伏,所以必须在输出端接前置放大器。由于感应同步器具有上述一些优点,它在精密位移检测
9、、数控机床和高精度随动系统中得到了广泛的应用。直线式感应同步器主要用于长度计量仪器(与数字显示仪表配套实现高精度的位移显示),还能作点位控制和轮廓控制数控机床的位置检测元件。采用旋转式感应同步器检测角位移可用于机床和仪器的转台、火炮控制、雷达天线的定位跟踪,等等。与多极旋转变压器相比,同步感应器的精度高,因此它也可以与两极旋变组成双通道系统,也可以与两极旋变、多极旋变组成三通道系统。在以感应同步器作为位移检测元件的自动控制系统中,根据感应同步器的励磁方式和输出信号处理方式的不同,把系统分为鉴幅工作方式和鉴相工作方式。现分述这两种方式下同步感应器励磁信号和输出信号的特点。1.鉴幅工作方式鉴幅工作
10、方式 在滑尺(或定子)的正、余弦绕组上施加频率、相位均相同,但幅值按某角度作正、余弦变化的电压ea、eb:ea=E0cos1sint eb=E0sin1sint 式中,1称为指令位移角。假定滑尺余弦绕组相对定尺绕组位移x,其对应的电角度=(180/)x或者旋转式的定子余弦绕组相对转子绕组位移电角度,根据式(6-4),余弦绕组所产生的磁通在定尺(或转子)绕组中感应的电势为kueb cos,正弦绕组所产生的磁通在定尺(或转子)绕组中感应的电势为-kuea sin。e=kueb cos-kuea sin =kuE0(sin1cos-cos1sin)sint =kuE0sin(1-)sint 可见感应
11、同步器输出电势的幅值正比于指令位移角和滑尺(或定子)位移角的差角1-的正弦函数。如果将感应同步器的输出经放大后控制电机转动,那末,只有当=1或x=1/180,感应同步器的输出电压为0时,电机才停止转动。这样一来,工作台就能严格按照指令转动或移动。由于这种系统是用鉴别感应同步器输出电压幅值是否为0来进行控制的,所以称为鉴幅工作方式或鉴零工作方式。2.鉴相工作方式鉴相工作方式 在正余弦绕组上施加幅值、频率相同,但相位差为90的电压ea、eb:ea=E0cost eb=E0sint 则定尺(或转子)绕组的感应电势为 e=kueb cos-kuea sin =kuE0(sintcos-costsin)=kuE0sin(t-)(6-27)对于直线感应同步器,式中,为对应滑尺位移x的电角度,即=(180/)x。对于旋式感应同步器,为转子的位移角(电角度)。由式(6-27)可以看出,感应同步器把滑尺的直线位移或转轴的转角变换成输出电压的时间相位移。只要通过一定的电路鉴别出输出电压时间相位移,就可以知道滑尺的位移距离或转轴转过的角度。因此这种情况下的感应同步器是处于鉴相工作方式。
